极区集成式光伏供电装置结构设计与分析

刘 政，王兵振，何改云，张原飞，程绪宇

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300072；3.中国极地研究中心，上海 200136）

南极作为地球的两大冷源之一，对全球的气候变化有着至关重要的影响［1］。为了深入了解南极的气候特性，须开展长周期的野外观测活动。野外观测无法依托科学考察站进行，因此电能供给问题制约了长周期野外观测活动的开展。极区风光资源丰富，利用可再生能源是解决长周期野外观测活动电能供给问题的有效途径。

国内外开展了大量针对极区可再生能源发电系统的研究。如：比利时在南极建立了全球首座温室气体零排放的“伊丽莎白公主”考察站，包括52 kW太阳能发电机组和54 kW风力发电机组［2］；巴西科考人员研究了混合能源发电系统，利用该系统可以减少科考站全年37%的燃油消耗［3］；日本“昭和”考察站科考人员建立了利用氢载体进行能源季节性需求转移和长期储能的独立微电网［4］；法国-意大利南极基地通过风光互补发电与柴油发电的配合，在保证全年度供电的同时减少了污染物的排放［5］；自2011年起，我国相关单位相继开展了对南极天文科考支撑平台的光柴发电系统［6］、科考站可再生能源供电系统［7-8］以及极区光伏发电系统工作特性［9］等的研究，在极区可再生能源供电系统的设计和关键设备的研制方面积累了一定经验。

极区拥有丰富的光伏资源，能够有效解决极区夏季野外数月独立观测活动的电能供给问题。对于覆盖极昼/夜的全年独立观测活动的供电需求，采用集成化的风光互补小型发电装置是较好的技术方案。目前，极区现有的光伏发电装置主要用于科考站的供电，规模较大，集成化程度不高，运输和布放工作量较大，并不适用于极区野外长周期观测活动的供电。为此，笔者设计了一种基于小型标准集装箱的光伏组件集成装置。该装置具有基于直流母线的电力汇流系统，在3～5 kW风力发电装置的配合下，可以满足全年独立观测活动的供电需求。论文重点介绍光伏组件集成装置的结构，分析光伏组件的辐照特性和最优安装倾角，并基于CFD（computational fluid dynamics，流体动力学）方法分析光伏发电装置风流场特性和风作用面的载荷，最后分析光伏支架的力学性能，以期为极区独立供电装置的研究提供参考方案。

1 光伏组件集成装置

光伏组件集成装置以6 m长的集装箱为依托。集装箱采用保温设计，用来放置电控系统、储能单元。光伏阵列共有10块光伏组件，每块光伏组件的功率为400 W，其通过光伏支架固定在集装箱上。

光伏组件集成装置的总体结构如图1所示。光伏支架采用C形管和矩形管，壁厚为2.5 mm，材料为304不锈钢。光伏组件通过螺栓固定在光伏支架上，2排光伏组件的支架通过铰链连接，便于光伏组件的展开布放与折叠收起。当光伏组件展开时，通过安装底梁和支撑梁来提高支架系统的稳定性和支承刚度。光伏组件展开延伸的一侧通过地脚法兰固定于地面。

图1 光伏组件集成装置的总体结构Fig.1 Overall structure of PV module integration device

2 极区环境特性分析

以极区的中山站为例分析极区的环境特性。中山站是我国第2个南极科考站，地处南极圈内，位于东南极大陆的拉斯曼丘陵沿岸，其地理坐标为南纬69°22'24.76"、东经76°22'14.28"，海拔高度约为15 m。中山站存在极昼与极夜现象，一年中极昼有55 d，极夜有58 d，极昼期为11月底至第2年的1月中旬。中山站一年的光照时间可达 2 117 h［10］。

根据我国第34次南极科考数据，中山站2018年太阳日辐射量如图2所示。由图可知：1月、11月、12月这3个月的月辐射量较大，分别为238.2，208.8，257.0 kWh/m2，达到了资源丰富带的标准［11］；在5月份中山站的太阳辐射量较小，利用价值不大；5月底至7月下旬中山站进入极夜期，没有太阳辐射。

