草原地区的太阳能光伏板风荷载风洞试验研究

龙浩楠

摘 要：通过风洞试验对草原地区太阳能光伏板的风压分布规律进行研究，并对比了平坦地区的太阳能光伏板的风压分布情况，通过改变来流风向角研究光伏板表面平均风压系数、体型系数的干扰效应，然后与规范对比和引入干扰因子来探讨与分析光伏板在两种环境下的影响程度。结果表明，由于草原植被的影响，来流会在板面中下部形成停滞区域，其中局部风压系数高达1.4，有必要引入局部风压系数避免板面局部失稳;草原地区的光伏板相较于平坦地区整体风压系数呈缩小趋势，尤其是当风向角达到180°时达到极小值。

关键词：草原地貌;风荷载;风洞试验;光伏板

中图分类号：TU312.1     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0079-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.018

Wind Tunnel Test Study of Wind Load on Solar Photovoltaic Panels in Grassland Area

LONG Haonan

（Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000，China）

Abstract： The wind pressure distribution law of solar photovoltaic panels in grassland area is studied by wind tunnel test， and the wind pressure distribution of solar photovoltaic panels in flat area is compared， and the interference effect of changing the incoming wind angle on the average wind pressure coefficient and body coefficient on the surface of photovoltaic panels. Then compare with norms and introduce disturbance factors to explore and analyze the degree of influence of PV panels in both environments. The results show that due to the influence of grassland vegetation， the incoming flow will form a stagnant area in the middle and lower part of the panel surface， where the local wind pressure coefficient is as high as 1.4， and it is necessary to introduce local wind pressure coefficients to avoid local instability of the panel surface; the overall wind pressure coefficient of PV panels in grassland areas tends to decrease compared with that in flat areas， especially when the wind angle reaches 180° to reach a very small value.

Keywords：grassland landscape; wind load; wind tunnel test; photovoltaic panels

0 引言

太阳能光伏板的风荷载研究以往都是在平坦地面或屋顶环境下，对于光照条件俱佳的草原地貌下的研究则少之又少。相对于安装在平坦地区或屋顶上的光伏板，安装在草原地貌上的光伏板由于草原植被的影响，导致近地面一定范围内的风场比较复杂。马文勇等[1]探讨不同底部阻塞率对太阳能板表面风荷载的影响，分析了阻塞对风荷载的影响机理，结果表明，底部阻塞带来的影响与光伏板的倾角有很大的关系;张爱社等[2]利用数值分析的方法分析了屋面光伏板的风荷载特性，发现影响光伏板风荷载的因素主要有安装位置和倾角，以及阵列之间的距离和风向角等;龚敏等[3]利用风洞在有无女儿墙、不同风向角以及不同倾角下测试了单个屋面光伏组件，随着光伏板倾角的增大，作用在光伏面板上的风荷载大致呈上升趋势，同时还发现女儿墙可有效减少光伏组件的风荷载。笔者将通过风洞试验对草原地貌下的太阳能光伏板的风压分布规律进行研究，并与在平坦地区环境的光伏板进行比较，从而获取光伏板在平坦地区与草原地貌环境下的平均风压系数、体型系数的变化规律。

1 试验概况

1.1 测试设备与测点布置

本试验采用的直流低速边界层风洞全长60 m，试验段长度为20 m，宽度为3 m，高度为2.5 m，试验段最大风速为30 m/s，最小可控风速为1.5 m/s，风洞试验参考风速为8 m/s，采样频率为330 Hz。光伏板模型为有机玻璃制成的刚性模型，高0.775 m（倾角为0°时），0.5 m×0.5 m的矩形面板，缩尺比为1∶20，整个模型由板面、支撐体系、转轴以及立柱组成。模型板面由8×8块矩形面板组成，每块板都有正反两面各一个测点，方便同时测量该测点处正反板面处的压力。同时板面可无极调节以满足各种测试工况下俯仰角的需求。

1.2 试验工况

风洞试验在均匀流场中进行，B类风场的模拟包括平坦地面与草原地貌2个工况（其中草高度h=0.4H，距离模型距离x=8h，孔隙率为40%，见图1），每种工况下的仰角均为30°、风向角为0°～180°（每30°进行一次定位），具体试验工况见表1。本次试验选取0.5 m高度处作为参考点。

1.3 数据处理

由《结构抗风分析原理及应用》第三章可知，体型系数一般由风洞试验确定。首先，在风洞试验中测得建筑物表面上任一点沿顺风向的净风压力[CnetPi]，再将此压力[CnetPi]除以建筑物远前方上游自由流风的平均动压[0.5ρV2ref]，得到一个无量纲系数[CPi（t）]，称为该测点的风压力系数，具体如式（1）至式（3）。

