刚察扎苏合光伏电站风场分布讨论

尹双越， 毕金锋， 罗先启

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引 言

近年来，随着化石能源不断消耗且可开采年限不断降低，如何开发利用新能源已经成为当今时代的热议话题，而太阳能以其储量大、存在广和清洁性被公认为最有希望的替代能源[1-5]。太阳能电站设计中，支架和基础设计是光伏电站土建工程的主要内容。我国的太阳能光伏发电还处于产业初步阶段，如何降低支架重量，优化基础形式是节约光伏电站建设成本的主要工作之一[6-11]。

青海省大部分地区的风荷载大于雪荷载，除了太阳能电池板的自重外，支架和基础承受的主要活荷载为风荷载。《建筑结构荷载规范》中对风荷载的规定主要用于高层建筑和高耸结构，而光伏电站中的太阳能电池板及其支架结构与常规建筑物的结构形式并不相同。以规范中规定的基本风压为依据，计算出风场的入口风速，对光伏电站及其周围的风场进行数值模拟，能够更加真实地反映光伏电站中电池板上的风压分布情况。本文以青海省刚察10 MW并网光伏发电项目为例，对光伏发电站的风场风速和风压分布进行数值模拟，分析8个风向角下的风压及风速的分布情况，为支架及基础的设计提供参考。

1 光伏电站风场计算

1.1 平均风速

在风剖面中，风速的大小与高度呈指数关系，表达示为[12]：

(1)

式中：zb为参考高度，在我国的规范中取为10 m；z为计算高度；v(z)为对应z高度处的平均风速；vb为zb高度处的100 min内的平均风速;α为地面粗糙度指数。

1.2 基本风压与基本风速的关系

《光伏发电站设计规范》GB50797-2012中规定，在支架荷载和荷载效应计算过程中，风荷载、雪荷载和温度荷载按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009中25年一遇的荷载数值取值，不同时考虑风荷载和雪荷载的组合效应。地面和楼顶支架风荷载的体形系数取1.3[13]。

《建筑结构荷载规范》中规定地表建筑物表面的风荷载标准值按下式计算[12]：

p=βzμsμzω0

(2)

式中：p为基本风压;βz为高度z处的风振系数;μs为风荷载体形系数;μz为风压高度变化系数。

风振系数一般用于高层建筑及高耸结构，对于光伏电站支架而言，虽然其高度一般不高于5 m，但由于其结构自身的特点与建筑结构有所差异，与围护结构相似，所以风振系数可按围护结构取值，对于A类地面取为1.65，B类地面取为1.7。体形系数取为1.3，风压高度变化系数按5 m高度取值，A类地面取为1.09，B类地面取为1.0。以青海省刚察10 MW并网光伏发电项目为例，取场地类型为B类，按《建筑结构荷载规范》计算得到的25年一遇的基本风压为0.3 kPa，从而计算出风荷载标准值为：

p=1.7×1.3×1.0×0.3=0.663 kPa

(3)

一般工程中将风速数据转换成风压数据进行结构设计，风速与风压存在着一定的换算关系。在不可压缩的低速气流中，不考虑气体黏性和体力作用，在任一流线上各点作为标准高度伯努利方程为：

(4)

在标准大气压下，流体容重γ=0.012 018 kN/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，则可以计算出：

(5)

为方便起见，一般取为1/1 600。由此得到基本风压与基本风速的关系为：

(6)

1.3 湍流流动的控制方程

一般采用湍流模型来描述自然风的流动，采用二方程模型k-ε来描述湍流运动[14]。以下各式是描述湍流运动的k-ε模型：

式中：ρ为流体密度；u为速度；p为压力；I为单位矩阵；uT为湍流黏度；k为湍流动能；F为外力项；pk为生成项；ε为湍流耗散率；μk、με、cε1和cε2为湍流系数。式(7)和(8)是主方程，通过上述方程的求解可以得到空气流动的详细情况，并且可以计算出气流在电池板表面的压力分布情况。

2 刚察扎苏合光伏电站布置

2.1 工程概况

扎苏合10 MW光伏发电工程位于刚察县泉吉乡，其地理坐标为东经99°44′～99°52′，北纬37°12′～37°18′之间，距刚察县城45 km。电站设光伏阵列区、汇集站和生产生活综合区。整个地块南北长744.2 m、东西宽359.6 m，平均海拔3 310 m，总占地面积为0.267 614 km2，场区地势平缓，地形开阔，多为草场区[15]。

2.2 太阳能电池板支架形式及其分布

扎苏合10 MW光伏发电工程中，太阳能电池板共有17列，每一列电池板的宽度约为19 m，每一排电池板的间距为11～13 m。整个光伏电站的区域尺寸为340 m×720 m。采用的支架为固定式支架，太阳能电池板的倾角为39°，每个太阳能电池板所处的支架单元长度为4.085 m，支架中的立柱、支撑与横梁均采用槽钢[16]，单个太阳能电池板支架侧视图如图1所示。

图1 太阳能电池板及其支架侧视图(m)

3 刚察扎苏合光伏电站风场分析

3.1 风场计算模型的建立

按规范以及刚察县扎苏合村的地形特点，选用B类地面粗糙度，粗糙系数取为α=0.15，计算得到刚察地区基本风压p=0.305 kPa，对应的基本风速为v0=22.09 m/s。k-ε模型中各参数取值如下：cε1=1.44，cε2=1.92，cμ=0.09，σk=1，σε=1.3，κv=0.41，Β=2.5；流体(空气)参数取值如下：密度为1.293 g/L，动力黏滞系数为18.5 μPa·s。

