考虑风向角的地面光伏阵列风压折减特性研究

■ 姜涛 牛斌

中国建筑设计研究院（集团）中国建筑设计咨询有限公司

考虑风向角的地面光伏阵列风压折减特性研究

■ 姜涛 牛斌*

中国建筑设计研究院（集团）中国建筑设计咨询有限公司

针对地面光伏电站流场不均匀且各阵列所受风压复杂的特性，采用CFD方法分析不同风向下多排阵列风载荷的变化情况，并讨论最不利条件下阵列间距对折减特性的影响。结果表明：当来流风向为北风和南风时，风载荷折减效应最明显，随着风向角向横向靠近，折减效应趋于平缓，最大载荷也逐渐减小；在地面光伏电站中，受风载荷影响最大的为外围光伏结构，在阵列排布及结构设计时应基于流体力学计算结果考虑风压折减，划分风载荷区域。

光伏阵列；风向角；风载荷；净力系数；折减特性

0　引言

随着不可再生能源储备的减少及清洁能源需求的增加，绿色建筑和低碳节能理念越来越受到重视，促进了光伏产业的兴起。而强风下光伏阵列所受载荷是整个光伏系统设计与建造的关键之一，因而必须研究强风对光伏阵列风载荷的影响规律，以作为光伏支撑结构设计的依据。

目前关于光伏电站阵列风载荷的研究主要有2种方法：风洞实验［1-3］和理论计算。理论计算分为3种方法：一是在整个风荷载区域采用单一结构体型系数的工程算法；二是基于工程算法改进，考虑光伏阵列所受风压不均匀的半经验法；三是基于CFD方法的数值计算。由于光伏阵列不同区域所受风压不同、阵列受力不均匀等特点，传统的工程算法和半经验法对风载荷的计算会造成工程设计中不必要的浪费。基于CFD方法的数值计算结果则与实际更相符，但对计算条件要求较高，计算时间也较长。目前基于CFD方法的光伏风载荷计算国内公开发表的文献较少，国外学者对光伏结构受风力影响较为重视，并应用数值模拟开展了相关研究。Banks［4］率先提出光伏阵列风压的计算机模拟会直接影响未来光伏产业的发展。Chung等［5］对光伏结构所受风吸力及压力系数进行了研究。Bitsuamlak等［6］采用流体力学计算软件对光伏阵列进行风载模拟。Yu［7］基于CFD方法采用不同湍流模型模拟稳态条件下光伏阵列在强风下的受力情况，通过与现场实测结果对照验证了计算机模拟的可行性和有效性。但上述文章均未考虑光伏阵列间的折减效应。Warsido等［8］以阵列间距为参数研究了其对光伏结构风压的影响。Văsieş等［9］在2012年对有无女儿墙的平屋顶上安装的光伏结构进行数值模拟分析，文章基于计算机模拟结果对结构设计提出指导。但上述文章均未考虑不同风向角下结构风载荷的变化规律。如何运用计算流体力学方法刻画光伏阵列风压特性，并将其应用于光伏结构的风载评估，为光伏阵列的结构设计提供指导，尚缺少系统的研究。

本文应用CFD方法研究地面光伏阵列的风压特性，通过分析不同来流风向角及不同阵列间距下流场及光伏阵列气动力特性，对光伏阵列及结构进行风载荷评估，为光伏结构设计提供技术指导。

1　理论与方法

本文首先计算强风下光伏阵列流场域的定常解，之后以定常解为初始条件求得光伏阵列流场域的非定常解。

对于定常解，流场求解方程采用基于Favre平均的N-S方程，其数学描述如下［10］：

对于不可压缩流动，密度ρ不随坐标变化。为保证上述方程封闭，选用（SST）k-ω双方程湍流模型，其中湍动能k和耗散率ω由式（4）和式（5）确定。

式中，F1为调配函数； vt为湍流涡粘性系数，由式（6）确定。

该模型中各变量的物理意义及求解可见文献［11］。

通过给定风速、流场域及物理模型相关参数，求解流体控制方程，得到流体区域的稳态场解，即可获得光伏阵列壁面的压力分布，继而求得光伏阵列稳态条件下的风载荷大小。

对于非定常解，理论模型采用大涡模拟模型。对N-S方程组进行空间滤波，得到大涡模拟的基本方程：

为保证上述方程封闭，采用Boussinesq假设，亚格子尺度应力由式（9）计算：

通过给定入口风速边界条件，以稳态解为初始条件，求解流体控制方程，得到流体区域的流场分布，即可获得光伏阵列所受风压情况，继而积分可求得各阵列所受风载荷的大小及其折减系数。

