周啟港 鐘 旻,2 周占學(xué)* 龍浩楠

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.江蘇開放大學(xué)，南京 210000)

0 引 言

近年來世界能源緊缺的形勢愈演愈烈，可再生能源的開發(fā)與利用逐漸成為各國重點關(guān)注的領(lǐng)域.太陽能光伏板作為采集太陽能這種理想能源的重要途徑，常因風(fēng)致破壞造成損失.目前規(guī)范只給出了單個太陽能光伏板結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的取值建議，但規(guī)范與實際工程存在較大區(qū)別.賀廣零等[1]通過風(fēng)洞試驗指出光伏板表面風(fēng)荷載分布為梯形分布；馬文勇等[2]給出了3種光伏板表面風(fēng)荷載分布形式，并給出了每種分布形式所適用的情況；許寧等[3]通過數(shù)值模擬指出，由于遮擋效應(yīng)，下游光伏班的風(fēng)荷載由不同程度的衰減，并且離地高度的改變也會改變光伏板的風(fēng)荷載；馬文勇等[4]通過研究指出，底部阻塞會減弱光伏板的最強風(fēng)壓力及風(fēng)致彎矩；阮輝等[5]通過數(shù)值模擬研究了間距對光伏陣列風(fēng)荷載的研究，指出間距的改變會影響到光伏陣列中光伏板的風(fēng)荷載，但對于不同位置的光伏板的影響并不相同.江繼波等[6]等人利用數(shù)值模擬方法分析了風(fēng)向角、光伏陣列的安裝傾角和光伏板縱向間距對光伏陣列上的風(fēng)荷載及其所受彎矩的影響，分析結(jié)果表明光伏板體型系數(shù)和彎矩系數(shù)的極值分別對應(yīng)著不同的風(fēng)向角.Onur等[7]通過風(fēng)洞試驗結(jié)合數(shù)值模擬的研究方法，指出光伏板傾角越大，產(chǎn)生的漩渦脫落越強.馬文勇等[8]通過風(fēng)洞試驗指出，光伏板迎風(fēng)面與背風(fēng)面的折減效應(yīng)不同，光伏板傾角越大，折減效應(yīng)越明顯.

由于存在遮擋效應(yīng)，風(fēng)向角與光伏板傾角皆會影響光伏陣列中的光伏板風(fēng)荷載取.因此本文通過風(fēng)洞測壓試驗對一處于不同風(fēng)向角下、不同傾角的2列3排的光伏陣列的風(fēng)荷載進行對比研究.

1 試驗介紹與參數(shù)定義

1.1 試驗?zāi)Ｐ图皥龅亟榻B

試驗在湖南大學(xué)HD-3風(fēng)洞實驗室進行，該風(fēng)洞實驗室試驗段截面高3 m，寬2.5 m，試驗允許模型最大投影面積為0.375 m2,試驗段長度10 m，轉(zhuǎn)盤直徑1.8 m，本次試驗的輸入風(fēng)速為10 m/s.

光伏板模型為剛性模型，板面材料為ABS，單個光伏板板面長200 mm，寬100 mm，縮尺比為1：10.整個模型由板面、立柱兩部分組成，每個光伏板正反面布置成對測點，每一個板的每一面有8個測點，全板共16個測點，整個陣列共96個測點.為防止壓迫測壓軟管，導(dǎo)致測壓誤差，將光伏陣列置于以600 mm×1200 mm的膠合木板上，試驗測點布置、模型實物與風(fēng)向角設(shè)置如圖1所示，為方便討論對陣列每個板進行變化如c)所示.風(fēng)場的模擬依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，采用擋板、粗糙等元裝置在風(fēng)洞中模擬了B類風(fēng)場，其風(fēng)剖面及湍流度如圖2所示.

圖1 試驗?zāi)Ｐ图安贾?/p>

圖2 平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面

1.2 試驗工況

根據(jù)我國所處緯度，固定式光伏板傾角主要為10°～40°，因此本試驗對0°、10°、20°、30°、40°四個傾角的光伏陣列進行對比研究，工況設(shè)置如表1.

表1 工況設(shè)置

本實驗?zāi)Ｐ妥畲笸队懊娣e為0.36 m2，該風(fēng)洞實驗室允許最大投影面積為0.375 m2，符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的小于5%的最大阻塞率的要求.本實驗所用電子掃描閥采樣頻率為330 Hz，每個測點采集10000個數(shù)據(jù).

