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        基于數(shù)值風(fēng)洞的光伏支架陣列風(fēng)載荷分布

        2018-01-04 11:30:42喬學(xué)谷帥羅曉群
        計(jì)算機(jī)輔助工程 2018年5期

        喬學(xué) 谷帥 羅曉群

        摘要:用計(jì)算流體力學(xué)方法分析光伏支架陣列風(fēng)場,研究各傾角和風(fēng)向角情況下支架陣列中風(fēng)載荷的分布,提出支架陣列的區(qū)域劃分和風(fēng)載荷體型系數(shù)取值建議。研究成果對光伏支架陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程建設(shè)具有較好的應(yīng)用價值。該方法有利于節(jié)省材料,降低光伏發(fā)電的成本。

        關(guān)鍵詞:光伏支架陣列;數(shù)值風(fēng)洞;風(fēng)載荷;體型系數(shù)

        中圖分類號:TU398.1

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

        0 引 言

        光伏支架結(jié)構(gòu)較輕,風(fēng)載荷對其影響較大?,F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50797—2012)規(guī)定地面和樓頂支架風(fēng)載荷的體型系數(shù)取1.3。[1]現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)對單坡頂蓋的風(fēng)載荷體型系數(shù)根據(jù)風(fēng)向、傾角和面板位置進(jìn)行分區(qū)定義。[2]

        《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》取值簡潔,便于利用,但是光伏陣列的支架總量大、形式統(tǒng)一,簡化取值的經(jīng)濟(jì)性值得商榷:其一,載荷規(guī)范在不同傾角下應(yīng)取不同的體型系數(shù);其二,由于鄰近支架的遮擋,光伏陣列不同位置的支架單元體型系數(shù)應(yīng)考慮折減。

        一些學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方式研究光伏支架上風(fēng)載荷的取值。李曉娜[3]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn),分析傾斜角、離地高度、底部阻塞度和紊流情況對結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷和電池板上面積的折減風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律的影響;張慶祝[4]測量光伏板風(fēng)載荷,通過與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性,修正傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式,發(fā)現(xiàn)光伏板風(fēng)載荷的內(nèi)在規(guī)律,并據(jù)此改進(jìn)光伏支架中的部分構(gòu)件;黃張?jiān)5萚5-6]建立數(shù)值風(fēng)洞與太陽能跟蹤器光伏面板的簡化模型,模擬風(fēng)載荷體型系數(shù),并把所得到的結(jié)果與相應(yīng)的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,針對光伏支架陣列分析特定風(fēng)向角和特定傾角下的風(fēng)載荷分布,得出固定式支架應(yīng)采用分區(qū)設(shè)計(jì)的結(jié)論;韓曉樂[7]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)研究地面和屋頂光伏支架的風(fēng)載荷分布,給出3行3列光伏板的風(fēng)載荷取值建議。高亮等[8]以風(fēng)洞試驗(yàn)為主,結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法,研究光伏支架的傾角、高度、間距和陣列中的位置等對風(fēng)載荷體型系數(shù)的影響規(guī)律,提出考慮各影響因素的風(fēng)載荷計(jì)算公式。

        本文進(jìn)行風(fēng)洞數(shù)值模擬,分析不同傾角下光伏陣列中各個位置光伏板上的風(fēng)載荷體型系數(shù)分布,并給出設(shè)計(jì)建議。

        1 模型設(shè)計(jì)

        1.1 分析方法

        風(fēng)洞數(shù)值模擬技術(shù)的核心是計(jì)算流體力學(xué),求解描述空間中流體流動情況的控制方程可獲得流場的相關(guān)性質(zhì)。本文采用k-ε湍流模型和雷諾平均法分析計(jì)算結(jié)構(gòu)表面的平均風(fēng)壓,在ANSYS ICEM CFD中建模和劃分網(wǎng)格,在FLUENT 14.0中進(jìn)行分析計(jì)算。

        1.2 模型概述

        數(shù)值風(fēng)洞模擬的光伏支架陣列包含10排光伏板,每塊光伏板的尺寸為5 040 mm×3 300 mm,光伏板橫向間距為1 m,縱向間距(中心距)為9 m。