2　计算模型与参数

计算模型选用我国某地面光伏电站标准光伏组件，光伏阵列几何尺寸：20 m×0.1 m×3.5 m，安装倾角为30°，底部距地面高0.5 m，各阵列间距为5.8 m；选用来流风向角Angle为计算参数，取值范围：Angle=0°+n×30°，n取值范围为0～6。Angle取值、阵列编号及坐标如图1所示。

图1　风向角取值及坐标方向示意图

计算5排阵列，流体几何模型大小为：100 m×10 m×55 m，采用有限体积法离散控制方程，非定常计算时间40 s。为保证计算精度，靠近结构壁面区域网格逐渐加密。壁面边界层为10层，最小尺寸0.001 m，增长系数1.2，单元总数125万。计算模型及边界层附近网格划分见图2。来流参数：v=30 m/s，P=1.01×105Pa，Re=2.5×106，T=288 K，下游流出为压力边界，相对压力为0；底部及光伏阵列为无滑移边界。

图2　计算模型及壁面附近网格划分

3　计算结果和分析

3.1流场计算结果

图3为Angle=0°时对称面流线分布图。由图3可得，来流进入光伏阵列中，绕过首排光伏阵列后在板后形成一主漩涡，其尺度与Re和光伏阵列倾角有关；同时由于剪切层分离后再附，产生了一定的回流，在光伏阵列间也会有局部涡的存在；中心大涡与局部涡方向相反，这些涡都会对阵列产生一定吸力。图4为Angle=180°时对称面流线分布图，由于板倾斜方向与来流方向一致，主漩涡位置在第1、2排之间，各排间均有一尺度较大的局部涡。涡旋结构的相互影响使流动变得十分复杂，不同排的光伏阵列，乃至同一排光伏阵列的不同位置所受风压均不同。证明了光伏阵列中采用CFD方法预测风载的必要性。

图3　Angle=0°时对称面流线分布

图4　Angle=180°时对称面流线分布

3.2光伏阵列气动力特性

由流场结果可得光伏阵列的气动力分布情况，图5为不同来流风向角下光伏阵列迎风、背风面压力分布云图。由图5a可得，Angle=0°时第1排迎风处风压最大（585 Pa），由于板间涡旋的存在，第1排迎风面处为正压、背风面为负压，两方面作用使得阵列承受掀起力，其余顺风向组件所受气动力均有不同程度的折减。图5b和图5c分别为Angle=60°和120°时光伏阵列壁面压力分布云图，由图可知，因板间遮挡而引起的折减效应较为明显。由图5d可知，Angle=180°时第5排迎风处风压最大（539 Pa），阵列承受下压力，其余各排由于遮挡作用附近风压相对较小。

图5　光伏阵列壁面压力云图

3.3光伏阵列风载荷计算

将壁面压力值以参考动压为基准做归一化处理，可得光伏阵列无量纲压力系数：

式中，P为光伏阵列壁面压力；ρa为空气密度；为参考高度下的平均风速。定义净压力系数为迎风面与背风面压力系数之差，则其时间历程ΔCPN（t）如式（11）所示：

式中，下标N、W、L分别表示净压力、迎风面和背风面。对其进行面积分得到垂直壁面方向的总净力：

式中，m、n分别为迎风面、背风面上网格数量；AWi、ALi分别为CPWi、CPLi对应的壁面单元面积。通过归一化处理将FN（t）转为如下无量纲形式：

式中，B、L分别为光伏板的宽度和长度。

至此，在光伏结构设计中起关键作用的风载荷计算转变为净力系数CFN（t）的计算和分析。

图6为光伏阵列各排CFN随风向角的变化曲线。由图6可知，Angle=0°时第1排的CFN为最大值（0.93），光伏阵列受掀起力最大；Angle=180°时第5排的为最小值（-0.81），光伏阵列受下压力最大；各排CFN均以Angle=90°为拐点，由掀起力过渡至下压力。