光伏电站周围建立风场范围，如图2所示，以S向风为例，在电站前方及两侧风场范围为对应方向电站尺寸的2倍左右，后方为4倍左右，高度为3倍左右。模型边界条件入口为速度入口，风速方向与入口边界垂直，大小根据支架高度按风剖面速度式(1)取值，出口为0压强出口。模型底面为地面，左右两侧为对称面，上面为自由边界。为了消除边界效应，模型计算域取研究对象的3倍左右。

3.2 风场数值模拟结果

取8个风向角进行计算，其中S向风时光伏电站及其周围的风压如图3所示，在电站左侧风压达到最大值88.1 Pa，最大负压达到-40.5 Pa；风速分布如图4所示，在电站上下边界处风速达到最大值23 m/s，电站内部风速为最小值0.29 m/s。

图2 数值模拟模型中太阳能电池板分布

图3 S向风时电站及其周围风压分布

图4 S向风时电站及其周围风速分布

从模拟结果各图中可以看出，风向的变化对光伏电站不同区域的影响也不尽相同，下面根据不同风向角对模型结果进行分析(见表1)。

数值模拟过程中，考虑了风速分布沿高度的变化，考虑了当地地面的粗糙程度和电池板体形特点，与现实中的风作用效果相近，结果显示，按25年一遇的风速进行模拟，电池板受到的最大风压也不超过0.1 kPa，远小于按规范计算的风荷载标准值0.663 kPa，由此在设计过程中按规范计算风压力过于保守。

从数值模拟结果中风压分布情况也可以看出，最外侧的太阳能电池板在不同风向角的风荷载作用下受到的风压最大。无论风向怎样变化，在中间区域的电池板的压力均远小于外围电池板所受的风压。对于整个太阳能电站而言，在结构设计过程中，对风荷载的取值可根据不同风向角下整个太阳能电站内的风压分布规律取值，为了方便计算，可将整个电站按风压的不同分区计算作用在电池板上的风荷载。以刚察扎苏合10 MW光伏发电工程为例，以风压大于30 Pa和风压小于30 Pa为界线将整个电站分为两部分，如图5所示。无论风向角怎么变化，浅蓝色区域内的风压均小于30 Pa。在支架设计过程中，可按《建筑结构荷载规范》的规定适当降低基本风压取值，由此达到节省材料、控制成本的目标。

表1 不同风向角下的风压及风速分布特点

图5 太阳能电池板压强小于30 Pa的区域(蓝色阴影部分)

4 结 论

(1) 《光伏发电站设计规范》中规定对风荷载的取值按《建筑结构荷载规范》中25年一遇的风载取值，而光伏电站的结构特点与建筑结构并不相同，光伏电站结构简单，高度低、质量小、占地面积广，按《建筑结构荷载规范》取值并不能准确地体现光伏电站风荷载的特点。从模拟结果来看，由于光伏电站中支架结构高度较低，风速较小，计算得到的风压比按《建筑结构荷载规范》计算得到的风荷载设计值小得多。

(2) 在整个光伏电站分布范围内，风荷载的大小与太阳能电池板所处的位置有关。无论风向如何，整个光伏电站中间区域的电池板的压力均远小于外围电池板所受的风压，可按风压分布的不同，将整个光伏电站分区域对太阳能电池板支架结构及基础形式进行设计，能够有效降低部分支架自重，从而达到节约成本的效果。

(3) 在得到电站所在地区的全年风向及风速分布数据后，可根据真实情况对电站及其周围风场分布进行模拟，同时考虑风场及支架的流固耦合作用，能够更加真实地反映光伏电站的风场分布特点，同时可以得到支架的内力分布情况，为支架及基础的设计提供有效参考。

参考文献(References)：

[1] 杜凤丽,原郭丰,常 春,等. 太阳能热发电技术产业发展现状与展望[J]. 储能科学与技术,2013,2(6):551-564.

[2] 马 宁. 太阳能光伏发电概述及发展前景[J]. 智能建筑电气技术,2011,5(2):25-28.

[3] 陈 静,刘建忠,沈望俊,等. 太阳能热发电系统的研究现状综述[J]. 热力发电,2012,41(4):17-22.

[4] 王 鼎,时 雨,胡婧婷,等. 太阳能热发电技术综述及其在我国适用性分析[J]. 电网与清洁能源,2016,32(9):151-156.

[5] 宿建峰,李和平,贠小银,等. 太阳能热发电技术的发展现状及主要问题[J]. 华电技术,2009,31(4):78-82.

[6] 毛 亮. 我国发展太阳能光伏发电的必要性及技术分析[J]. 科技传播,2011(20):66,68.

[7] 朱伟钢,林燕梅,周 蕾. 太阳能光伏发电在中国的应用[J]. 现代电力,2007(5):19-23.

[8] 牟 娟.光伏电站可调式支架经济效益分析[J].可再生能源,2013,31(6):23-25.

[9] 毕金锋,吴雪萍,平曈其,等.光伏电站新建工程固定可调支架讨论[J].实验室研究与探索,2016,35(4):39-42,100.

[10] 毕金锋,平曈其,吴雪萍,等.刚察扎苏合光伏电站固定可调支架发电效益分析[J].实验室研究与探索,2016,35(1):31-33,53.

[11] 回双双,吴亚敏,王 晓,等.太阳能电池板的优化安装[J].实验室研究与探索,2012,31(5):28-30.

[12] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

[13] 中国电力企业联合会. GB50797-2012,光伏电站设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2012.

[14] 张兆顺,崔桂香,许春晓. 湍流理论与模拟[M]. 北京:清华大学出版社,2005.

[15] 青海省水利水电勘测设计研究院工程勘察分院,青海省发展投资有限公司扎苏合10 MW光伏发电工程电站勘察报告[R]. 2012.9.

[16] 上海电力设计院,青海省发展投资有限公司扎苏合10 MW光伏发电工程电站可行性研究报告[R]. 2012.9.