李 偉，董兆萍，王云浩

（天津城建大學 能源與安全工程學院，天津300384）

大多數(shù)光伏電站位于偏遠地區(qū)，如偏遠和人口稀少的地區(qū)或工廠屋頂. 為增加發(fā)電，太陽能電池板大多是傾斜的，而且角度常與安裝地點的緯度相同，因此在經(jīng)常起風的區(qū)域光伏支架陣列容易兜風，如果光伏支架的設計強度和穩(wěn)定性不能滿足當?shù)氐娘L阻要求，昂貴的太陽能電池板極容易被損壞，這將增加光伏電站的維護成本[1-5].

電站組件陣列的布局一般都很規(guī)則，風載荷會慢慢衰減，分布并不均勻[6].本文建立了光伏電站組件模型，如圖1 所示，并基于仿真軟件Fluent6.3[7]，模擬了風速為24.25 m/s 時，電池板在四種不同風向角工況下的受力情況，并對模擬結(jié)果進行了分析，旨在為支架的選擇提供科學依據(jù).

圖1 光伏電站組件模型（10 排）

1 理論基礎

本文計算了光伏陣列在強風作用下流場的穩(wěn)態(tài)解，采用基于Favre 平均的N-S 方程求解流場.其數(shù)學表達式如下

對于不可壓縮流動，密度ρ 不隨坐標變化.為確保上述方程封閉，采用（SST）k-w的雙方程湍流模型，其中湍動能量k和耗散速率w由方程（4）和（5）決定，即

式中：F1為調(diào)配函數(shù)；vt為湍流渦黏性系數(shù)；由式（6）確定，即

詳細的模型求解過程見文獻[8].

給定風速等相關參數(shù)，通過求解流體方程，得到流場穩(wěn)態(tài)解.根據(jù)光伏陣列壁面上的壓力分布，可得到其穩(wěn)態(tài)的風荷載特征.

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

本文計算中，光伏電站組件安裝在具有一定坡度（約為3.9°）的山坡上. 山坡長203.9 m，寬300 m，高13.11 m，山坡前入口長30 m，此即計算域的尺寸.計算域示意圖如圖2 所示.電池元件模型的入口與側(cè)面和邊緣之間的距離，頂部和電池元件模型之間的距離，并且計算域退出與模型之間的距離都大于模型高度的5 倍.組件尺寸172 m×9.9 m×0.1 m（長×高×厚），豎向1 列10 行排列，與地面的安裝傾角為20°. 幾何模型按照實際尺寸建立.

圖2 計算域及模型示意

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用四面體網(wǎng)格來劃分計算域的空間[9]. 由于光伏陣列的長寬和厚度比值過大，直接進行網(wǎng)格劃分非常困難，因此采取分塊劃分網(wǎng)格的形式.在電池組件附近的網(wǎng)格加密，并以一定的漸變率向四周發(fā)散，電池組件周圍的空間網(wǎng)格節(jié)點是密集的，遠離電池組件位置網(wǎng)格逐漸稀疏.整個計算域的網(wǎng)格劃分如圖3 所示，網(wǎng)格總數(shù)為300 多萬.

圖3 計算域網(wǎng)格劃分

2.3 模型設置

本文利用Fluent6.3 的計算平臺對銅川大型光伏電站的風荷載問題進行數(shù)值模擬，模擬過程采用k-ε湍流模型，基于壓力的隱式解算器，SIMPLE 算法，用于求解方程.動量方程及模型方程中對流項選用QUICK格式離散，動量方程二階差分.

2.4 邊界條件

數(shù)值模擬中，模擬模型的風場邊界條件為：底面為壁邊界，設壁表面粗糙高度為0.05 m.側(cè)面及頂面為壁面邊界.入口使用速度入口，入口風速24.25 m/s，出口為充分發(fā)展流.模型表面為無滑移壁面.

3 計算結(jié)果分析

3.1 不同風向組件表面風壓特性

3.1.1 0°風向角

0°正向風時的組件上表面為迎風面，下表面為背風面.上、下表面壓力之差便是單位面積組件所受的風荷載.0°和45°風為正向風，組件承受的是下壓力.

0°正向風工況下，除了個別組件的小部分區(qū)域，每個組件的上、下表面的風壓是沿長度方向?qū)ΨQ分布的，如圖4 所示，這與事實相符，說明數(shù)值模擬是合理的.

圖4 正向風（0°）工況電池組件上下表面壓力分布云圖

整個光伏陣列風壓分布規(guī)律是組件中間部分壓力分布均勻，兩側(cè)則差別較大，這說明兩側(cè)受風影響較大，下表面兩側(cè)的壓力明顯低于其中間部分，說明組件兩側(cè)承受的風荷載較大.第一排組件的上表面承受最大風壓，特別是上表面的下半部分，而其下表面的壓力較小，上下表面壓差很大，所以第一排組件所受的風載荷最大，特別是其下半部分. 第二排組件上表面受到的壓力較小，下表面的壓力在所有組件中最大，上下表面壓差很小，所以第二排組件所受的風荷載最小，且其受力比較均勻.

