有围墙遮挡的近地面光伏阵列风荷载特性分析

2019-05-16张大千常方园

沈阳航空航天大学学报 2019年2期

张大千，常方园

(沈阳航空航天大学航空宇航学院，沈阳 110136)

光伏板表面上的风荷载大小是设计光伏板及其支架结构的主要依据。在国内外的风洞试验与计算研究中，常将光伏板分为近地面安装和建筑物屋顶安装两类。对近地面安装的光伏板，Ayodeji Abiola-Ogedengbe[1]等人进行了4个不同风向角下的风洞试验，分析了风向角、倾角及板面间隙对光伏板表面风压的影响，试验中发现在0°及180°风向角下的光伏板迎风面风压关于其中面对称分布。Giovanni Paolo Reina[2]等人对光伏阵列进行了全模型及缩比模型的数值模拟评估，得到缩比模型在降低计算量的同时能够得到与全模型吻合良好的结果。Chowdhury Mohammad Jubayer[3]等人对不同风向角下的单个光伏板的风荷载及板面周围的气流扰动情况进行了数值模拟研究，也得到了与风洞试验吻合较好的数据。黄张裕[4]等人通过数值模拟分析以及与不同规范对比，提出了带有太阳能跟踪器的光伏面板风荷载体型系数的取值方法。

以上研究没有考虑光伏电站围墙的阻挡对下游光伏板风荷载造成的影响，围墙的遮挡效应类似于阵列中的前排光伏板，从韩晓乐[5]的风洞试验中可以看出，对于近地面安装的光伏阵列，前排光伏板对于后面的光伏板有明显的遮挡效应，因此有必要对围墙的遮挡效应进行进一步研究。本文运用CFD数值模拟技术，基于RANS与方程，结合Chowdhury M.Jubayer1[6]、Chowdhury Mohammad Jubayer[7]、Aly Mousaad Aly[8]和黄张裕[9]等人的研究成果，研究了不同风向角下，围墙高度、围墙与光伏板前缘的距离对下游光伏阵列风荷载分布及弯矩系数的影响，为光伏支架系统的设计提供参考。

1 工况设定

1.1 围墙尺寸的设定

光伏电站围墙主要用于保护光伏系统不受外界破坏，参考《建筑施工安全检查标准》中施工工地安全围挡高度为1.8～2.5 m[14]，设定了1.5 m、1.8 m、2.1 m、2.4 m 4个不同高度，围墙厚度取0.2 m，在实际使用中，围墙应将光伏系统全部包围，考虑到计算模型的阻塞率[12]，取围墙长度为24 m，如表1所示。

表1 用于分析计算的四种围墙模型

1.2 光伏板尺寸的设定

光伏板支架大都为钢架结构，对大气来流的阻挡影响很小，在风洞试验设计中，常将支架简化，甚至忽略支架，直接建立光伏板模型[6-7]。参考Giovanni Paolo Reina[2]和Chowdhury Mohammad Jubayer[3]等人的做法，忽略光伏板的支架对板面风压的影响，光伏板取实际尺寸2.5 m×20 m×0.2 m，采用风洞试验及数值模拟中常用的25°倾角[3,6-8]。

安装光伏阵列各光伏板时，为了提高板面的发电效率，需要考虑光伏板阵列间的遮挡影响，这里采用文献[10]中方法，根据公式d=(H-e)ctgh来确定光伏板间隙，其中e为光伏板底端与地面的最小高度间距，h为太阳高度角，根据太阳高度角确定前排光伏板对后排的遮挡效应，取文献[10]中极值情况，即冬至日太阳高度角为22°，结合文献[11]中考虑的光伏板支架对来流大气的流通性，将e设定为0.5 m，因此，相邻光伏板的纵向间距d=2.475×(1.6-0.5)=2.7。为分析上游光伏板对下游的影响，设定5个光伏板形成阵列，用数字1，2，3，4，5分别表示,阵列排列情况如图1所示,风向角规定如图1所示。

图1 光伏阵列模型

1.3 流场参数的设定

《建筑工程风洞试验方法标准》规定建筑物风洞试验的模型阻塞率不可大于8%[12]，但在数值模拟中，要求小于3%。这里针对外流场域的设置要求[13]及文献[7]，设置流场域的尺寸参数如图2所示。图2中H为光伏板后缘距地面距离，光伏板两侧流场域边界距离光伏板两侧外缘距离均为17.6H，围墙距离流场入口5H，S为围墙与前排光伏板前缘的距离，后排光伏板的后缘距离流场出口为10H，流场域高为15H。对于A，B，C，D 4种设定的围墙模型的高度，分别得到模型阻塞率为1.79%，2.14%，2.5%，2.86%，均满足《建筑工程风洞试验方法标准》的规定。

