含沙量对地面光伏阵列的气动载荷研究

2024-01-08李超群来永斌

科技创新与应用 2024年1期

李超群，来永斌，王龙

（安徽理工大学机电工程学院，安徽淮南 232001）

光伏发电是目前太阳能利用最成熟，装机范围最广的绿色能源技术，大部分集中式光伏电站都安装在太阳能资源丰富的西北地区，然而这些地区风沙活动频繁，光伏阵列的承载结构与板面不仅需要抵抗风力作用，还要考虑板面沙粒堆积和大气中沙粒运动产生的冲击力导致板面磨损破坏，影响光伏阵列的正常运行。风沙流在流经光伏阵列时，会降低空气的携沙能力，导致沙粒堆积在阵列周围，进而严重影响光伏组件的性能。光伏阵列的防风沙能力是国内外学者持续关注的热点问题，而对风沙环境中光伏阵列支架的承载能力研究却比较少。

近年来，国内外学者针对纯风条件下光伏板所受风载荷以及风沙环境中建筑物的承载能力进行大量研究，并取得了一定的进展。Warsido 等[1]利用风洞实验研究阵列间距对地面光伏系统风载荷的影响，结果表明，由于前排光伏板的遮挡效应，阵列的压力系数逐排减小，第二排呈现显著减小趋势，而纵向间距对压力系数的影响较小。马成成[2]通过刚性模型测压风洞试验，研究了风向角、倾角、安装位置和风场类型等参数对太阳能光伏板风荷载特性的影响，结果表明光伏板的体型系数随风向角的增大呈现先增大后减小的趋势。程建军等[3]对兰新铁路百里风区风沙流进行现场观测，提出了风沙流密度概念，认为建筑物在风沙流作用下的压力由携沙风风压和沙颗粒对建筑物的冲击压两部分组成。王建朝[4]运用欧拉双流体模型模拟了风沙环境中大气边界层高层建筑的风沙流场，并分别对净风场和的3 种沙粒体积分数风沙流场下的建筑表面压力进行数值分析，得出风压系数与风压随沙粒相体积分数的增大而增大，迎风面风压的增长速率高于背风面。Jia 等[5]采用欧拉-欧拉双流体模型，通过数值模拟的方法得出风沙载荷与沙径、含沙量有关，风沙载荷对建筑的影响远远大于纯风，在风沙环境中，由于存在沙粒，桥迎风侧的风沙荷载最大值增加了一倍。以上研究成果主要为光伏板在纯风工况下所承受载荷的模拟研究和建筑物的风沙载荷模拟研究，为光伏板和建筑物的承载结构设计与安装提供了积极的工程指导意义。然而，相关学者对风沙环境中光伏板载荷的研究相对较少，目前的载荷研究不足以提高风沙环境中光伏阵列的使用寿命。

综上所述，随着人们对灾害性环境的重视，风沙两相流条件下光伏阵列的冲击载荷研究显得尤为必要。风沙两相流是一种比较复杂的流体运动，需要考虑沙粒与沙粒、空气与沙粒之间的作用力。本文通过欧拉双流体模型模拟风沙两相流流经光伏阵列时周围流场和光伏板上表面沙粒体积分数与压力分布情况，分析不同入口处沙粒体积分数对光伏阵列载荷变化的规律，为风沙环境中光伏阵列的倾覆规律和防风沙工程设计提供理论依据。

1 几何模型的建立

1.1 研究对象

本文以张掖地区中4×4 方阵排列的光伏阵列为研究对象，根据研究环境确定相应的阵列与风沙流参数。本研究所使用的光伏阵列部分简化物理模型如图1 所示，其中，每块光伏板的尺寸均为2 174 mm×1 303 mm×35 mm。在纯风环境下最佳倾角的基础上，为了确保光伏电池板既能防止沙粒堆积影响吸收太阳辐射能的效率，又能更好地接收入射角为30°的太阳能，光伏板的安装倾角取25°。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》相关规定[6]，阵列前后间距取5 m 能够保证光伏板在日照时间内不受前后左右遮挡效应的影响。为了确保数值模拟结果不受流场域壁面的影响，计算域阻塞率不超过3%的要求，将计算域长度设置为185m，宽度为105 m，高度为30 m，迎风入口处离第一排光伏板的间距为42.5 m。在近地面光伏发电站，光伏板下端离地面的距离一般大于0.2 m，所以设置光伏阵列下端与地面之间的间隙为0.5 m。风沙流中沙粒运动主要受重力与升力及拖曳力的影响，两相流间的相关参数采用石龙等的《风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究》中的参数设置。本文分别选择沙粒体积分数分别为0.000 1，0.000 3，0.000 5 的3 种工况来进行数值模拟。

图1 光伏阵列部分简化物理模型

1.2 边界条件的设置与网格划分

将整个计算区域划分成1 个包含光伏阵列的核心区域和17 个非核心区域，采用六面体与四面体相混合的混合网格方法进行划分网格，如图2 所示。核心区域采用四面体网格进行划分，非核心区域用六面体网格划分，并且网格增长率选取1.1，这样既能发挥了四面体网格对复杂边界强适应性的优势，又能在非核心区域提高计算效率。