[CPi（t）=Pi-Psat0.5ρV2ref]      （1）

[CnetPi=CfPi-CbPi=Pfi-pbi0.5ρV2ref]    （2）

[CPimean=1N1NCPi（t）]     （3）

式中：[CPi mean]为测点平均风压系数;[CPi（t）]为模型上测点[i]的风压系数;[Pi]为该测点的压力值;[Psat]为参考点的静压;[ρ]是空气密度;[Vref]是参考点的试验风速，本次试验参考点风速取8 m/s;[CnetPi]为测点的净风压系数;[CfPi] 为板的正面平均风压系数;[CbPi]为板的背面平均风压系数;[Pfi]、[pbi]分别为板的正面和背面测点压力值;[N]为采样点数目。

通过式（3）的变换，将试验测出的平均风压系数换算成局部体型系数，可以得到结构表面的第i点的平均局部体型系数[μsi]，用式（4）表示。μs为风荷载体型系数，用式（5）表示。

[μsi=CPimeanZ0Zi2α]     （4）

[μs=iμsiAiA]       （5）

式中：α为地面的粗糙度指数，取B类地面粗糙度指数为0.15;Zi为测点的高度，0.5 m;Ai为i点对应的投影面积;A为相应面的投影面积。

干扰因子的定义如式（6）[4]。

[光伏板整体平均风压系数干扰因子IF=]

[草原地区各测点的平均风压系数平坦地区各测点的平均风压系数]  （6）

根据参考文献[4]对干扰因子大小的定义，按照干扰因子的大小将干扰因子分为以下两种类型：

①当IF≤0.6时，“显著缩小”;

②当0.6≤IF≤0.8时，“中度缩小”。

2 试验结果分析

2.1 平坦地区光伏板表面风压分析

为了全面具体地分析光伏板表面风压分布情况，采用平均风压系数等值线图进行分析。

由图2可以看出，平坦地区光伏板平均风压系数分布规律随着风向角的变化大致分为0°～90°和90°～180°两种情况。

如图2（a），在0°风向角下，光伏板表面的风荷载主要为压力，靠近光伏板底端风压力达到最大，随着距离不断增加，风压力梯度不断加强。主要原因是当来流风吹过光伏板时，首先与其下部接触，大部分气流向上流动，少部分气流则向下流动，绕过了光伏板。于是，停滞区域中心出现在光伏板下端且达到最大值2.0，而在上部达到最小值1.0。

当来流不再正面吹向光伏板而是呈一定的角度时（30°～90°风向情况下），光伏板表面处停滞区域随着风向角的移动而不断向左移动。在30°风向角时，停滞区域中心转移至板面左下处，而风向角到达60°和90°时，停滞区域最终停留至板面最左端。同時光伏板处于60°风向角时，其平均风压系数最大值与最小值均有所减小。当风向角达到90°时，板面整体风压由压力逐渐转变为吸力，特别是附着在光伏板左侧的气团首次从压力变为吸力，其平均风压系数由+1.85突然转变为-0.75。这是由于来流风垂直于板面侧边，导致气流分离再附着形成了很大的负压区，从而造成风压系数断崖式变化。

当风向角达到90°～180°时，由于来流风不再吹向光伏板，故光伏板板面整体从风压力突然转变成风吸力，绕到光伏板背面，所以板面整体突然转变成吸力。120°～180°风向角时，板表面停滞区域继续随着风向角移动（如图2所示），最终到达光伏板最上端，平均风压系数最大绝对值为1.8，最小绝对值为0.1。

总体来看，风向角为0°～60°时，板面为正压;风向角为120°～180°时，板面为负压。平坦地区处的光伏板在0°～180°风向角下表面会形成一停滞区域，该区域首先从板面下端产生，最终停留至板面上端。该停滞区域最大风压系数为2.1左右，同时气流以该停滞区域为中心向四周扩散，且这种停滞气流的作用越来越弱。

2.2 草原地区光伏板表面风压分析

与平坦地区光伏板表面风压分析情况相同，笔者同样采用平均风压系数等值线图进行分析。

由2.1可知，在平坦地区0°风向角下的光伏板会在板面的中下部出现停滞区域。这是由于来流风与光伏板下部相遇时，大部分气流向上攀升穿过结构，少部分气流则向下绕过光伏板，故停滞区域中心会出现在板面中下部。由图3可知，草原地貌0°风向角下的光伏板停滞区域位置则出现在板面的中上部。由于草原植被的出现阻挡了一部分来流风，少量来流风从空隙中流过，而大部分则选择从植被上端流过。所以光伏板下部的平均风压系数减小了，来流风与板面的接触点也上移了，停滞区域中心的风压同样也减弱了。

