特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 朱銳 劉剛

0 引言

風荷載是大型光伏電站中作用力最大的系統(tǒng)荷載。依據安裝地點的不同，大型光伏電站可分為大型荒漠電站和BIPV光伏電站兩類。無論是哪種光伏電站，其結構設計主要考慮風荷載的影響，并采取必要的防風措施，避免風荷載對光伏電站支架系統(tǒng)的破壞，保證光伏電站的正常運行。本文將幾種可行的防風設計方案進行理論分析，研究每種設計方案的特點，并提出適用條件。

1 擋風墻

擋風墻是首先想到的防風設計方案。我國適合建設大型荒漠光伏電站的地區(qū)主要在西北地區(qū)，一般的主風向為北風和西北風。組件受力主要是垂直于組件平面的正壓荷載[1]，北風對支架系統(tǒng)的破壞力最大。為了分析擋風墻的作用，本文以大型流體仿真計算軟件Fluent6.3為計算平臺，分別建立無擋風墻、擋風墻高1 m、擋風墻高2 m的八陣列組件模型，進行CFD仿真計算[2]。

結構模型為：組件傾角設為36°[3]，離地高度為0.6 m，組件尺寸為1.58 m×0.8 m×0.05 m，組件豎向兩排排布；以4塊組件(田字組成)為單元陣列建立模型，組件陣列間距為7.5 m；模型均以實際尺寸建立；計算模型阻塞比小于3%，滿足CFD仿真計算要求；以組件受北風37 m/s進行模擬計算[4]；擋風墻距離第一陣列2 m。

圖1 計算模型示意圖

由于計算模型為鈍體低速繞流，計算模型選擇Fluent6.3中k-eRNG模型。為了使仿真計算收斂，以及得到準確的計算結果，組件近壁面網格加密、尾流區(qū)網格加密。結果如圖2所示。

圖2 擋風墻效果對比

由仿真計算可知：在無擋風墻時，第一陣列正壓風荷載最大，后續(xù)陣列風荷載顯現(xiàn)一定程度波動性；擋風墻高1 m時，第一陣列風荷載降至無擋風墻條件下的80%；擋風墻高2 m時，大幅降低了陣列的風荷載。

由此可見，擋風墻可提高光伏電站的抗風能力。擋風墻離第一陣列距離近，擋風效果顯著。因此，在以主風向為北風或西北風的大型荒漠光伏電站設計中，可在站區(qū)東、西、北3面外圍就近設計1～2 m高的擋風墻，使電站支架系統(tǒng)所受風荷載降低為沒有擋風墻條件下的80%，可有效阻擋風荷載對電站的破壞力。

此外，間隔一定距離，應設計擋風墻的側向支撐，防止擋風墻在極大風荷載情況下垮塌。青海某光伏電站，由于防風墻設計欠合理，在風口處出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。在光伏電站擋風墻的設計中，應在風口處對擋風墻進行加固、加側向支撐或留有導流口，設計將更為合理。

2 擋風板

擋風板是在支架系統(tǒng)的后立柱上加裝帶有大量導流孔的薄板，導流孔一般為圓孔。當氣流通過擋風板時，氣流將由擋風板的開孔通過，擋風板后面出現(xiàn)氣流的分離和附著兩種現(xiàn)象，來流風速降低，風的動能損失較大；同時避免擋風板前風的渦流，減少風的湍流度。在大風情況下，組件所受正壓風荷載大幅降低，風力導致支架系統(tǒng)橫梁彎曲應力大幅降低，基礎所受拉拔力降低。因此，在支架系統(tǒng)后立柱安裝擋風板，可提高支架系統(tǒng)的結構安全性，保證組件不會受到很大風壓。

由防風墻陣列風荷載仿真計算可得，第一陣列正壓風荷載最大。因此，在大型光伏電站的結構設計中，第一陣列的后立柱加裝擋風板，可有效降低組件所受到的風荷載，提高整個光伏電站的抗風強度。需要注意的是，支架系統(tǒng)后立柱安裝擋風板，在大風條件下，后立柱的徑向剪切力增大、基礎所受水平剪切力增大，需重新校核后立柱的抗彎強度和基礎的水平剪切強度。

大型荒漠電站和屋頂式BIPV光伏電站均可使用擋風板提高電站抗風能力，屋頂式BIPV光伏電站使用更為廣泛。

圖3 擋風板示意圖

3 防風抑塵網

防風抑塵網是利用空氣動力學原理，將開有大量圓孔的防風板，根據現(xiàn)場條件，在整個光伏電站外圍組合成網狀墻。強風從外通過防風網時，形成上、下干擾的氣流，達到外側強風、內側弱風，或外側小風、內側無風的效果。通過防風網的風會形成湍流和旋渦氣流，但此時的風速、風壓衰減幅度很大。風速越大，防風網的防風效果越好。同時，由于防風網上有無數(shù)圓孔，能起到阻擋沙塵顆粒、減少對組件表面磨損的作用，所以，防風網一般也稱為防風抑塵網。防風抑塵網在大型荒漠光伏電站中使用廣泛。

圖4 防風抑塵網

4 結論

綜上所述，擋風墻、擋風板、防風抑塵網的特點和適用范圍總結如下：

1)擋風墻：一般可在荒漠電站的主風向上設計擋風墻。在強風作用時，組件整個支架受力、基礎拉拔力大幅減少，有一定的抑制沙塵作用。主要用于主風向為西北風的大型荒漠光伏電站。

2)擋風板：固定安裝在支架系統(tǒng)后立柱上，擋風板上開有若干導流口，具有導流和降低組件風壓的作用。支架系統(tǒng)的橫梁受力降低，基礎所受拉拔力降低，光伏電站結構安全系數(shù)提高。但后立柱受力增大，基礎所受軸向剪切力增大，需對基礎受力進行校核。主要用于荒漠電站和屋頂式BIPV光伏電站。

3)防風抑塵網：在荒漠光伏電站外圍，將大量開有小圓孔的防風板組裝成一面透風的網狀墻。一個個小孔對通過的風有導流、衰減風壓的作用。較強陣風作用時，通過防風網的風速降低，風的動能大幅降低。防風抑塵網具有較好的降低風速、抑制沙塵、保護組件的作用，一般用于環(huán)境條件較為惡劣的大型荒漠光伏電站。

本文深入分析了3種光伏電站防風設計方案的特點和適用范圍，在光伏電站結構設計中，可根據實際情況，從抗風效果和成本的角度綜合考慮，選擇適合的光伏電站防風設計方案。

[1](日)太陽光發(fā)電協(xié)會. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與施工[M]. 北京: 科學出版社, 2006, 13-72.

[2] 韓占忠. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京:北京理工大學出版社, 2008, 14-150.

[3] 韓斐, 潘玉良, 蘇忠賢. 固定式太陽能光伏板最佳傾角設計方法研究[J]. 工程設計學報, 2009, (5) :350-352.

[4] 王建勃, 朱銳, 何懼. 光伏電站陣列風荷載衰減特性數(shù)值模擬[J]. 太陽能, 2013, (15):20-22.