3.1.2 45°風向角

45°風向角的風壓如圖5 所示，對于45°風向，組件上、下表面的最大風壓值出現(xiàn)在風的入口處，風壓值沿著組件長度方向不斷降低；由第一排到第十排的上、下表面的風壓值為遞減趨勢；沿著45°線方向，組件上、下表面受到的風壓呈現(xiàn)降低的趨勢；綜合看組件受力最大的位置在第一排組件的迎風端.

圖5 正斜向風（45°）工況電池組件上下表面壓力分布云圖

3.1.3 135°風向角

當135°風和180°風是逆風時，下表面壓力大于上表面，組件承受的是掀起力.對比45°風向圖，135°風向圖下表面風壓分布規(guī)律和45°風的上表面風壓分布規(guī)律很相似；而上表面和45°風時的下表面相似，如圖6 所示.所以每排組件的迎風側(cè)受力更大；受力最大的是首先迎風的第10 排組件.

圖6 逆斜向風（135°）工況電池組件上下表面壓力分布云圖

3.1.4 180°風向角

從180°逆向風的風壓圖中可以看到每個組件上、下表面的風壓基本上都是沿著組件長度方向?qū)ΨQ分布，其對稱度比0°風時略差.這是因為逆向風時風的湍流度增大，不確定性因素增加.

對比0°和180°風壓圖，可以發(fā)現(xiàn)180°風時組件下表面的壓力分布規(guī)律和0°風的壓力分布規(guī)律非常相似，如圖7 所示.都是組件兩側(cè)壓力大，中間壓力小.

180°風時第十排組件上、下表面的壓差最大，其所承受的壓力相應也最大.與0°風時的第一排組件受力位置不同，180°風時第十排組件主要受力位置是其中上部分.

3.2 光伏陣列風載荷計算

根據(jù)參考動壓對壁面壓力進行歸一化處理，可以求得光伏陣列無量綱壓力系數(shù)，即

式中：P為光伏陣列壁面壓力；ρ 為空氣密度；vˉ表示風速.

規(guī)定迎風面與背風面壓力系數(shù)的差值等于凈壓力系數(shù)，則其時間歷程CJ（t）可由下式得到，即

式中：下標J 表示凈壓力，下標M 表示迎風面，下標N表示背風面.

對式（8）進行面積分可得

式中：F（t）為垂直壁面方向的總凈力；m、n表示迎風面、背風面上網(wǎng)格數(shù)量，AMi、ANi表示壁面單元面積.

將F（t）轉(zhuǎn)化為如下無量綱形式式中：B和L代表光伏板的寬度和長度.

凈力系數(shù)CF（t）的變化趨勢可以表征光伏結(jié)構(gòu)設計關鍵因素風載荷的變化趨勢.

圖8 給出了0°正向風、45°正斜向風、135°逆斜向風、180°逆向風四個不同風向情況下各組件的風荷載凈力系數(shù)曲線，凈力系數(shù)的具體數(shù)據(jù)在表1 中列出.

圖8 四種風向下各排組件風荷載凈力系數(shù)曲線

表1 不同風向時各排組件風荷載凈力系數(shù)

如圖8 所示，在四種風況下，最大風荷載都是由首先受風的那排組件承擔.即正向風時最大風荷載出現(xiàn)在第一排組件，逆向風時最大風荷載出現(xiàn)在第十排.

對比圖8 中四條曲線發(fā)現(xiàn)0°正向風和180°逆向風兩種工況下其組件的最大風荷載（C（Ft）分別為0.750 384、0.917 342）要高于45°和135°風向兩種工況下其組件的最大風負荷（C（Ft）分別為0.461 76、0.574 107）.

對比四條曲線可以看到，整個光伏陣列的最大風荷載出現(xiàn)在180°逆向風工況的第十排，風荷載C（Ft）為0.917 342.以此最大荷載為標準，各排組件所受的最大風荷載與整個光伏陣列的最大風荷載的比值如圖9 所示，這在光伏支架構(gòu)件結(jié)構(gòu)設計時是一個重要的參考標準，具體數(shù)據(jù)在表2 中列出.

圖9 各排組件最大風荷載與光伏陣列最大風荷載比值

表2 各排光伏組件最大風荷載與第十排最大風荷載比值

值得注意的是，圖9 和表2 顯示第二排組件承受風荷載很小，僅為第十排最大風荷載的18%. 經(jīng)過分析認為，原因是本研究中組件很長（172 m），長、高比很大，第一排組件阻擋風的作用對第二排影響非常大，所以第二排組件受力非常小. 雖然計算結(jié)果顯示第二排承受風荷載很小，但在實際工程中建議第二排按照第三排的最大風荷載甚至更大一些進行設計，以免發(fā)生第一排組件受損的狀況.

4 結(jié) 論

通過對一列十排的光伏陣列（模型1）風荷載進行數(shù)值模擬研究，得出以下主要結(jié)論.

（1）陣列首尾兩排（第一和第十排）組件所受的風荷載最大，第二排到第九排所受風荷載逐漸增大，第二排所受風荷載僅為第十排最大風荷載的18%，第九排所受風荷載為第十排最大風荷載的60%.

（2）第一排主要受力位置為組件下半部分，第十排主要受力位置為其中上部分.各排組件長度方向的兩端承受風荷載較大，中間位置風荷載較小.

（3）在實際設計中，可選擇最外側(cè)陣列為設計標準，中間陣列根據(jù)荷載情況，通過光伏陣列布局優(yōu)化，可節(jié)省設備成本.