        為模擬區(qū)域內(nèi)空氣的流動特性,在靠近計(jì)算模型區(qū)域設(shè)置分布密集的小網(wǎng)格,在遠(yuǎn)離模型區(qū)域設(shè)置分布稀疏的較大網(wǎng)格。將計(jì)算域分為核心區(qū)和外流場2部分,其中核心區(qū)光伏陣列為128 m×128 m,外流場800 m×1 200 m×24 m,計(jì)算域總尺寸滿足阻塞率<3%的要求。核心區(qū)內(nèi)采用四面體網(wǎng)格離散單元;為計(jì)算結(jié)構(gòu)表面壓力大小,近壁區(qū)域沿光伏板表面方向劃分5層網(wǎng)格,邊界層最小網(wǎng)格尺寸為30 mm,按1.0︰1.2過渡,采用規(guī)則分布的六面體網(wǎng)格離散單元。

        光伏板采用面單元模擬,并利用劈分網(wǎng)格技術(shù)分為上、下2個面,分別計(jì)算板上、下表面的風(fēng)壓。光伏板表面網(wǎng)格尺寸約為0.3 m。

        計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分見圖1,網(wǎng)格劃分均勻。

        1.3 數(shù)值風(fēng)洞邊界條件

        現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將場地分

        為A、B、C、D等4個地面粗糙度類別,采用指數(shù)型表達(dá)式確定平均風(fēng)剖面。4類地面粗糙度類別的劃分及其對應(yīng)的梯度風(fēng)高度ZG、地面粗糙度指數(shù)α和截?cái)喔叨萙b見表1。

        計(jì)算模型的來流面采用速度入口邊界條件,根據(jù)上文公式確定來流風(fēng)速,并采用UDF編程實(shí)現(xiàn)按規(guī)范規(guī)定的風(fēng)剖面輸入風(fēng)速;出流面采用自由發(fā)展出流。計(jì)算域的頂面和兩側(cè),采用對稱邊界條件模擬自由滑移的壁面條件;計(jì)算域的底面和建筑表面,采用固壁邊界條件模擬無滑移的壁面條件。

        1.4 參數(shù)設(shè)置

        采用雷諾平均法計(jì)算結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓,湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型,近壁面采用非平衡壁面函數(shù)。計(jì)算求解采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器,求解壓力耦合方程采用半隱式算法(即SIMPLE算法),松弛因子均采用默認(rèn)設(shè)置,使用入流面對流場進(jìn)行初始化。計(jì)算步數(shù)設(shè)定為1 000步,控制方程迭代殘差余量小于1×10-4,監(jiān)測光伏板表面的平均風(fēng)壓值基本不發(fā)生變化。

        光伏板傾角和光伏陣列風(fēng)向角示意見圖2。光伏支架的傾角由季節(jié)和緯度確定:低緯度和夏季所需傾角小,高緯度和冬季所需傾角大。結(jié)合我國的實(shí)際情況,計(jì)算取10°、20°、30°、40°、50°和60°共6個光伏板傾角。試算表明:180°、150°和120°這3種風(fēng)向角下光伏板承受風(fēng)吸力,分別與0°、30°和60°風(fēng)向角對稱;90°風(fēng)向角時光伏板迎風(fēng)面積為0,幾乎不承受風(fēng)載荷。因此,根據(jù)光伏板的對稱性,計(jì)算0°、30°和60°共3種風(fēng)向角下光伏板的風(fēng)壓力分布。

        2 數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)算結(jié)果討論

        以10°和60°這2種傾角情況的3個風(fēng)向角數(shù)值風(fēng)洞結(jié)果為例,討論光伏板風(fēng)載荷分布(見圖3)情況。

        由圖3可以看出,風(fēng)向角30°和60°的工況主要影響光伏陣列迎風(fēng)面兩側(cè)各3列光伏板。傾角較?。ㄈ?0°)時,最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在30°風(fēng)向角;傾角較大(如60°)時,最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在60°風(fēng)向角。最外側(cè)1列光伏板的風(fēng)載荷最大,向內(nèi)逐列減?。幌騼?nèi)3列以上的光伏板風(fēng)載荷的控制工況基本由0°風(fēng)向角控制。

