房彥山，張國(guó)飛，唐雯靜

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

太陽(yáng)能光伏電站一般地處荒漠戈壁，地形空曠之地，風(fēng)荷載在太陽(yáng)能光伏組件單元的支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中將起到控制性作用，而在這些空曠之地風(fēng)荷載的取值和構(gòu)架風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取直接影響到支架及基礎(chǔ)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)內(nèi)地面光伏支架設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)于風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的取值，我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》均有規(guī)定：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，第29項(xiàng)的規(guī)定，當(dāng)傾角小于10°時(shí)，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)按±1.3和±0.5，整體體型系數(shù)為±0.9計(jì)算；當(dāng)傾角等于30°時(shí)，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)按±1.4和±0.6，整體體型系數(shù)為±1.0計(jì)算，中間值采用插值法?！豆夥l(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.8.7條規(guī)定，地面和樓頂支架風(fēng)荷載的體型系數(shù)取1.3。日本的《太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工》叢書(shū)中，體型系數(shù)按(正壓)0.65+0.009θ、(負(fù)壓)0.71+0.016θ計(jì)算，其中θ(15°≤θ≤45°)為傾斜角度。光伏電站是由多排多列光伏組件支架單元組成的方陣，因此光伏組件支架單元所處的位置不同會(huì)導(dǎo)致風(fēng)荷載系數(shù)的不同。規(guī)范上的風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)體型系數(shù)可以作為單個(gè)光伏支架結(jié)構(gòu)承受風(fēng)荷載作用時(shí)參考。而對(duì)于整個(gè)光伏電站支架結(jié)構(gòu)這一類(lèi)的結(jié)構(gòu)群，并未對(duì)風(fēng)荷載系數(shù)區(qū)間進(jìn)行劃分。本文對(duì)太陽(yáng)能光伏板陣列進(jìn)行了區(qū)域劃分，并提出了不同區(qū)域板的體型系數(shù)的折減系數(shù)，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

模型中單串電池組件長(zhǎng)20 m，寬3.3 m，電池組件的傾斜角度取35°，前后排支架間凈距取13 m(根據(jù)新疆高緯度地區(qū)實(shí)際工程，且前后間距越小遮擋效果越明顯，為包羅大多數(shù)情況，故取13 m)，面板最低邊緣離地面0.3 m，過(guò)道寬1.5 m，兩列面板間距150 mm(建模時(shí)簡(jiǎn)化)，方陣布置形式見(jiàn)圖1，采用10排、10列的方陣。

1.2 計(jì)算域

對(duì)光伏板方陣計(jì)算域設(shè)置為1000 m×600 m×55 m，其阻塞率為0.6%，光伏板方陣置于1/3長(zhǎng)度處，滿足要求。將此計(jì)算域劃分為3個(gè)部分，電池板方陣為最內(nèi)部分為子域1；方陣外側(cè)采用內(nèi)域?yàn)橹睆?60 m的圓柱為子域2；剩余外部為子域3，以便網(wǎng)格掃掠劃分。在劃分網(wǎng)格時(shí)，子域2采用適用性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，子域1、子域3采用收斂性較高的結(jié)構(gòu)化六面體不均勻網(wǎng)格。整個(gè)流域的網(wǎng)格數(shù)量為1400萬(wàn)左右。

圖1 光伏板陣列和風(fēng)向角示意圖

1.3 邊界條件

Fluent軟件中，來(lái)流邊界采用速度入口邊界條件，風(fēng)速為37 m/s。計(jì)算域側(cè)面和頂面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件。出流面采用壓力出口邊界條件。地面粗糙度為B類(lèi)，采用無(wú)滑移光滑壁面。面板采用無(wú)滑移的粗糙壁面。

計(jì)算模型采用RNG k-e模型。流場(chǎng)動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率的離散格式均采用二級(jí)迎風(fēng)格式，壓力－速度耦合放的解法采用SIMPLEC算法。

1.4 計(jì)算工況

數(shù)值模擬電池板方陣時(shí)，固定傾角為35°，進(jìn)行風(fēng)向角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、105°、120°、135°、150°、165°、180°十二種工況下的數(shù)值模擬研究。其中0°～90°為正壓，90°～180°為負(fù)壓。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)體型系數(shù)

通過(guò)CFD模擬測(cè)量模型上的各點(diǎn)的壓力系數(shù)，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓大小及分布。