图2 南极中山站2018年太阳日辐射量Fig.2 Daily solar radiation at Zhongshan Station in Antarctic in 2018

南极地区环境条件恶劣，伴有常年的超低温和大风。中山站的年平均温度为-9.5℃，最低温度可达-46.5℃。中山站所在的普利兹湾受到下降风影响，冬季平均风速为10.8 m/s，最大风速可达50.2 m/s，8级以上的大风天气全年达174 d；地面风向较稳定，常年为东南偏东［12］。

3 光伏组件集成结构的载荷面分析

光伏组件集成结构的承受力主要来源于光伏组件风载荷。光伏组件风载荷的主要影响因素是风速、风向和光伏组件的安装倾角。对于光伏组件而言，其斜面上太阳辐射量是决定安装倾角的关键因素。本节结合光伏组件集成结构的特性，构建光伏组件斜面上太阳辐射量的计算模型，确定光伏组件的最优安装倾角，为光伏组件集成结构的载荷计算奠定基础。

3.1 光伏组件斜面上太阳辐射量计算模型

采用Klein等提出的方法计算光伏组件斜面上太阳辐射量［13］。假设天空散射辐射量均匀分布，光伏组件斜面上太阳辐射总量HT由太阳直接辐射量HBT、天空散射辐射量HDT和地面反射辐射量HRT三部分组成，即：

式中：Hb为光伏组件水平面上太阳直接辐射量；Rb为倾斜面与水平面上太阳直接辐射分量的比值；Hd为水平面上天空散射辐射量；γ为光伏组件安装倾角；η为太阳辐射量的地面反射率，一般取η=0.2；H为水平面上太阳辐射总量。

由文献［14］和文献［15］可知：

式中：φ为光伏组件所在地的纬度；δ为太阳赤纬角；ωS为水平面上日落时角；ωST为倾斜面上日落时角。

其中：

式中：n为一年中从元旦算起的天数。

在南极地区极昼期间，无法根据式（3）计算水平面上日落时角，则采用逐小时考察倾斜面上太阳光线入射角的方法，计算被考察小时内倾斜面与水平面上太阳直接辐射分量的比值R′b：

式中：τi为被考察的第i小时内某时刻的太阳时角，i=1，2，…，24；S为被考察时刻的小时数，M为被考察时刻的分钟数，S和M均为真太阳时计算所需的时差订正。

累加每小时的辐射量，计算可得极昼期间光伏组件斜面上月太阳辐射量HD：

式中：HTk为该月内第k小时的太阳辐射量，k=1，2，…，N，N为该月总小时数。

3.2 光伏组件最优安装倾角

基于光伏组件斜面上太阳辐射量的计算模型与集成化结构的特征，构建集成式光伏组件太阳辐射量计算模型。光伏阵列布放安装后，上排光伏组件（PV1）安装倾角为α，下排光伏组件（PV2）安装倾角为β，如图3所示。

图3 光伏组件安装倾角示意Fig.3 Schematic of inclination angle of PV modules

在集成化结构的约束下，光伏组件安装倾角与光伏组件宽度b、固定点高度h之间存在如下关系：b·sinα+b·sinβ=h。

2排光伏组件月太阳辐射量的计算模型为：

式中：j为月份数。

通过分析中山站的光伏资源可知，1月、11月、12月的光伏资源充裕，2月、10月的光伏资源较好，3月、9月的光伏资源一般。以光伏组件斜面上月太阳辐射量最大为目标，计算得到光伏组件在1—3月、9—12月的最优安装倾角与斜面上最大太阳辐射量，如表1所示。由表可知，在1—2月、10—12月，光伏组件最优倾角为α=β=33°，在3月和9月，光伏组件最优安装倾角为α=39°，β=29°。为了保证光伏资源较差月份的发电功率，光伏组件的最优倾角确定为在3月、9月光伏组件得到最大太阳辐射量时的角度，即：α=39°，β=29°。

