不同山坡地形下光伏阵列风荷载干扰效应研究

2024-01-06周启港周占学龙浩楠

自然灾害学报 2023年6期

钟旻,周启港,周占学,龙浩楠

(1. 河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000; 2. 江苏开放大学建筑工程学院,江苏南京 210000)

0 引言

太阳能作为绿色清洁能源在我国发电产业中的地位日益提升,太阳能光伏板作为采集太阳能的重要设施常因风荷载而发生破坏。目前对于光伏阵列的研究主要集中在平坦地面或者屋顶环境。

对于单个光伏板研究主要集中于光伏板的倾角、风向角以及光伏板周围流场。张庆祝等[1]通过风洞试验对原尺寸光伏板进行了不同风速下的风荷载测定,认为必须考虑其偏心距。贺广陵等[2]认为风荷载计算时风压分布形式可能采用梯形分布更合理。马文勇等[3]通过风洞试验给出了均匀分布模型、梯形分布模型和偏心距模型及其风荷载取值。CHOWDHURY等[4]采用数值模拟的方法得出了单个光伏板的最不利风向角。SHADEMAN等[5]通过数值模拟对光伏板的离地间隙进行研究,指出在一定范围内离地间隙的增加会导致平均风压的增大。马文勇等[6]通过对底部阻塞率的研究指出,底部阻塞会改变光伏板底部的局部气流流动从而影响光伏板的体型系数。李寿科等[7]通过改变光伏车棚屋面坡度,指出上半区屋面风压小于下半区屋面风压,并指出停车会减小车棚屋面的风吸力。殷梅子等[8]和邹云峰等[9]对跟踪式光伏板风荷载进行了讨论并与规范进行了对比,认为目前规范所取值偏于保守。

对于平面上的光伏阵列,其研究方向主要围绕光伏阵列的间距、遮挡效应等影响因素展开讨论。WORKAMAW等[10]从阵列间距的角度出发对一大型光伏阵列模型进行风洞试验研究,试验表明横向间距对光伏阵列风荷载影响较小,竖向间距的增加会显著增加光伏板阵列的倾覆力矩,但间距足够小时,会产生负倾覆力矩。许宁等[11]通过数值模拟,对0°与180°风向角下的光伏阵列风荷载展开研究,指出光伏阵列迎风侧第2排光伏板风荷载最小,并会在第3排之后逐渐增加并趋于稳定。楼文娟等[12]结合风洞试验与数值模拟对一超大光伏阵列进行研究,通过逐步增加阵列数量的方法将超大型光伏板阵列划分为多个区域并给出不同区域的体形系数取值建议。马文勇等[13]、江继波等[14]对风向角与光伏阵列倾角进行了更细致的讨论,认为风向角和倾角都会影响光伏阵列的遮挡效应从而改变光伏板的风荷载体型系数。另外,研究人员还对屋面上的光伏阵列进行了研究[15-17], 研究表明: 光伏阵列的风压分布受到阵列本身间距与倾角的影响,间距越小, 后排光伏阵列的风荷载体型系数越小。阵列所处的位置、遮挡物以及周围环境因素都会影响光伏阵列中不同区域的光伏板所受的风荷载。

由于光伏板结构的高度普遍在1.5 m左右,近地风场的变化很容易影响到光伏阵列所受到的风荷载,因此不同地形下光伏阵列所受风荷载情况存在差异。目前存在大量光伏阵列建设于山坡上,但对于不同山坡地形下的光伏阵列风荷载干扰效应的研究鲜有涉及,因此本文通过风洞测压试验对山坡地形下的光伏阵列所受风荷载展开研究,为山坡地形下的光伏阵列的设计提供参考建议。

1 试验概况

1.1 模型数据及测点布置

本次试验在湖南大学HD-3风洞实验室进行,该风洞实验室试验段截面高3 m,宽2.5 m,试验段长度10 m,转盘直径1.8 m,输入风速最高可达20 m/s,本试验的输入风速为10 m/s。

光伏阵列模型为刚性模型,板面材料为ABS,由于本次试验主要研究光伏板纵向方向的风荷载分布变化规律,因此单个光伏板板面模型设置为长200 mm,宽100 mm,缩尺比为1∶10。整个模型由板面、转动轴和立柱三部分组成。阵列由3排2列共6个光伏板组成,每个光伏板正反面布置成对测点,每一个板的每一面有8个测点,全板共16个测点,整个阵列共96个测点。山坡模型采用1200 mm×600 mm的胶合木木板,共10°、20°、30°这3个坡度可调节,试验模型、模型测点布置、倾角设定、整体模型如图1所示。