        除兩側(cè)光伏板外,其他位置光伏板的最大風(fēng)載荷均出現(xiàn)在0°風(fēng)向角時,其分布規(guī)律表現(xiàn)為迎風(fēng)面第1排光伏板的風(fēng)載荷值最大,后排板的風(fēng)載荷明顯減小。

        單塊光伏板的風(fēng)載荷分布均表現(xiàn)為迎風(fēng)面邊緣風(fēng)載荷最大,沿風(fēng)向方向逐漸減小。當(dāng)傾角較大(如60°)時,第1排光伏板風(fēng)載荷較大,后排板的風(fēng)載荷接近0。

        3 光伏支架陣列區(qū)域劃分

        通過數(shù)值風(fēng)洞模擬,統(tǒng)計(jì)光伏支架陣列在6種傾角與3種風(fēng)向角組合(共18種)下的風(fēng)載荷分布,可以將整個陣列區(qū)域的光伏板風(fēng)壓分布分成3個區(qū)域,見圖4。

        不同風(fēng)向角的風(fēng)載荷規(guī)律如下:

        (1)0°風(fēng)向角(圖3a))時,區(qū)域1風(fēng)載荷最大,區(qū)域3次之,區(qū)域2風(fēng)載荷最小。

        (2)30°風(fēng)向角(圖3b))時,區(qū)域1和區(qū)域3風(fēng)載荷較大,區(qū)域2風(fēng)載荷最小。

        (3)60°風(fēng)向角(圖3c))時,區(qū)域3風(fēng)載荷最大,區(qū)域1次之,區(qū)域2風(fēng)載荷最小。

        (4)30°和60°風(fēng)向角時,區(qū)域3的3列光伏板中,最外側(cè)風(fēng)載荷最大,向內(nèi)逐漸減小。

        (5)區(qū)域1和區(qū)域2的最不利風(fēng)向角為0°。區(qū)域3的最不利風(fēng)向角與傾角有關(guān),傾角40°及以下時區(qū)域3最不利風(fēng)向角為30°,傾角50°及以上時區(qū)域3最不利風(fēng)向角為60°。

        綜合各種風(fēng)向角下的風(fēng)載荷分布,考慮到光伏支架陣列的對稱性,建議初步劃分區(qū)域見圖5。將光伏支架陣列劃分為3個區(qū)域:區(qū)域1為迎風(fēng)向前、后兩端各1排;區(qū)域3為陣列左、右兩端各3列;其余為區(qū)域2。

        4 各區(qū)域的風(fēng)載荷體型系數(shù)取值

        4.1 區(qū)域1風(fēng)載荷體型系數(shù)取值

        在0°風(fēng)向角下,區(qū)域1光伏板的風(fēng)載荷分布見圖6:橫坐標(biāo)是該點(diǎn)在光伏板上寬度方向的位置,下端迎風(fēng)邊緣為0 m,上端背風(fēng)邊緣為3.3 m;縱坐標(biāo)是該點(diǎn)的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

        按照載荷規(guī)范中的形式,光伏板上、下半板的風(fēng)載荷體型系數(shù)取不同值,由所在板塊上各點(diǎn)的體型系數(shù)按該點(diǎn)距離板中線的距離加權(quán)平均確定,計(jì)算公式為

        4.2 區(qū)域2風(fēng)載荷體型系數(shù)取值

        區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與傾角相關(guān)。傾角10°和20°時區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與區(qū)域1相近,漸變趨勢與圖6a)和圖6b)相同。傾角10°時光伏支架陣列中板面風(fēng)載荷與位置的關(guān)系見圖7:橫坐標(biāo)是該點(diǎn)在陣列中的位置,取第1排光伏板的迎風(fēng)邊緣的橫坐標(biāo)為0;縱坐標(biāo)是該點(diǎn)的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