图7给出了Angle=0°～90°和Angle=90°～180°时各风向角下CFN在不同阵列间的变化曲线。由图可知，当Angle=0°和Angle=90°时，阵列迎风向的折减最明显，分别为12.8%和8.4%，后续阵列所受载荷有所增加但变化较小；随着风向角向90°靠近，最大载荷逐渐减小，曲线趋于平缓，折减效应也逐渐减小。由上述分析可得，光伏阵列排布时，受风载荷影响最大的为外围光伏结构，其余阵列受首排保护受力较小。在大型地面光伏电站设计中应划分风载荷区域，使其更具有经济合理性。

图6　各阵列CFN随风向角变化曲线

图7　各风向角下CFN在不同阵列间的变化曲线

此外，针对光伏阵列承受风压最大（北风，Angle=0°）的最不利情况，对不同光伏阵列间距下的风压折减特性进行了分析。以间距为计算参数，取值范围为4.76 m+n×0.5 m，n取0～7，得到不同间隔下光伏阵列各排CFN结果见表1。由表1可知，在间距较小（4.76～5.76 m）时，CFN负值出现在第4排；间距较大（7.26～8.26 m）时，负值在第3排。这是因为整体涡的位置与雷诺数相关，涡心与首排板距离基本不变，随着板间距的增大，整体涡由第3排与第4排之间转至第2排与第3排之间，而相应板后侧的局部涡强度不及整体涡（参考图3），因此光伏阵列受整体涡吸引作用较大，净力系数的弱负值由第4排转至第3排。但折减整体趋势基本相同。

表1　不同间隔下光伏阵列各排CFN计算结果

由于中心涡位置的相对固定性及不同间距对首排风载影响较小，衰减趋势相对变化不大，另外受光伏电站场地对间距的限制及成本影响等，研究阵列排布间距对风载影响的意义并不大。不同间距下的计算从侧面证明了风载荷折减效应的通用性。

4　结论

本文采用CFD方法研究了地面光伏阵列的风压折减特性。通过分析不同风向角和不同间距下流场及光伏阵列的气动特性，说明了基于CFD计算结果进行结构设计的必要性。研究表明：在地面电站阵列排布中，当来流风向为北风和南风时，风载荷折减效应最明显；随着风向角向横向靠近，折减效应趋于平缓，但最大载荷也逐渐减小。考虑到光伏阵列排布时，受风载荷影响最大的为外围光伏结构，提出在光伏阵列排布及结构设计时基于CFD计算结果考虑风压折减，划分风载荷区域，节约成本。

［1］Pratt R N， Kopp G A. Velocity measurements around lowprofile， tilted， solar arrays mounted on large flat-roofs， for wall normal wind directions［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2013， 123， Part A: 226-238.

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［4］Banks D. How wind load studies will impact the solar industry ［EB/OL］. https://ases.conference-services.net/resources/252/2859/ pdf/SOLAR2012_0419_full%20paper.pdf.

［5］Chung K， Chang K， Liu Y. Reduction of wind uplift of a solar collector model［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2008， 96（8-9）: 1294-1306.

［6］Bitsuamlak G， Dagnew A， Erwin J. Evaluation of wind loads on solar panel modules using CFD［A］. 5th International Symposium on Computational Wind Engineering （CWE2010）［C］， Chapel Hill，North Carolina， USA， 2010.

［7］Yu Y. Numerical simulation of wind load on roof mounted solar panels［D］. Canada: University of Western Ontario， 2012

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［11］Menter F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications［J］. AIAA Journal， 1994， 32（8）: 1598-1605.

2015-05-28

牛斌（1989—），男，工程师、助理研究员，主要从事光伏电站风载荷预测、结构设计及发电效率优化方面的研究。niubin@cadg.cn