4 光伏组件风载荷仿真与支架受力分析

4.1 光伏组件风载荷计算模型

分析光伏板风载荷常采用风洞试验、数值模拟和现场实测等方法。其中数值模拟方法的参数设置灵活，耗时较少，在地面光伏板和屋顶光伏板的风载荷计算中得到广泛应用［16-18］。本文采用数值模拟方法分析光伏组件风载荷。

根据确定的光伏组件最优安装倾角建立光伏组件流体计算模型。为了简化计算，忽略同一排光伏组件之间的间距以及光伏支架的影响。计算模型中光伏组件的尺寸为5 m×2 m×0.025 m，α=39°，β=29°，集装箱的尺寸为6.058 m×2.438 m×2.591 m，外流场域的大小为50 m×25 m×10 m。为提高计算精度，采用混合网格划分。光伏组件和集装箱表面设置10层壁面边界层，第1层网格高度为1 mm，增长率为1.2。光伏组件风载荷计算模型及其网格划分如图4所示。

图4 光伏组件风载荷计算模型及其网格划分Fig.4 Wind load calculation model and its grid division of PV modules

在低温条件下，须考虑空气密度和黏度的变化。根据测得的中山站的最低温度和最大风速，流体域参数设置：温度为-50℃，空气密度为1.584 kg/m3，动力黏度为1.446 Pa·s，入口速度为50.2 m/s。

4.2 不同风向角时光伏组件的风载荷

利用所建立的计算模型对光伏组件的风载荷进行仿真计算。当风向角为0°时光伏发电装置风流场的局部流线图如图5所示。由图可知：自然风经过光伏组件后，在PV1与PV2之间的空隙内形成了一个小的漩涡；此外，一部分风通过PV2与地面的缝隙进入光伏组件与集装箱之间，并与通过PV1与集装箱的间隙流入的气流相互影响，形成了2个大的漩涡。可见，由于集装箱箱体的遮挡作用，光伏组件的流场非常复杂，与地面光伏阵列的流场［19］有很大不同，且不同风向角会导致流场变化剧烈，光伏组件风载荷变化较大。

图5 风向角为0°时光伏发电装置风流场的局部流线图Fig.5 Local streamline diagram of wind flow field of PV power generation device with wind direction angle of 0°

当风向角为0°～180°时，以20°为间隔，利用CFD方法分析光伏组件风载荷的变化情况，计算光伏组件上下表面压力。根据计算结果，根据风压系数Cp［20］来分析光伏组件风载荷的变化特性。

无量纲的风压系数Cp为：

式中：p为光伏组件壁面压力；ph为参考高度h处的压力；ρ为空气密度；vˉh为参考高度h处的平均风速。

定义光伏组件表面受到正压时风压系数为正，受到负压时风压系数为负。光伏组件的净风压系数CpN为：

式中：CpT为光伏组件上壁面的风压系数；CpB为光伏组件下壁面的风压系数。

将式（10）代入式（11），则光伏组件的净风压系数可表示为：

式中：FN为光伏组件受到的净压力，为光伏组件上壁面受到的压力pT与下壁面受到的压力pB之差。

在不同风向角时光伏组件的CpN值如图6所示。由图可知：当风向角为0°～90°时，随着风向角增大，光伏组件有效受风面积逐渐减小，PV1、PV2的CpN值均总体上呈逐渐减小的趋势，且PV2的CpN值较大；当风向角达为90°时，PV1、PV2的CpN值均接近于0°；当风向角为140°～170°时，PV1、PV2的CpN值均为负值，即光伏组件受到了向上抬升的作用力；此外，当风向角为90°～180°时，由于集装箱的遮挡作用，2排光伏组件的CpN绝对值均较小。

图6 不同风向角时光伏组件的CpN值Fig.6 CpNvalue of PV modules at different wind direction angles