1.3 試驗參數(shù)

測點風(fēng)壓系數(shù)與測點風(fēng)壓平均系數(shù)按下式計算：

(1)

(2)

式中，CPi為模型上測點i的風(fēng)壓系數(shù)；Pi為該測點的壓力值；P0為參考靜壓；ρ為空氣密度；V0為參考點的試驗風(fēng)速；CPimean為測點風(fēng)壓平均系數(shù)；N為采樣點數(shù)目，本次試驗N=10000.本次試驗，參考點高度取0.6 m，對應(yīng)原型結(jié)構(gòu)高度6 m，參考點風(fēng)速為7.6 m/s.

凈風(fēng)壓系數(shù)分別按下式計算：

(3)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 傾角與風(fēng)向角的影響

圖3給出了不同傾角的光伏陣列中，各板的凈風(fēng)壓平均系數(shù)與風(fēng)向角的關(guān)系.由圖可知，在10°傾角時，光伏陣列中凈風(fēng)壓系數(shù)絕對值的最大值為120°風(fēng)向角時的A板，其余傾角的光伏陣列中，凈風(fēng)壓系數(shù)絕對值的最大值皆為0°風(fēng)向角下的A板與D板.

圖3 不同風(fēng)向角下光伏陣列各板的凈風(fēng)壓系數(shù)

由于轉(zhuǎn)臺為逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)向角為0°～90°時，D板始終在陣列最前端，90°～180°時，F(xiàn)板始終在陣列最前端，導(dǎo)致D板與F板分別在0°～90°的風(fēng)向角與90°～180°的風(fēng)向角下不受遮擋效應(yīng)的影響，因此為研究風(fēng)向角對光伏陣列的影響，將D板與F板分別作為0°～90°風(fēng)向角與90°～180°風(fēng)向角的參考.

0°風(fēng)向角時，各個傾角下，A、D兩板凈風(fēng)壓平均系數(shù)皆大于B、C、E、F板.30°風(fēng)向角時，A、D兩板凈風(fēng)壓系數(shù)降低，但B、C、E、F板因A、D兩板的遮擋作用減弱而呈現(xiàn)增大的趨勢.當(dāng)風(fēng)向角到達60°時遮擋作用進一步減弱，A、D兩板的凈風(fēng)壓系數(shù)更加接近B、C、E、F板.參考D板，由于風(fēng)向角增加D板凈風(fēng)壓系數(shù)逐漸降低，因此60°風(fēng)向角時，雖然遮擋效應(yīng)的影響降低，但各板的凈風(fēng)壓系數(shù)依然下降.

120°風(fēng)向角時，各個傾角下的光伏陣列中，F(xiàn)板的負(fù)壓最小，光伏陣列中后排各板的負(fù)壓皆大于第一排光伏板，與0°～90°風(fēng)向角相反.150°風(fēng)向角時，F(xiàn)板負(fù)壓繼續(xù)增大，其余各板因遮擋效應(yīng)的作用，負(fù)壓逐漸減小.180°風(fēng)向角時，10°傾角與20°傾角的光伏陣列中，C、F兩板負(fù)壓略微減小，其余各板負(fù)壓減小，且小于C、F兩板.

各種傾角下，光伏陣列中的各板隨風(fēng)向角改變的變化趨勢一致，但10°傾角下的光伏陣列，當(dāng)風(fēng)向角為30°時，后排光伏板風(fēng)荷載會超過第一排光伏板，此時其他傾角下的光伏陣列，D板始終大于后排光伏板，因此10°傾角的光伏陣列，與其他傾角的光伏陣列風(fēng)荷載分布存在一定區(qū)別.

試驗表明，傾角為20°～40°、風(fēng)向角為0°～90°時，光伏陣列中風(fēng)荷載最大的光伏板為D板，當(dāng)風(fēng)向角為120°～150°時，風(fēng)荷載最大的光伏板為A板，180°風(fēng)向角時風(fēng)荷載最大的光伏板為C板.不同傾角、不同風(fēng)向角下的光伏陣列，最大風(fēng)荷載的光伏板并不相同.