图2 流场尺寸参数

1.4 计算工况的设定

为分析上游有围墙遮挡时，大气来流对近地面光伏阵列风荷载及弯矩系数的影响，设置如下工况。工况1为上游无围墙近地面安装的单块光伏板，用于对比风洞试验和数值模拟的结果，检验数值计算方法的可行性;工况2为前方有围墙遮挡情况时，0°、45°、135°与180°风向角下，光伏板阵列中各光伏板的风荷载分布，以便研究不同风向角下，围墙对各光伏板表面风荷载的影响。工况3为研究在大气来流方向上，不同高度的围墙产生的漩涡对下游光伏板的风荷载的影响，工况4为研究当围墙与前排光伏板间距改变时，光伏板的风荷载的变化,具体工况参数如表2所示。

表2 数值模拟的工况

注：光伏板的倾角为25°。

2 数值模拟方法

2.1 网格划分

为维持来流风速剖面的稳定，需对外流场进行粗糙度设置。根据文献[15]，粗糙度高度ks和粗糙度常数Cs=9.477应满足如下公式

ks=Ez0/Cs

(1)

公式(1)中,E为积分常数，取9.739，z0为地面粗糙度长度，按《风工程与工业空气动力学》的规定取0.03[16]，计算得ks=0.031 m，按此值设置外流场的粗糙度、高度，并且下边界应设置大于ks的附着层。这里采用的第一层网格厚度为0.05 m，按照增长率为1.2进行网格划分，并对墙体及光伏板面附近网格进行加密处理，如图3、4所示。

2.2 边界条件设置

入口设置为速度入口，根据《风工程与空气动力学》，入口处风速采用B类指数风速廓线，风速廓线的指数律分布可表示为

(2)

图3 附着层的网格划分

图4 光伏板网格划分

本文中参考高度10 m处风速大小取20 m/s，入口处的湍流强度设置如下。

根据文献[13]提供的流场纵向湍流强度沿垂直地面高度变化公式

(3)

式(3)中，z为垂直地面高度，α为风速剖面指数。

湍流动能经验公式如下

k=1.5I2u2

(4)

将式(3)带入式(4)，得到在入口处，随垂直高度变化的湍流动能公式(5)

(5)

湍流耗散率的经验公式为

(6)

将式(5)带入式(6)，可得湍流耗散率随高度变化的公式(7)，式(7)中湍流积分尺度由实际尺度取为l=100(z/30)0.5，Cμ为常数，取Cμ=0.09 。

(7)

湍流频率公式如(8)所示

(8)

运用C语言程序对上述入口边界条件进行自定义，并将此程序导入FLUENT软件的UDF中进行编译。顶部、两个侧面、地面和光伏板面设置为无滑移壁面，出口设置为压力出口。选用基于速度压力耦合方程的SIMPLE算法，流场动量，湍流动能以及湍流耗散率在计算时设定为二阶迎风格式。在近壁面边界层中，采用SSTk-ω湍流模型求解雷诺平均方程，迭代直到残差级数小于10-3。为防止迭代过程数值发散和不稳定，求解过程采用欠松弛技术。

2.3 计算结果的数据处理

定义单元的体型系数为

(9)

式(9)中，μsi为第i个单元中心点的体型系数；Pwi和Pni分别为第i个单元中心点处的光伏板上表面风压和下表面风压；U为光伏板中心处的风速。

板面整体体型系数μs、绕短轴的弯矩系数CMx和绕长轴的弯矩系数CMy分别定义为

(10)

(11)

(12)

式(10)～(12)中，Ai为第i个单元的面积；yi和xi为第i个单元中心点的坐标值；m为光伏板面网格的总数；B为光伏板宽度；L为光伏板长度。

至此，近地面安装的光伏系统风荷载的分布情况可利用无量纲系数μs、CMx和CMy进行分析。

3 计算结果与分析

3.1 单块光伏板风荷载的计算验证

在工况1下，对近地面安装的单块光伏板进行计算流体力学仿真，得到0°和180°风向角下板面的风压系数，与文献[1]的风洞试验对比如图5所示。

图5 不同风向角下仿真与试验的结果对比

可见，0°和180°风向角时，光伏板上表面的数值模拟与风洞试验的结果基本相同，下表面两者的结果略有偏差，仿真结果的绝对值比试验结果略小，但变化趋势相同。故采用计算流体力学方法研究近地面安装的光伏阵列风荷载是可行的。

