基于风洞试验光伏组件体型系数及遮挡效应研究

秦良忠

（浙江禾迈清洁能源有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

随着光伏电站规模的不断扩大，光伏板被风吹毁时有发生，特别是对安装在屋顶上的分布式光伏电站，其安全性尤为重要。风荷载是反映结构性能和安全的重要指标，合理的风荷载取值对光伏电站的安全和降低工程造价具有重要的意义。GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[1]或NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》[2]给出的体型系数取值主要针对地面的光伏组件，并未考虑屋顶女儿墙对分布式光伏组件遮挡效应的影响，使风荷载取值过于保守。

国内学者对光伏组件风荷载体型系数进行了一定的研究。宫博等[3-4]通过风洞试验对单片光伏板的风压系数及体型系数进行研究，并采用频域方法计算光伏板的风振位移响应；李伟等[5]利用fluent计算平台，模拟了各种风向角工况下光伏阵列的风荷载分布规律。高亮等[6]通过组件倾角、高度、间距等因素对光伏板风荷载体型系数进行研究，推导出风荷载计算公式。楼文娟[7]通过风洞试验和数值模拟对超大型光伏阵列风荷载进行研究，对各区域的体型系数取值提出建议。

现有文献及规范对光伏组件风荷载特性研究主要聚焦在地面上安装的光伏发电系统，对安装在屋顶上的光伏阵列风荷载体型系数取值仍不明确。该文以三行十八列的光伏阵列为研究对象，通过有无女儿墙和最不利风向角多种工况，对光伏阵列风荷载体型系数和遮挡效应进行分析。通过研究太阳能光伏组件单元体型系数随位置的变化规律，为光伏支架和基础设计提供参考。

1 风洞试验介绍

1.1 试验模型及工况

在浙江大学ZD-1风洞实验室开展光伏组件风洞试验，该风洞是一座单回流闭口立式钢结构和混凝土结构相结合的混合结构单试验段边界层风洞。试验风场类别为A类风场，试验风为8 m/s。每块光伏组件正反两面对应布置5×4的风压测点，双面共计40个测点。风洞试验模型如图1所示。风洞试验采集仪的采样频率为312.5 Hz，每个测点采样样本总长为31250个数据（约为100 s），采样时间间隔约为3.2 ms。通过试验，对每个测点在每个风向角下都记录了31250个数据的风压时程信号。

方阵为十八列三行，原型单排方阵长10.1m，宽1.978m，组件倾角23°，组件最低离地高度0.5m。光伏方阵横向间距0.7m，纵向间距1.5m。光伏方阵模型由工业塑料制作而成，几何缩尺比为1/20。

在建筑物屋顶上建设光伏项目，建筑物周围女儿墙会对光伏阵列产生遮挡效应。试验分为两种工况，一种是方阵周围不设女儿墙，如图1（a）所示。另一种是在光伏方阵周围设置女儿墙，女儿墙原型高度为1.5 m，距光伏组件水平距离为3 m，如图1（b）所示。以23°倾角的光伏阵列为研究对象，选用最不利风向角0°和180°，分析女儿墙及上游组件对光伏阵列风荷载体型系数及遮挡效应的影响。

图1 风洞试验模型图

1.2 体型系数和折减系数定义

压力系数Cpi定义如公式（1）所示。

式中：Cpi为测点i处的风压系数；Pi和Ps分别为测点i处上表面和下表面的风压；ρ为空气密度；U为参考点的风速。

体型系数如公式（2）和公式（3）所示。

式中：μsi、Zi分别为测点i处的体型系数和高度，μs为光伏板整体体型系数；Ai为测点i所属面积。

光伏阵列前后遮挡效应通过体型系数的折减来定义，折减系数值越小表示上游组件对下游组件的遮挡越大。以中间列第一排组件为基准，计算第n排组件体型系数的折减系数，如公式（4）所示。

式中：Kn第n排组件折减系数；μ1为第一排组件体型系数；μn为第n排组件体型系数。

2 试验数据处理与分析

2.1 无女儿墙的光伏阵列风荷载

选用最不利风向角0°、180°进行光伏阵列风荷载体型系数及遮挡效应影响研究。表1为不同位置体型系数和折减系数统计表。图2为光伏阵列不同位置体型系数变化曲线。从表1和图2中可知，光伏组件体型系数在0°风向角下为正值，表现为压力；在180°风向角下为负值，表现为吸力。在0°和180°风向角，阵列的第一排光伏板的体型系数最大，分别为0.98和-1.257。由于上游光伏板的遮挡效应，第二排的光伏组件体型系数大幅下降，后排体型系数波动趋于稳定。