当风向角为20°时，2排光伏组件的净风压系数之和达到最大值，为0.865；当风向角为120°时，PV1的净风压系数为正，PV2的净风压系数为负，且为上、下排光伏组件分别受到正风压、负风压时两净风压系数的最大差值；当风向角为140°时，2排光伏组件的CpN值相同且为负。因此，对光伏支架的受力分析中应重点考虑风向角为20°、120°、140°这3种工况。

4.3 光伏支架的受力及变形

通过有限元方法分析光伏支架在3种典型工况下的受力及变形。光伏支架与光伏组件的材料参数如下：光伏支架的密度为7 930 kg/m3，杨氏模量为190 GPa，泊松比为0.265，屈服强度为310 MPa；光伏组件玻璃的密度为2 500 kg/m3，杨氏模量为72 GPa，泊松比为0.2。

在不同风向角时光伏支架所受最大应力及最大变形如表2所示。由表可知；当风向角为20°时，光伏支架所受最大应力最大，为103.93 MPa，低于304不锈钢的屈服强度，安全系数可达2.98；风向角为120°和140°时的最大应力相差较小；当风向角为140°时，2排光伏组件的净风压系数绝对值之和为0.365，比风向角为20°时的0.865减小了57.8%，但最大应力仅减小15.1%；当2排光伏组件所受风压方向相反时，会造成光伏支架局部应力过大；光伏支架的最大变形量不超过4.33 mm，且净风压系数之和越大，最大变形量越大，风载荷大小是影响光伏支架变形量大小的主要因素。

表2 不同风向角时光伏支架所受最大应力及最大变形Table 2 Maximum stress and deformation of PV bracket at different wind direction angles

当风向角为20°时光伏支架的应力分布云图如图7所示。由图可知：光伏支架整体应力较小，在固定点处（A）和铰接处（B）出现了应力集中，且底梁和支撑梁出现了局部应力增大的现象。

图7 风向角为20°时光伏支架的应力分布云图Fig.7 Cloud diagram of stress distribution of PV bracket with wind direction angle of 20°

当风向角为120°时光伏支架的变形云图如图8所示。由图可知：光伏支架中间部分的变形较大；来风方向对支架系统的整体变形有较大影响，来风一侧的光伏支架、底梁、支撑梁的变形较大，最大变形位于来风侧2排光伏支架的铰接处，为3.7 mm，另一侧的变形量相对较小，变形量均在1 mm以下。

图8 风向角为120°时光伏支架的变形云图Fig.8 Cloud diagram of deformation of PV bracket with wind direction angle of 120°

5 结 论

针对南极野外长周期独立观测活动的电能供给问题，提出了一种基于集装箱便于机动转场的光伏供电装置。仿真分析了集成式光伏组件在不同风向角时的风载荷特性，并分析了光伏支架在3种典型工况下的力学性能。研究结果表明：

1）集装箱单侧集成了2排光伏组件，通过铰链连接的方式实现光伏组件的展开与折叠，并通过地脚法兰固定于地面，提高了施工效率及便捷性。光伏组件集成装置适用于极区施工环境较差和施工能力有限的场景。

2）由于集装箱的遮挡作用，光伏发电装置的风流场较为复杂，来风方向对风载荷的影响很大。正面来风时，支架以受压为主，风向角为20°时风载荷最大；侧后方来风时，支架受力状态由受压逐渐过渡到拉压混合，风载荷绝对值较小。对于高度集成化的光伏结构，在设计分析时应考察全方位来风条件下的风载荷情况。

3）在极端风速下光伏支架的最大应力位于地面固定点处，达到103.93 MPa，结构安全系数为2.98，强度满足要求；2排光伏支架铰接处的变形较大，最大值为4.33 mm，且支架变形分布受风向角的影响较大。对于可折叠光伏结构，应重点关注地面固定点及2排光伏支架铰接处的力学性能。