草原地区下的太阳能光伏板平均风压系数分布规律随着风向角的变化同样也大致分为0°～90°和90°～180°两种情况。0°～60°风向角下的光伏板表面形成了一停滞区域且同样随着风向角的变化停滞区域向板面左侧移动，并最终停留在板面左上角。平均风压系数最大值为1.4，最小值为0.65。当风向角达到90°时，与平坦地区情况一致，板面整体风压由压力逐渐转变为吸力，但左侧停滞区域逐渐由一个大停滞区域分裂成两个小停滞区域。同时板面上形成了一个个小停滞区域，风压分布不再有层次，而是变得十分紊乱。虽然板面气压比较紊乱，但彼此数值都比较接近于0，出现在左上角处的吸力最大值为0.06。

风向角到达90°～180°时，与平坦地区光伏板情况基本一致。首先都是板面整体从风压力转变为风吸力，其次板表面停滞区域同样随着风向角移动最终到达光伏板最上端。但与前者不同的是，其平均风压系数最大绝对值为1，较前者减小了80%。

总体来看，在风向角为0°～60°时，板面均为正压，风向角为120°～180°时，板面均为负压。草原地区的光伏板在风向角为0°时，停滞区域相对平坦地区相同风向角时位置上移了。主要是由于草原植被的存在，少部分气流向下绕过光伏板，而大部分气流则选择通过植被向上攀升穿过结构，故停滞区域会上移。同时，该停滞区域会因为风向角的改变产生与平坦地区光伏板板面上相同的移动轨迹。停滞区域的最大风压系数为1.4左右，气流以该停滞区域为中心向四周扩散，且这种停滞气流的作用越来越小。

3 干扰效应对光伏板整体平均风压系数的影响

干扰效应对光伏板整体分压系数的影响其实是对板面竖向方向合力的影响，为了系统地分析草原地区与平坦地区两种不同环境对光伏板整体风压系数干扰效应的变化规律，图4给出了0°～180°风向角光伏板在两种环境下的整体平均风压系数干扰因子变化趋势。

由图4统计结果可以看出，草原地区光伏板的整体风压系数较平坦地区光伏板的整体风压系数缩小。光伏板板面平均风压系数干扰因子随风向角的变化而变化，整体呈下降趋势。在风向角为0°、30°时，其干扰因子为0.64，属于“中度缩小”;而60°风向角以后干扰因子绝对值均小于0.6，最终在180°风向角时达到最小值0.4，属于“显著缩小”。总体看来，由于草原植被等的影响，光伏板在草原地区的风压系数较平坦地区的风压系数均出现了不同程度的减小，尤其是风向角为180°时达到了极小值。

4 结论

①平坦地区的太阳能光伏板在风向角为0°～90°时，板面所受风压为正压，90°～180°时板面所受风压为负压，其中当风向角为90°时，板面所受风压处于正负风压变换的临界情况。同时，板面会形成一股始于板面中下部的气旋，随着风向角的变化，该气旋会沿着板面四边移动，最终停留在板面最上端。板面上的风压分布由该气旋开始向外呈“涟漪”状辐射（或降低或升高）。

②草原地区的太阳能光伏板在风向角为0°～180°时，板面风压变化规律与平坦地区的光伏板类似。但是由于草原植被的影响，来流大部分向上攀升穿过草地，最终在板面中下部形成停滞区域，同样会随着风向角的改变而相应移动。最大风压系数绝对值1.4发生在风向角为0°～60°时，设计时应考虑这些局部风压较高的地方，若有必要可引入局部风压系数，以避免板面局部失稳。

③草原地区光伏板的整体风压系数较平坦地区光伏板的整体风压系数缩小。光伏板板面平均风压系数干扰因子随风向角的变化而变化，整体呈下降趋势。受草原植被等因素的影響，光伏板在草原地区的风压系数较平坦地区的风压系数有不同程度的减小，尤其是风向角为180°时达到了极小值。

参考文献：

[1] 马文勇，柴晓兵，刘庆宽，等.底部阻塞对太阳能光伏板风荷载的影响研究[J].建筑结构，2019，49（2）：129-134.

[2] 张爱社，高翠兰，申成军，等.屋面光伏板风荷载特性数值分析[J].计算力学学报，2016，33（5）：683-688，737.

[3] 龚敏，欧添雁.单个屋面光伏组件风载体型系数风洞试验研究[J].安徽建筑，2015，22（6）：183-184，196.

[4] 谢壮宁，顾明.任意排列双柱体的风致干扰效应[J].土木工程学报，2005，38（10）：32-38.