图2 不同位置光伏板体型系数变化曲线图

图3为光伏阵列不同位置折减系数变化曲线。由图3和表1可知，对0°和180°风向角来说，两者的折减系数值差较大，0°风向角上游组件对下游组件的遮挡效应大于180°风向角。0°和180°风向角第一排组件对二排组件产生了较大的遮挡效应，折减系数下降明显，下降比例分别达77.2%和58.2%。第二排之后组件的折减系数波动范围不大，趋于稳定。0°风向角第二排之后的组件折减系数范围在0.202至0.323，平均值为0.233，最大值出现在最后排。180°风向角第二排之后的组件折减系数为0.373～0.532，平均值为0.455，最大值同样出现在最后排。

图3 不同位置光伏板折减系数变化曲线图

表1 不同位置体型系数和折减系数统计表

2.2 有女儿墙的光伏阵列风荷载

为研究女儿墙对光伏阵列的遮挡效应，在光伏阵列四周围加设女儿墙。图4为有无女儿墙光伏板体型系数变化曲线图。从图4可以看出，与无女儿墙相比，有女儿墙的光伏板各位置的体型系数变化曲线较为平缓，波动范围较小。表2为有无女儿墙光伏板体型系数对比，从表2可知，0°风向角，有女儿墙的光伏阵列体型系数范围为0.156～0.321，平均值为0.234；180°风向角，有女儿墙的光伏阵列体型系数范围为-0.216～-0.613，平均值为-0.426；0°风向角时，有女儿墙的光伏阵列体型系数的最大值和平均值均小于无女儿墙的光伏阵列。尤其是第一排的光伏板，0.98降至0.321，下降幅度为67.2%；180°风向角时，其体型系数由原来的-1.257降至-0.216，下降幅度达82.82%。综上可知，女儿墙对内部光伏阵列产生明显的遮挡效应，尤其是对第一排光伏板影响较大，第二排及后排的光伏组件影响趋于平缓。

表2 有无女儿墙光伏板体型系数对比

图4 有无女儿墙光伏板体型系数变化曲线图

2.3 试验数据与现有规范对比

光伏阵列周围无女儿墙，第一排的体型系数较大，第二排之后的体型系数基本呈现较为稳定的状态。光伏阵列周围有女儿墙时，女儿墙内部阵列体型系数差异不大。为了合理、安全地对光伏电站进行设计，分别对各种工况下的光伏板的体型系数进行统一归类。

表3为23°倾角光伏板体型系数试验结果与国内光伏相关规范的对比，无女儿墙的光伏阵列，0°方位角第一排光伏板体型系数为0.98，与《光伏发电站设计规范》相比约小24.6%，与《光伏支架结构设计规程》的0.9较为接近。180°方位角第一排光伏板体型系数为-1.26，与《光伏发电站设计规范》的-1.3较为接近，而与《光伏支架结构设计规程》差距较大。上游光伏对下游光伏板的遮挡效应，《光伏发电站设计规范》并未涉及。《光伏支架结构设计规程》考虑了这个遮挡效应，对第四排后的组件体型系数进行折减，但折减后的体型系数大于试验值。

表3 光伏板体型系数试验值与规范值对比

上述两个规范对有女儿墙内的光伏阵列体型系数取值没有统一的标准。通过对有女儿墙的光伏阵列进行风洞试验，试验结果显示，女儿墙对光伏阵列的有明显的遮挡效应，0°和180°方位角时，内部光伏板体型系数最大值分别为0.32和0.61。该试验结果可为屋顶上的分布式光伏电站项目抗风设计提供参考。

3 结论

通过风洞试验，分析了倾角为23°光伏阵列在最不利风向角、有无女儿墙等工况下风荷载特性，总结了各因素对光伏板体型系数和遮挡效应的影响。试验数据分析得到如下3个结论：1）对无女儿墙的光伏阵列，上游光伏板对下游光伏板产生显著的遮挡效应。第一排的风荷载体型系数最大，第二排光伏板体型系数大幅下降，后排体型系数波动趋于稳定。2）无女儿墙的光伏阵列，在0°方位角时，第一排光伏板体型系数为0.98，与《光伏发电站设计规范》相比约小24.6%，与《光伏支架结构设计规程》的0.9较为接近。180°方位角时，第一排光伏板体型系数为-1.26，与《光伏发电站设计规范》较为接近，而与《光伏支架结构设计规程》差距较大。3）女儿墙对内部光伏阵列产生了遮挡效应，尤其是对第一排光伏板的影响较大，第二排及后排的光伏组件影响趋于平缓。0°和180°方位角时，内部光伏板体型系数最大值分别为0.32和0.61。该试验结果可为屋顶上的分布式光伏电站项目抗风设计提供参考。