图1 试验模型及试验布置Fig. 1 Test model and test layout

1.2 试验工况与参数设置

研究主要讨论坡度、倾角2个影响因素对光伏阵列中不同位置的光伏板所受风荷载的影响,共设置16个工况。倾角设置为10°、20°、30°、40°共4个倾角,坡度设置为0°、10°、20°、30°共4个坡度。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[18]要求,光伏阵列中前排光伏板的影子不可遮挡后排光伏板,但实际工程中光伏板的倾角、高度、所处经纬度都会影响其影子长度,因此,为使阵列间的高度差最大化,本试验拟定日照间距系数为2.86,并根据4种坡度和模型高度,选取4个固定间距,具体工况设置如表1所示。根据规范[18]要求,光伏阵列应尽量节约占地面积。由于坡度改变会同时影响光伏阵列的最小间距与高度差,因此考虑到实际工程需求,试验对各个坡度下的最小间距的光伏阵列进行对比研究。

表1 工况设置Table 1 Working condition settings

本试验模型最大投影面积为0.36 m2,该风洞试验室允许最大投影面积为0.375 m2,符合GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[19]规定的小于5%的最大阻塞率的要求。本试验共用2个电子扫描阀共96个测点,扫描阀采样频率为312.5 Hz,每个测点采集32 s共10000个数据。

测点风压系数与测点风压平均系数按式(1)～式(2)计算:

(1)

(2)

式中:CPi为模型上测点i的风压系数;Pi为该测点的压力值;P0为参考静压;ρ为空气密度;V0为参考点的试验风速。本次试验,参考点高度取0.6 m,对应原型结构高度6 m,参考点风速为7.6 m/s。

迎风面风压平均系数、背风面风压平均系数、净风压平均系数分别按式(3)～式(5)计算:

(3)

(4)

(5)

1.3 风场模拟

依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[19],丘陵按B类风场考虑。由于过大的模型会影响风洞内流场,因此试验将山坡地形作为模型的一部分考虑,在山坡及光伏阵列前方,采用挡板、粗糙等元装置模拟了B类风场,风洞试验现场布置与风剖面及湍流度如图2所示。

图2 风场模拟Fig. 2 Wind field simulation

2 试验结果分析

2.1 倾角与坡度对光伏板风荷载的影响

为了消除山坡和倾角以外其他因素的影响,试验首先对单排光伏板进行研究,试验过程中光伏板始终放置于山坡最前端。

图3 光伏板风压平均系数Fig. 3 Average wind pressure coefficient of photovoltaic panels

不同坡度时,光伏板背风面风压系数等值线图如图4所示。为方便讨论,将板面以中轴为界分成上半区与下半区进行讨论。由图4可知,同坡度下,随着光伏板倾角增加,光伏板背风面风压系数整体呈下降趋势。当坡度为0°时,上半区风压停滞区的风压系数由10°倾角时的-0.38降低至40°倾角时的-0.43,下半区风压停滞区的风压系数由10°时的-0.25降低至40°倾角时的-0.93,下半区变化幅度大于上半区,最终导致上半区风压系数大于下半区风压系数,其他坡度下,也出现相同变化趋势。同倾角的光伏阵列,坡度越大,背风面风压系数逐渐增大,但上半区风压系数与下半区风压系数的大小关系并未发生变化。

图4 光伏板背风面风压系数等值线图Fig. 4 Contour diagram of wind pressure coefficient on the leeward side of photovoltaic panels

平地光伏板中,由于来流风在光伏板四周产生气流分离,使得光伏板周围的风速更大、背风面风速较小,最终因压力差在板背面产生旋涡,使得背风面在多数情况下表现为负压。与平地不同,由于山坡地形为斜面,来流风在接触山坡后会在山坡表面产生绕流。光伏板结构高度较小,其最高点离地高度普遍在2 m以下,这导致山坡上的绕流很容易对光伏板的背风面产生影响,使得背风面风压表现为正压。

背风面出现正压工况分别为10°坡度、10°倾角时的下半区,20°坡度时的10°倾角与20°倾角、30°坡度时所有倾角下的整个背风面。由此可见,山坡坡度越大,绕流对背风面的影响越大,当坡度到达一定角度时,绕流对光伏板背风面的影响范围会逐渐由下半区扩张至整个板面。低倾角工况时,背风面因山坡上绕流使得下半区表现为正压,但漩涡对背风面的影响并未消失,当倾角增大时,下半区风压的减少幅度大于上半区,最终导致30°坡度40°倾角的工况下,上半区为正压,下半区为负压。

试验表明,光伏板背风面会因山坡上绕流的影响而表现为正压。同坡度下,倾角越小,绕流对背风面的影响越大。同倾角下,坡度越大,绕流对背风面的影响越大。