3.2 不同风向角对上游有遮挡物的近地面光伏板风荷载的影响

考虑到建筑结构荷载规范中规定风荷载的体型系数时常用到的各种风向角，图6给出了在围墙高度2.1 m，与光伏板前缘距离15 m的情况下，0°、45°、135°与180°风向角下的光伏阵列风压分布情况(工况2)。

图6 不同风向角下的体型系数

由图6可知，阵列中除板1和板5外，各光伏板体型系数的变化规律基本相同，风荷载的极值出现在45°和135°风向角，对于板1，风荷载的极值出现在0°和135°风向角；对于板5，风荷载的极值出现在45°及180°风向角。当风向角小于90°时，各光伏板均受压力，风向角大于90°时，各光伏板均受向上的升力。在分析阵列的风荷载时，要充分考虑各板面出现极值的风向角。

对弯矩系数来说(见图7)，随风向角的增加，绕短轴的弯矩系数Mx逐渐增大，在45°风向角时达到最大，之后随风向角的增加而减小，在180°风向角时，弯矩系数为零。因此，分析光伏板风荷载形成的对短轴的弯矩时，要密切注意45°风向角。绕长轴的弯矩系数My随风向角的变化规律比较复杂，对板1来说，随着风向角增大，绕长轴的弯矩系数绝对值逐渐减小，在135°风向角达到最小值；板5则与板1相反，绕长轴的弯矩系数绝对值随风向角的增大而增大，同样在135°达到最大值；板2至板3变化规律则相同，在135°风向角达到极值。一般说来，风荷载对短轴(x轴)的弯矩系数在数值上大于对长轴(y轴)的弯矩系数，这与光伏板的尺寸有关。

图7 不同风向角的下的弯矩系数

3.3 围墙高度对近地面光伏板风荷载的影响

光伏阵列的安装位置决定了其所受的风荷载。上游的不同遮挡高度会使得风流经下游的光伏板时，产生漩涡及分离等复杂的流动现象。图8给出了不同围墙高度下(工况3)，阵列中各光伏板的体型系数与弯矩系数。

可以看出，当围墙高度为1.8 m时，前排光伏板受负压，其余高度下均受正压，且围墙高度越高，光伏板所受风荷载越小，当围墙高度为2.1 m时，除第一排光伏板之外其他光伏板体型系数都达到最大值。对于后三排光伏板，由于距离围墙很远，受围墙高度的影响很小。

由图9可知，对于第1号和第4号光伏板，绕短轴的弯矩系数的绝对值总体来说随围墙高度的增加而减小，这是由于围墙的遮挡效应及空气的紊流流动共同引起的。当围墙高度为2.4 m时，各光伏板绕短轴的弯矩系数接近于0，说明此时围墙的遮挡效应最大，大大降低了光伏板上的风荷载。绕长轴的弯矩系数随围墙高度的变化以第2号和第5号光伏板表现得最为明显。对于这两个光伏板，当围墙高度为2.1 m时，光伏板体型系数最大，当围墙高度为1.5 m时，光伏板体型系数次之，而围墙高度为1.8 m和2.4时光伏板体型系数均接近于0。

图8 不同围墙高度下的体型系数

3.4 围墙与前排光伏板间距对近地面光伏板风荷载的影响

工况4给出了当围墙与前排光伏板间距不同时，光伏阵列各光伏板体型系数与弯矩系数分布情况，如图10、11所示。

显然，围墙与前排光伏板间距的变化仅仅影响第1排光伏板的体型系数，当间距较小时(5 m)，第1排光伏板的风荷载表现为升力，体型系数接近-1.0，当间距由10 m增加到25 m时，第1排光伏板的风荷载由升力变为压力且不断增大，体型系数接近1.7，间距的改变对于第1排光伏板的风荷载有非常显著的影响，设计时必须充分重视，对于2～5排光伏板，由于距离围墙很远，受围墙间距的影响很小。

图9 不同围墙高度下的弯矩系数(0°风向角)

图10 不同间距下的体型系数

围墙与前排光伏板间距的变化使第1排和第2排光伏板绕短轴，第1排和第4排光伏板绕长轴的弯矩系数变化较大。当间距由5 m增加到10 m时，第1排和第2排光伏板绕短轴的弯矩系数绝对值由0.03以上下降到不足0.01；当间距由15 m增加到20 m时，第1排和第4排光伏板绕长轴的弯矩系数绝对值由不足0.16上升到0.45以上，充分说明间距的影响不可忽视。