張慶祝,劉志璋,齊曉慧,賈立莊

(內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院,呼和浩特010051)

荒漠地區(qū)和沙漠地區(qū)的太陽能資源相對比較豐富非常適合建設太陽能光伏電站,但是荒漠的風沙也比較大,當風速很大時無基礎的光伏板支架有可能傾覆,因此光伏電池板的力學計算非常重要。本文將結合一個光伏電池板介紹它的風載性能測定方法,并對測定結果進行分析。

1 風載性能的測定

1.1 測試設備

測定對象為京瓷KC130GH-2p太陽能電池板,尺寸為:1 425 mm×625 mm×36 mm。光伏板支架固定在地面的地角螺栓上,支架中間有兩個法蘭連接,以便光伏板旋轉,可以測得各個方向的風載,如圖1。光伏板上安裝了4個北京航宇華科測控技術有限公司HK-812型拉壓力傳感器,傳感器的精度±0.1%F.S;線性范圍為±0.03%F.S;工作溫度為-20～+60℃。

圖1 試驗臺架示意圖

本實驗所用的風洞是吹氣式B1/K2開路低速臥式風洞,風洞水平布置。風洞結構全長24.6 m,洞體部分長20.8 m,中心線高1.7 m。風扇下游依次為穩(wěn)定段、收縮段、閉口段和擴壓段,擴壓段出口形成穩(wěn)定射流,構成開口實驗段,實驗在開口實驗段進行。閉口實驗段直徑1 m,風速60 m/s;開口實驗段直徑2 m,風速15 m/s;閉口實驗段湍流度ζ≤5%;驅動電機功率55 kW。風洞的風速由變頻控制,與頻率相對應;例如變頻機為10 Hz時,風速為3.28 m/s,14 Hz時風速為4.51 m/s。啟動時由較小的頻率開始,即啟動風速較小,頻率的調節(jié)從小到大逐步緩慢的進行,這是因為如果風洞的風速變化太大,不易穩(wěn)定。變頻器調到新的頻率后過幾分鐘再測量風速,因為頻率改變后電機轉速變化較大,轉速需要經過一段時間才能穩(wěn)定。

1.2 測試方法

光伏板的安裝傾角根據內蒙古呼和浩特市的經緯度取41°。為了測定光伏板的受力大小及光伏板上的受力情況,選擇在光伏板的四個角處各安裝一個拉壓力傳感器,9s00410與9s00409是位于垂直方向上的低端,9s00408與9s00407是位于垂直方向上的高端。拉壓傳感器受力時拉力為正,壓力為負,由于光伏板等本身重力的影響,所以安裝后無風測得數據均為負值,需進行歸零處理。首先連接傳感器與數據采集卡,啟動測試軟件,在無風時測出自重下拉壓力傳感器的數值,然后再程序中減去自重時的數值,再啟動風洞,變頻器的頻率從10 Hz時開始,每次增加4 Hz,一直測到40 Hz。測試完一個方向后調轉圖1中的法蘭,旋轉180°后重新對拉壓力的自重數值進行調零處理,再從10 Hz時的風速開始測量一直測到40 Hz,記錄下測試的數值。

2 測定結果及其驗證

2.1 測定結果

四個傳感器在測定風速范圍內的測得的結果見圖2。從圖中可以看到,同一水平方向上的兩個傳感器測得數值比較接近,但垂直方向兩個傳感器測得數值有差異:正向時低端的410和409所受的力比高端的407和408大;背向時低端的低端的410和409所受的力比高端的407和408小,而且高端和低端的差值隨著風速的增加也會增加。試驗時無論是正向還是背向,拉壓力傳感器數值大的一端都是靠近風洞的一端;以正向為例,傳感器409和410是低端離風洞較近,會先接觸到來流,來流受到遮擋會沿著光伏板斜面平行于光伏板繼續(xù)流動,而傳感器407和408就會稍晚接觸到來流,后續(xù)的來流就不會直接作用在光伏板上而先作用平行于光伏板的來流,這種來流就抵消一部分作用在407和408上的作用力。

2.2 數據的擬合公式

圖2 四個傳感器分別測得的風載圖

由于風載等于四個傳感器之和,而設計支架強度所需的風載是用最大風速時的風載,但是風洞試驗能夠測定的最大風速僅為13 m/s,這樣只能利用試驗數據作一些估算,根據在風洞所測試出的變頻從10 Hz到40 Hz的風速和風載,采用最小二乘法對曲線進行擬合,利用擬合公式估算60 m/s風速時的風載。

41°正向時的擬合式為:

41°背向時的擬合式為:

式中:x為風速,m/s;y為光伏板所受的風力,N。

2.3 測定結果的驗證

由《陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與施工》上的經驗風載公式:

式中:CW為風力系數 ,正壓時取0.65+0.009θ,負壓時取0.71+0.016θ;θ為光伏板的傾角;ρ為空氣密度,kg/m3;Vmax為最大風速,m/s;S為光伏板面積,m2;I為用途系數0.85～1.15;α為高度補正系數;J為環(huán)境系數,與地形有關。式中:h為陣列的地面以上的高度;h0為基準地面以上高度10 m;n為表示因高度遞增變化的程度,一般取5。

由于背向的風載大于正向的風載,所以重點研究背向時的風載。根據本文的測定條件,正向時的風力系數C W取1.019,背向時取1.366;空氣密度ρ取1.225 kg/m3;光伏板面積S為0.89 m2;由于風洞出口風速就是來流風速,所以高度補正系數α取1;用途系數I取1;環(huán)境系數J取1.15。將數據代入式(3)后可以得到背向時的風載公式:

式(4)與式(2)的結果比較見圖3。

圖3 背向擬合值和風載工程公式的對比

從圖中可以看出擬合值與經驗值基本一致。

3 測定結果的應用

根據圖2可以發(fā)現上部和底部的作用力不相同,這將造成作用在光伏板上的作用點偏離幾何中心,正向時向下偏移,背向時而向上偏移。由于背向所受的風載就比正向時大,再加上作用點中心又向上偏移,風載對光伏板的作用力矩增加,見圖4。

圖4 風載作用中心偏移計算圖

風載中心離光伏板下端的距離:

式中:L為風載作用中心離下端的距離,m;F7.8為傳感器407和408所測受力,N;L2為傳感器407和408作用中心離下端的距離,m;F 9.10為傳感器409和410所測受力,N;L1為傳感器409和410作用中心離下端的距離,m;F為傳感器 409,410,408和407所測受力之和,N。

風載作用中心距離底邊的垂直高度為:

式中:L⊥為風載作用中心在垂直方向上的距離,m;a為光伏板與來流的夾角,(°)。

根據圖2所列數據和式(5),結果見圖5的結果。

圖5 41°背向時作用中心偏移與幾何中心對比

從圖5中可以看到,在垂直高度上幾何中心比風載的作用中心低140 mm左右,在計算傾翻力矩時將會帶來很大的影響,而且?guī)缀沃行呐c風載的作用點隨風速的變大而變動較小,可以認為基本保持不變,這時,當風速達到60 m/s時,可以準確推出上下四個點的風載作用力,這樣可以使支架的強度設計更準確。

4 結論

(1)正向風載小于背向風載。

(2)背向風載的作用點位于中心偏上,更容易吹翻光伏板。

(3)用最小二乘法擬合試驗數值推出風載,可以用于指導支架強度的設計。

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