图2 有限元分析模型图

研究采用基本风压来获取参考高度处的入口风速，本文研究给定条件为当地最大风速，在恶劣极端的条件下进行研究。如式（1）所示

式中：U0为基本风速（m/s），ω0为基本风压（kN/m2）。GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地10 m 高处统计所得的30 年一遇，10 min 平均最大风速U0（m/s）为标准[7]。通过查阅，张掖地区50 年重现期，10 m 高度处、10 min平均的基本风压为ω0=0.50 kPa。即U0=28.3 m/s，本文设定沙粒速度同风速。气流流速小于50 m/s，可以忽略流体的可压缩性，但要考虑重力g=9.81 m/s2的影响。设置模型左侧为速度入口边界，右侧采用自由流动出口，地面与光伏阵列表面采用无滑移壁面条件，计算域的侧面及顶面设定为对称的边界，等同于自由滑移壁面。速度入口采用对数率形式风廓曲线公式进行拟合，如图3 所示，流体由空气和沙粒组成，其中空气密度为1.225 kg/m3，黏度为1.781 954×10-5Pa·s，沙粒密度为2 600 kg/m3，黏度为0.047 Pa·s。本文模拟采用欧拉双流体模型，并选取可实现k-ε 湍流模型，对流项和压力项采用二阶格式，体积分数项采用QUICK 格式，选取适当的松弛因子，其余值采用默认值，保证数值模拟结果精度高且易收敛。

图3 边界条件的设定

2 不同浓度对阵列各板上表面压力的影响

图4 给出了地面光伏阵列在不同含沙率的携沙风工况下的光伏板上表面压力变化云图。风沙流从左侧冲击光伏阵列且风向角为0°，将流场域中光伏按风沙流向从左到右依次命名为板1、板2、板3 和板4。光伏阵列各列的板1 首先受到风沙流的冲击，则每种工况下的各列板1 所承受的风沙压力最大。从图4 可知，光伏板上表面的压力最大值均出现在光伏板的尾端，而且随着光伏板y方向高度的增加，光伏板上表面的风沙压力呈现明显降低的趋势。随着入口处沙粒体积分数的增大，光伏板上表面同一区域的风沙压力不断增大。当入口处沙粒体积分数为0.000 1、0.000 3、0.000 5时，光伏板上表面风沙压力最大值分别为344.2 Pa，458.7Pa，574.4 Pa，且最大值均出现在板1 上表面的尾端。

图4 光伏板上表面的风沙压力变化

光伏板上表面的风沙压力变化分布情况不随入口处沙粒体积分数的改变发生显著变化，并且风沙压力变化分布沿各板中线对称分布。从各列板1 来看，光伏板上表面风沙压力从下到上逐渐均匀等值减小；从各列板2 来看，光伏板上表面压力呈现双T 型分布; 从各列板3、板4 来看，光伏板上表面压力呈现T 型分布。而且随着入口处沙粒体积分数的增大，板2、板3、板4 的T 型分布现象越来越明显。沿风沙流速方向来看，板3、板4的风沙压力变化分布基本一致，但是板4 的两端低压区域比板3 有所扩张，风沙流呈现往光伏板中间区域挤压趋势且板4 挤压剧烈，所以板4 上表面的压力最大值比板3 要大，而且随着入口处沙粒体积分数的增大，板4上表面压力增长的速率比板3 还大。

综上所述，风沙流首先冲击光伏阵列各列的板1，板1 更容易受到风沙的冲击破坏，压力最大，随着入口处沙粒体积分数的增大，光伏板上表面同一区域的风沙压力不断增大。在设计风沙环境下地面光伏阵列时，应该合理设计迎风面第一块光伏板的压载结构，可以考虑在板1 前设立防风挡沙结构，防止风沙压力过大导致光伏板受到冲蚀破坏，甚至发生倾覆现象。

3 不同浓度对阵列各板倾覆力矩系数的影响

图5 为不同入口处沙粒体积分数下光伏阵列第四列阵列各板的倾覆力矩分布图，倾覆力矩越小则结构越安全。从图4 来看，板1 与板4 的倾覆力矩在不同沙粒体积分数工况下都比板2、板3 要大，其中，板1 因为直接受到风沙流的严重冲击，所以倾覆力矩较大。风沙流流到后排时，会使最后两排光伏板受到沙粒堆积的影响，所以板3、板4 的倾覆力矩会较大。板3 的倾覆力矩总体略小于板4，但相差不大，两者差值随着沙粒体积分数的增大而增大。由图4 可知，板4 的两端低压区域范围大于板3 是影响倾覆力矩的主要原因，随着入口处沙粒体积分数的增大，板4 上表面压力增长的速率比板3 还大，则两者倾覆力矩之差也在增大。板2 是因为受到前排光伏板的遮挡作用，板1 对风沙流的遮挡效果最好，风沙流对板2 的冲击较少，所以倾覆力矩较小。从图5 看，板2 的倾覆力矩随入口处沙粒体积分数的增大呈现先减小后增大的趋势，但受板1 遮挡作用，板2 的倾覆力矩变化较小。板1、板3、板4 的倾覆力矩随入口处沙粒体积分数的增大而增大，而且受遮挡效应影响，板1 的倾覆力矩增大速率快于板3、板4。