式中：Pfi為結(jié)構(gòu)表面測(cè)量點(diǎn)靜壓；P∞為參考點(diǎn)靜壓；v0為來(lái)流風(fēng)速；ρ為空氣密度。

對(duì)壓力系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)體型系數(shù)：

式中：Ai為壓力系數(shù)測(cè)點(diǎn)所在表面的表面積；Ai(Z)為i表面表面積；μsi(Z)為某表面i的風(fēng)載結(jié)構(gòu)體型系數(shù)。

2.2 各風(fēng)向角下光伏板的體型系數(shù)

本文對(duì)風(fēng)向角在0°～180°之間，以15°為增量的光伏板做了數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)。由于篇幅有限，圖2～圖8只給出風(fēng)向角為0°、30°、60°、75°、120°、150°、180°七種典型工況下光伏板陣列的體型系數(shù)圖。

由圖2可知，當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，迎風(fēng)向第1行的風(fēng)荷載體型系數(shù)最大(0.93)，第2行光伏板受第1行光伏板尾流較大，出現(xiàn)回流現(xiàn)象，體型系數(shù)較小。由于第1行光伏板的阻擋和保護(hù)，第2行到第10行的光伏板表面風(fēng)荷載體型系數(shù)遠(yuǎn)小于第1行，第2行小于其他行且局部板出現(xiàn)負(fù)值。方陣邊緣光伏板風(fēng)荷載體型系數(shù)較中間板大。方陣中間區(qū)域電池板體型系數(shù)數(shù)值很小為0.13，且基本相等。

由圖3可知，當(dāng)風(fēng)向角為30°時(shí)，第1行和第1列板風(fēng)荷載體型系數(shù)大于其他板，在走道處發(fā)生了流動(dòng)分離，導(dǎo)致第1排風(fēng)荷載體型系數(shù)并不相等，左側(cè)大于右側(cè)。第1行第1列體型系數(shù)為1.1，較0°時(shí)大；第1行體型系數(shù)平均值較0°時(shí)的??；第1列體形系數(shù)平均值較0°時(shí)大，說(shuō)明第1列板的阻擋作用增強(qiáng)。沿風(fēng)方向，體型系數(shù)逐步減小趨勢(shì)。

由圖4可知，當(dāng)風(fēng)向角為60°時(shí)，體型系數(shù)的變化趨勢(shì)同30°，第1列體型系數(shù)平均值為0.86，明顯大于第1行0.52。其余板體型系數(shù)平均值為0.1。沿風(fēng)方向，體型系數(shù)逐步減小趨勢(shì)。

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)向角為75°時(shí)，由于風(fēng)向與板的角度變小，體型系數(shù)較60°小很多。其中第1列面板(0.24)較其他板(0.04)大。

由圖6可知，當(dāng)風(fēng)向角為120°時(shí)，光伏板背部為迎風(fēng)面，處于風(fēng)向上游位置的光伏板(第1列和第10行)受風(fēng)力作用最強(qiáng)烈，體型系數(shù)最大。方陣邊緣位置處迎風(fēng)向第1列光伏板體型系數(shù)平均值(0.82)較第10行(0.45)大。第2列(0.3)和第4列(0.25)較后面列稍大。后面列體型系數(shù)平均值為(0.08)，非常小。

由圖7可知，當(dāng)風(fēng)向角為150°時(shí)，第10行體型系數(shù)平均值(1.3)比120°時(shí)(0.45)大很多。且在角部(第10行×第1列)出現(xiàn)極值1.72。在實(shí)際工程中因忽略對(duì)角部光伏板的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)被風(fēng)吹壞的情況。

由圖8可知，當(dāng)風(fēng)向角為180°時(shí)，體型系數(shù)柱狀圖呈現(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)情況。第10行體型系數(shù)平均值(1.34)較150°時(shí)稍大，但在角部(第10行×第1列)值為1.3比150°時(shí)小；180°時(shí)第10行體型系數(shù)平均值(1.34)較0°時(shí)第1行(0.93)大。外圍板較中間板大。

圖2 0°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖3 30°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖4 60°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖5 75°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖6 120°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀

圖7 150°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖8 180°風(fēng)荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

2.3 光伏板陣列體型系數(shù)的折減系數(shù)

由上述分析可知光伏板陣列中中間板的體型系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于迎風(fēng)面板，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)中間部板的體型系數(shù)進(jìn)行折減。下表對(duì)風(fēng)向角在0°～180°之間，以15°為增量的十二種工況下，對(duì)每塊板的體型系數(shù)取最大值，見(jiàn)表1。