圖4給出了各個風(fēng)向角下，不同傾角的各個光伏板的凈風(fēng)壓系數(shù).由圖可知，不同風(fēng)向角下，傾角越大，光伏陣列各板的風(fēng)荷載越大.值得注意的是，90°風(fēng)向角時，不同傾角的光伏陣列，各板的凈風(fēng)壓系數(shù)基本并未因傾角改變而發(fā)生變化.

圖4 不同傾角下光伏陣列各板的凈風(fēng)壓系數(shù)

2.2 平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓分布對比

由于D、F兩板分別為0°～90°與90°～180°時最前排的光伏板，而在各個風(fēng)向角下，C板始終受到遮擋效應(yīng)的影響，因此選擇D、E、F三板進行對比研究.根據(jù)前人研究成果，10°傾角的光伏板風(fēng)荷載與其他傾角時分布規(guī)律不同，因此選擇10°傾角與30°傾角的光伏陣列進行研究.

當(dāng)10°傾角時，C、D、F三板在不同風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)與脈動風(fēng)壓系數(shù)等值線圖如圖5～7所示.由圖可知，除0°與180°風(fēng)向角下的D板平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓規(guī)律分布不同外，其他工況下，C、D、F三板的平均風(fēng)壓分布規(guī)律與脈動風(fēng)壓分布規(guī)律相似，平均風(fēng)壓絕對值越大的區(qū)域，脈動風(fēng)壓越大.隨著風(fēng)向角改變，風(fēng)壓停滯區(qū)逐漸向左移動，之后向右移動回到中部位置，此時脈動風(fēng)壓變化規(guī)律與平均風(fēng)壓變化規(guī)律一致.

圖5 10°傾角D板平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓等值線圖

圖7 10°傾角F板平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓等值線圖

圖8給出了30°傾角時，D板的平均風(fēng)壓系數(shù)與脈動風(fēng)壓系數(shù)等值線圖，由圖可知，30°傾角下，D板的平均風(fēng)壓分布規(guī)律與脈風(fēng)壓一致.結(jié)合圖6～圖8可知，除0°風(fēng)向角、10°傾角的光伏陣列的第一排光伏板除外，其他工況下，個位置的光伏板的平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓的分布規(guī)律基本一致，這意味著光伏板表面風(fēng)壓大的地方，風(fēng)荷載也更加不穩(wěn)定，在設(shè)計光伏支架時，不僅需考慮風(fēng)致彎矩造成的破壞，也需考慮疲勞破壞.由圖5與圖8可知，不同傾角下的光伏陣列中的D板其脈動風(fēng)壓隨風(fēng)向角變化與平均風(fēng)壓隨風(fēng)向角變化的規(guī)律并不相同，因此需具體工況具體分析.

圖8 30°傾角D板平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓等值線圖

3 結(jié) 論

本文通過剛性模型風(fēng)洞測壓試驗，對不同風(fēng)向角不同傾角下的2列3排的光伏陣列進行風(fēng)荷載研究，得出以下結(jié)論：

(1)傾角越大，光伏陣列中各板的風(fēng)荷載越大，但90°風(fēng)向角時，傾角對光伏陣列中各板的風(fēng)荷載的影響極小.

(2)風(fēng)向角為90°時，遮擋效應(yīng)較弱，當(dāng)風(fēng)向角由90°變至0°或變至180°時，上游光伏板的遮擋作用效果會逐漸增加.當(dāng)風(fēng)向角為0°～90°時，除10°的光伏陣列外，其他傾角的光伏陣列中上游光伏板風(fēng)荷載普遍大于下游光伏板，且風(fēng)向角越小，上游光伏板與下游光伏板之間風(fēng)荷載的差距越大.當(dāng)風(fēng)向角為120°時，上游光伏板風(fēng)荷載小于下游光伏板，之后隨著風(fēng)向角增加，遮擋的作用效果增大，下游光伏班風(fēng)荷載減小，并小于上游光伏板.

(3)隨著風(fēng)向角發(fā)生改變，平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓在多數(shù)工況下分布規(guī)律一致，但傾角為10°時，可能存在平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓分布規(guī)律不同的情況，并且風(fēng)向角改變引起的風(fēng)荷載大小的改變與脈動風(fēng)壓大小的改變并不一致，因此在設(shè)計光伏板結(jié)構(gòu)時，除考慮風(fēng)致彎矩造成的破壞的同時，也應(yīng)考慮疲勞破壞.