        在傾角30°及以上時,區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與區(qū)域1不同,上、下半板可取相同的體型系數(shù),傾角30°時光伏支架陣列中板面風(fēng)載荷與位置的關(guān)系見圖8。

        因在傾角10°和20°時,區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與區(qū)域1相近,故以區(qū)域1為基準(zhǔn),折減體型系數(shù)根據(jù)各傾角下的風(fēng)載荷逐排分布(圖9)的數(shù)據(jù)計(jì)算比值得出,見表3。

        在傾角30°及以上情況下,區(qū)域2光伏板的體型系數(shù)根據(jù)圖9取值,同時考慮不小于傾角10°和20°時的最小值0.2,得到的體型系數(shù)見表4。

        4.3 區(qū)域3體型系數(shù)取值

        在傾角10°~40°時,區(qū)域3光伏板的最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在30°風(fēng)向角時;在傾角50°和60°時,區(qū)域3光伏板的最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在60°風(fēng)向角時。區(qū)域3最外側(cè)1列板風(fēng)載荷最大,另外2列板風(fēng)載荷較小,其體型系數(shù)取值應(yīng)分別計(jì)算,見表5。

        4.4 體型因數(shù)簡化取值建議

        按照光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將風(fēng)載荷取值歸并簡化,從數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果討論體型系數(shù)優(yōu)化取值的區(qū)域劃分。

        區(qū)域3端部1列光伏板的風(fēng)載荷是光伏板陣列所有板中風(fēng)載荷最大的,其余2列板的風(fēng)載荷取值介于區(qū)域1與區(qū)域2之間,建議按區(qū)域1取值。

        區(qū)域2的光伏板風(fēng)載荷在傾角不同時分布規(guī)律不同。在傾角10°和20°時,2~5排風(fēng)載荷呈漸變趨勢,因此建議將2~3排并入?yún)^(qū)域1,將4~5排作為區(qū)域2,并取第4排的風(fēng)載荷為區(qū)域2的風(fēng)載荷;在傾角30°及以上時,2~4排風(fēng)載荷小于5排以后的風(fēng)載荷,可作為區(qū)域2。

        最終的風(fēng)載荷體積系數(shù)區(qū)域劃分見圖10,各區(qū)域風(fēng)載荷體型系數(shù)簡化取值見表6。由于風(fēng)載荷按體積系數(shù)取值進(jìn)行相應(yīng)修正,為保證安全,風(fēng)載荷體型系數(shù)最小值取0.4。

        5 結(jié)束語

        運(yùn)用ANSYS ICEM CFD建立光伏支架陣列的模型并劃分網(wǎng)格,導(dǎo)入FLUENT 14.0中對不同傾角和風(fēng)向角下的光伏支架陣列進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值風(fēng)洞模擬分析。對比分析風(fēng)載荷體型系數(shù)分布以及風(fēng)載荷體型系數(shù)隨位置變化規(guī)律,得到如下主要結(jié)論:

        (1)光伏支架陣列中不同位置的支架單元承受的風(fēng)載荷差別較大,因此建議將光伏陣列支架劃分為3個區(qū)域,不同區(qū)域取不同的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

        (2)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》僅給出單個光伏支架單元風(fēng)載荷體型系數(shù)的取值,但對于大型的光伏支架陣列來說,其中間區(qū)域的風(fēng)載荷體型系數(shù)取值偏大,因此提出不同傾角下的區(qū)域劃分方法和不同區(qū)域的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

        (3)結(jié)合工程實(shí)際,對各區(qū)域的體型系數(shù)提出簡化取值建議。

        本文討論的體型系數(shù)折減適用于光伏陣列場地較平整的情況,如灘涂、戈壁等。對于場地起伏較大的山地、丘陵等,陣列中央的支架單元不受遮擋或遮擋較少,建議不折減。

        致謝:本項(xiàng)目工作獲得國華能源投資有限公司科技創(chuàng)新項(xiàng)目“光伏方陣支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用”支持,特此致謝。

        參考文獻(xiàn):

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        (編輯 武曉英)

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