风向角变化对外墙光伏阵列风载荷影响研究

2021-08-31张文龙来永斌王龙赖家祥

电子测试 2021年17期

张文龙，来永斌，王龙，赖家祥

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南，236001）

0 引言

目前，光伏发电系统的安装并不只局限于屋顶，随着新能源应用的普及[1]，在很多的建筑物的外墙上同样安装，与屋顶光伏系统的安装有所不同，建筑物外墙光伏系统的安装应用较其他安装位置应用较少，但是建筑物的南墙安装面积较大，外墙光伏发电的潜力巨大，本章通过对外墙光伏阵列风载荷影响因素进行研究，为外墙光伏系统的安装提供一定的技术指导，随着国家对新能源技术的大力推广[2]，更多的光伏电站安装方式被发掘，目前在新开发的小区外墙上光伏系统随处可见。

1 模型建立及网格划分

图1和图2为光伏建筑尺寸以及外墙光伏安装位置示意图，本节光伏建筑楼层设置为8层楼，仍采用全尺寸模型进行探究。为简化有限元模型，在模型设置时简化外墙光伏安装支架。其中建筑宽度b=16m，建筑的长度c=16m，光伏建筑的高度为h=32m，光伏板的长度设置为14m，各板之间间距保持不变为4m。

图1 外墙光伏系统安装示意图

图2 外墙光伏建筑尺寸

光伏系统所受到的不同风向会使光伏板所受风载荷发生变化，为更加全面的对外墙光伏阵列所受风载荷做进一步的研究，不同风向的研究必不可少，风向角的改变将直接影响气流在光伏阵列中的流动[3]。在对风向的研究时，光伏板的其他参数保持相同，仅对光伏建筑所受风向进行改变。本节风向角设置为从0°～ 180°，每隔15°为一个间隔，通过对不同风向角下升力及体型系数做对比，确定外墙光伏在所受到的最危险风角。图3为网格划分图，模型划分采用六面体和四面体结构化网格进行划分，其中中心部分为四面体网格，网格数量近400万。

图3 网格划分图

2 不同风向角对阵列各板升力及体型系数的影响

图4为不同风向角下外墙光伏阵列各板所受升力分布情况，板8～板1是按照8楼～ 1楼的先后顺序命名。由图4可知：在风向角小于60°，阵列各板升力受风向影响的程度较大，整体来看阵列各板所受升力均随着风向角的增大而逐渐减小，其原因在于风角的增大使阵列各板对气流的阻挡作用减弱，气流在风角较大时，各板对气流的阻挡面积减少，所受升力随之减弱。但各板的升力方向确有所不同，体现在：处于光伏建筑高层的8楼和7楼，其安装的光伏板所受升力均为正值，表明光伏板所受载荷为垂直地面向上，随着风角的增大两板所受升力均处于下降的趋势，其中板8升力衰减速度较快，由最大值1500N减少至接近0N；此外处于中低层的板6～板1所受升力均小于0，表明这些板所受载荷均为垂直地面向下，升力处于上升的趋势。在风向角为75°左右时：板1所受升力接近于0，表明板1此时上下表面气流速度接近，使得光伏板所受载荷较弱[4]。其余板升力均为负值且都接近于负200N。风向角在由75°改变至90°时，各板所受升力方向由垂直地面向下改变至向上。在风向角大于90°时，随着风向角的增大，板8和板7升力逐渐减弱，其余板升力逐渐增大。整体而言，光伏建筑高层的板8在风向角较小时升力与其余板相比较大。随着风角的增大各板升力的大小均发生改变，在0°风角下，即气流垂直光伏板流过时光伏阵列各板所受升力均最大，由升力的变化可以看出0°风角是最危险风向。

图4 不同风向角下外墙阵列各板升力变化图

3 不同风向角对光伏阵列流场分布的影响

图5～图6为不同截面下光伏建筑周边流场分布图，不同方向的气流导致阵列中各板所受升力及净载荷发生变化[5]。可以看出在0°风向角下气流在光伏建筑周围形成对称的流场分布，气流由出口流入，经由光伏建筑后，速度发生强烈的衰减，较多气流在建筑物周围发生绕流，气流在经过屋顶及建筑两侧时会有气体分离现象产生，屋顶区域和建筑物两侧及屋后由于气流绕流形成局部的涡旋状态。来流经过汇合继续往出口方向继续流动[6]。0°风向角时来流正对光伏阵列，阵列各板对气流的阻挡面积最大，阵列各板的受力与其他风向角相比较大，由图5和图6可以看出随着风向角的增大，各板对气流的阻挡面积随之减弱[7]，