平顶屋光伏阵列风载荷浅析

吴童 来永斌 王龙

摘 要

本文通过数值模拟的方法研究平顶屋光伏板周围的风场结构。结果表明，在屋顶前缘产生气流分离现象，并产生一定范围的负压区域，其中的光伏板表面压力梯度均为负压。在180°风角下，光伏阵列被屋顶涡流包裹，并在光伏板的阻挡作用下，屋顶涡流发生分离，此外，第一排光伏板下表面前缘也产生了一个涡。

关键词

平顶屋;光伏阵列;风载荷

中图分类号： TM615                       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.065

Abstract

In this paper，the wind field structure around flat roof photovoltaic panels is studied by numerical simulation.The results show that there is an air flow separation at the front edge of the roof，and a certain range of negative pressure area is generated，in which the pressure gradient on the surface of photovoltaic panels is negative pressure.At 180° wind angle，the photovoltaic array is wrapped by the roof vortex，and the roof vortex is separated under the blocking effect of the photovoltaic panel.In addition， the leading edge of the lower surface of the first row of photovoltaic panels also generates a vortex.

Key Words

Flat roofs;Photovoltaic arrays;Wind load

0 前言

光伏电站的建立，对地形、气候等因素要求较高。在解决光伏电站适应性问题的过程中，低矮建筑屋顶建设光伏电站也是一个可行方案。由于屋顶的风場结构复杂，研究屋顶光伏板结构载荷中的风载荷具有重要意义。

Ayodeji Abiola-Ogedengbe[1]等，研究发现，在偏风角下，光伏板表面压力是不对称的，并且板间间隙对光伏组件的表面压力有明显的影响。Alexander Bronkhorst[2]等人对屋顶光伏阵列进行风洞试验和计算流体力学进行比较，结果表明，总体压力分布具有较好的预测效果。Jingxue Wang[3]等人研究建筑物参数对屋顶光伏板风载荷的影响，结果表明，建筑物参数的变化对屋顶光伏板的风载荷有很大影响。随着CFD数值模拟技术的发展，其对建筑物表面及周围的流场预测越发接近现实，在工程应用范围内可获得具有合理精度的解[4]，这为建筑物风载荷研究分析提供了可靠的手段。

本研究采用CFD数值模拟分析平顶屋屋顶光伏板在风向角下周围的流场、表面压力的变化，以研究屋顶光伏阵列与地面光伏阵列的差异性，从而为屋顶光伏板的研究提供参考。

1 模型设计

本研究采用的模型尺寸为风洞实验[5]中的1：50缩尺模型（阵列），其尺寸分布如图1所示，光伏板倾角25°，本研究仅对背向风进行研究;建筑三维尺寸L=5m、B=5m、H=4m;光伏板长宽a=0.14m，b=0.04m。

2 数值模拟结果

180o风向角下，屋顶光伏阵列表面压力分布如图2所示。可以看出在该风角下，光伏板上下表面大面积处于负压状态，这一点与地面光伏板[6]所受风载荷情况明显不同，这与预期一致。通过图3的流线运动可以看出，整个阵列被屋顶涡流包裹，并在光伏板的阻碍作用下使得涡流发生分离，根据压力分布可以看出，屋顶涡流主要是受到正、逆压力梯度的影响。此外，第一排光伏板下表面前缘由于回流以及屋顶前缘分离气流的影响也产生了一个涡。

3 结论

本研究通过数值模拟对平顶屋屋顶光伏板周围的流场以及表面压力进行研究分析，分析结果如下：

1）当阵列浸没在负压区时，受到负压区的影响较大，使得光伏板表面大面积处于负压状态，而地面光伏板并不会出现这种情况。

2）在180o风向角下，本研究光伏阵列全部浸没在负压区，并且由于气流的分离与附着作用以及正、逆压力梯度作用，屋顶产生了涡流并发生分离，此外，第一排光伏板下表面前缘也出现了涡流。

参考文献

[1]Ayodeji Abiola-Ogedengbe，Horia Hangan，Kamran Siddiqui，Experimental investig ation of wind effects on a standalone photovoltaic（PV）module[J].Renewable Energy，2015，78：657-665.

[2]Alexander Bronkhorst，J？rg Franke，et al.Wind tunnel and CFD modelling of wind pressures on solar energy systems on flat roofs，The Fifth International Symposium on Computational Wind Engineering （CWE2010） Chapel Hill，North Carolina，USA May 23-27，2010.

[2]Matthew T.L.Brownen，Michael P.M.Gibbons，et al.Wind loading on tilted roof-top solar arrays：The parapet effect[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2013，123：202-213.

[3]Jingxue Wang，Qingshan Yang，Yukio Tamura，Effects of building parameters on wind loads on flat-roof-mounted solar arrays[J].Journal of Wind Engineering & Ind ustrial Aerodynamics ，2018，174：210-224

[4]杨伟，金新阳，顾明，等.风工程数值模拟中平衡大气边界层的研究与应用[J].土木工程学报，2007，40（2）：1-5.

[5]Jinxin Cao，Akihito Yoshida，Proshit Kumar Saha，Yukio Tamura，Wind loading characteristics of solar arrays mounted on flat roofs[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，123（2013）214-22.

[6]CHOWDHURY MOHAMMAD JUBAYER，HORIA HANGAN，A numerical approach to the investigation of wind loading on an array of ground mounted solar photovoltaic （PV） panels[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2016，153：60-70.