風(fēng)向角為0°～90°時(shí)，迎風(fēng)面外圍板體型系數(shù)平均值為0.92，與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(0.9)和日本叢書(shū)(0.96)較一致，比《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(1.3)小。風(fēng)向角為90°～180°時(shí)，迎風(fēng)面外圍板體型系數(shù)平均值為1.26，與《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(1.3)和日本叢書(shū)(1.27)較一致，比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(1.0)大。

根據(jù)數(shù)據(jù)分布的規(guī)律以及方便使用的原則，將方陣分為2個(gè)區(qū)域，對(duì)內(nèi)部區(qū)域取折減。由外至內(nèi)分別為：以方陣邊緣一排和一列為A區(qū)、余下中間區(qū)域B區(qū)。

表1 風(fēng)向角0°～180°各板體型系數(shù)最大值

以《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的體型系數(shù)1.3為基值，得到不同位置處光伏板體型的折減系數(shù)。見(jiàn)表2：

表2 折減系數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CFD數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板陣列的風(fēng)壓分布和風(fēng)荷載體型系數(shù)進(jìn)行了研究，描述了不同風(fēng)向角下面板體型系數(shù)的變化規(guī)律，比較了不同工況下光伏板體型系數(shù)的大小關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)風(fēng)向角為0°～90°時(shí)，迎風(fēng)面板光伏板體型系數(shù)與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和文獻(xiàn)[3]一致，較《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》小。風(fēng)向角為90°～180°時(shí)，迎風(fēng)面外圍板體型系數(shù)平均值為1.26，與《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(1.3)和文獻(xiàn)[3](1.27)的取值較一致，比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(1.0)的取值大。

(2)風(fēng)向角為90°～180°時(shí)，第10行的風(fēng)荷載體型系數(shù)平均值(1.48)比規(guī)范值(1.0文獻(xiàn)[1]和1.3文獻(xiàn)[2])大。當(dāng)風(fēng)向角為150°時(shí)，在角部(第10行×第1列)出現(xiàn)極值1.72，比規(guī)范值文獻(xiàn)[1][2][3]大很多。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)陣列的負(fù)壓迎風(fēng)面邊緣光伏板特別是角部光伏板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)迎風(fēng)位置的外圍光伏板受風(fēng)力作用最強(qiáng)烈，體型系數(shù)比中間板大。以《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的體型系數(shù)1.3為基值，對(duì)中間板進(jìn)行折減，本文建議折減系數(shù)取0.48，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。本文為數(shù)值模擬結(jié)果，還有待風(fēng)洞試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

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中核集團(tuán)又一項(xiàng)三代核電關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先

據(jù)北極星電力網(wǎng)訊：4月12日，由中核集團(tuán)中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主研制的第三代棒控棒位系統(tǒng)，通過(guò)了中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)組織的國(guó)內(nèi)知名院士專(zhuān)家鑒定評(píng)審。鑒定認(rèn)為：

該系統(tǒng)具備“全數(shù)字化、智能化、高可靠、小型化”等特點(diǎn)，技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，對(duì)全面提升我國(guó)核電自主化水平并支撐核電“走出去”戰(zhàn)略具有重要意義。

第三代棒控棒位系統(tǒng)是核電廠“神經(jīng)系統(tǒng)”的重要組成部分。該系統(tǒng)通過(guò)提升、保持和插入反應(yīng)堆控制棒，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟堆、停堆、快速功率調(diào)節(jié)等重要功能，對(duì)整個(gè)核電機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。該系統(tǒng)可直接應(yīng)用于華龍一號(hào)、二代加核電工程及技術(shù)改造，還可推廣應(yīng)用于AP1000、EPR等其他核電站，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

該系統(tǒng)是核動(dòng)力院自主研發(fā)的三代核電棒控棒位系統(tǒng)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，科研工作形成10項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，11項(xiàng)軟件著作權(quán)，2項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目科研攻關(guān)中，項(xiàng)目組完成了近十項(xiàng)重大技術(shù)突破，設(shè)備體積為上一代產(chǎn)品一半大小，精度提高到原來(lái)2倍。此外，樣機(jī)還通過(guò)了一千萬(wàn)步連續(xù)運(yùn)行考核，取得了零故障運(yùn)行業(yè)績(jī)，充分驗(yàn)證設(shè)備可靠性。

本次評(píng)審由中國(guó)工程院葉奇蓁院士和孫玉發(fā)院士擔(dān)任專(zhuān)家組組長(zhǎng)，來(lái)自核能行業(yè)協(xié)會(huì)、國(guó)家核安全局、環(huán)保部核與輻射安全中心、哈工大、西安交大以及中核集團(tuán)、中廣核集團(tuán)等單位數(shù)十位專(zhuān)家參加了評(píng)審。