尹雙越， 畢金鋒， 羅先啟

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

近年來(lái)，隨著化石能源不斷消耗且可開(kāi)采年限不斷降低，如何開(kāi)發(fā)利用新能源已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代的熱議話題，而太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量大、存在廣和清潔性被公認(rèn)為最有希望的替代能源[1-5]。太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)中，支架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是光伏電站土建工程的主要內(nèi)容。我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電還處于產(chǎn)業(yè)初步階段，如何降低支架重量，優(yōu)化基礎(chǔ)形式是節(jié)約光伏電站建設(shè)成本的主要工作之一[6-11]。

青海省大部分地區(qū)的風(fēng)荷載大于雪荷載，除了太陽(yáng)能電池板的自重外，支架和基礎(chǔ)承受的主要活荷載為風(fēng)荷載。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)風(fēng)荷載的規(guī)定主要用于高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，而光伏電站中的太陽(yáng)能電池板及其支架結(jié)構(gòu)與常規(guī)建筑物的結(jié)構(gòu)形式并不相同。以規(guī)范中規(guī)定的基本風(fēng)壓為依據(jù)，計(jì)算出風(fēng)場(chǎng)的入口風(fēng)速，對(duì)光伏電站及其周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠更加真實(shí)地反映光伏電站中電池板上的風(fēng)壓分布情況。本文以青海省剛察10 MW并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)光伏發(fā)電站的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速和風(fēng)壓分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分析8個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)壓及風(fēng)速的分布情況，為支架及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 光伏電站風(fēng)場(chǎng)計(jì)算

1.1 平均風(fēng)速

在風(fēng)剖面中，風(fēng)速的大小與高度呈指數(shù)關(guān)系，表達(dá)示為[12]：

(1)

式中：zb為參考高度，在我國(guó)的規(guī)范中取為10 m；z為計(jì)算高度；v(z)為對(duì)應(yīng)z高度處的平均風(fēng)速；vb為zb高度處的100 min內(nèi)的平均風(fēng)速;α為地面粗糙度指數(shù)。

1.2 基本風(fēng)壓與基本風(fēng)速的關(guān)系

《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50797-2012中規(guī)定，在支架荷載和荷載效應(yīng)計(jì)算過(guò)程中，風(fēng)荷載、雪荷載和溫度荷載按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009中25年一遇的荷載數(shù)值取值，不同時(shí)考慮風(fēng)荷載和雪荷載的組合效應(yīng)。地面和樓頂支架風(fēng)荷載的體形系數(shù)取1.3[13]。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定地表建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算[12]：

p=βzμsμzω0

(2)

式中：p為基本風(fēng)壓;βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體形系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

風(fēng)振系數(shù)一般用于高層建筑及高聳結(jié)構(gòu)，對(duì)于光伏電站支架而言，雖然其高度一般不高于5 m，但由于其結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)有所差異，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相似，所以風(fēng)振系數(shù)可按圍護(hù)結(jié)構(gòu)取值，對(duì)于A類(lèi)地面取為1.65，B類(lèi)地面取為1.7。體形系數(shù)取為1.3，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按5 m高度取值，A類(lèi)地面取為1.09，B類(lèi)地面取為1.0。以青海省剛察10 MW并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，取場(chǎng)地類(lèi)型為B類(lèi)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算得到的25年一遇的基本風(fēng)壓為0.3 kPa，從而計(jì)算出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

p=1.7×1.3×1.0×0.3=0.663 kPa

(3)

一般工程中將風(fēng)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，風(fēng)速與風(fēng)壓存在著一定的換算關(guān)系。在不可壓縮的低速氣流中，不考慮氣體黏性和體力作用，在任一流線上各點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)高度伯努利方程為：

(4)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，流體容重γ=0.012 018 kN/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，則可以計(jì)算出：

(5)

為方便起見(jiàn)，一般取為1/1 600。由此得到基本風(fēng)壓與基本風(fēng)速的關(guān)系為：

(6)

1.3 湍流流動(dòng)的控制方程

一般采用湍流模型來(lái)描述自然風(fēng)的流動(dòng)，采用二方程模型k-ε來(lái)描述湍流運(yùn)動(dòng)[14]。以下各式是描述湍流運(yùn)動(dòng)的k-ε模型：

式中：ρ為流體密度；u為速度；p為壓力；I為單位矩陣；uT為湍流黏度；k為湍流動(dòng)能；F為外力項(xiàng)；pk為生成項(xiàng)；ε為湍流耗散率；μk、με、cε1和cε2為湍流系數(shù)。式(7)和(8)是主方程，通過(guò)上述方程的求解可以得到空氣流動(dòng)的詳細(xì)情況，并且可以計(jì)算出氣流在電池板表面的壓力分布情況。

2 剛察扎蘇合光伏電站布置

2.1 工程概況

扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程位于剛察縣泉吉鄉(xiāng)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°44′～99°52′，北緯37°12′～37°18′之間，距剛察縣城45 km。電站設(shè)光伏陣列區(qū)、匯集站和生產(chǎn)生活綜合區(qū)。整個(gè)地塊南北長(zhǎng)744.2 m、東西寬359.6 m，平均海拔3 310 m，總占地面積為0.267 614 km2，場(chǎng)區(qū)地勢(shì)平緩，地形開(kāi)闊，多為草場(chǎng)區(qū)[15]。

2.2 太陽(yáng)能電池板支架形式及其分布

扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程中，太陽(yáng)能電池板共有17列，每一列電池板的寬度約為19 m，每一排電池板的間距為11～13 m。整個(gè)光伏電站的區(qū)域尺寸為340 m×720 m。采用的支架為固定式支架，太陽(yáng)能電池板的傾角為39°，每個(gè)太陽(yáng)能電池板所處的支架單元長(zhǎng)度為4.085 m，支架中的立柱、支撐與橫梁均采用槽鋼[16]，單個(gè)太陽(yáng)能電池板支架側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能電池板及其支架側(cè)視圖(m)

3 剛察扎蘇合光伏電站風(fēng)場(chǎng)分析

3.1 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模型的建立

按規(guī)范以及剛察縣扎蘇合村的地形特點(diǎn)，選用B類(lèi)地面粗糙度，粗糙系數(shù)取為α=0.15，計(jì)算得到剛察地區(qū)基本風(fēng)壓p=0.305 kPa，對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)速為v0=22.09 m/s。k-ε模型中各參數(shù)取值如下：cε1=1.44，cε2=1.92，cμ=0.09，σk=1，σε=1.3，κv=0.41，Β=2.5；流體(空氣)參數(shù)取值如下：密度為1.293 g/L，動(dòng)力黏滯系數(shù)為18.5 μPa·s。

光伏電站周?chē)L(fēng)場(chǎng)范圍，如圖2所示，以S向風(fēng)為例，在電站前方及兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)范圍為對(duì)應(yīng)方向電站尺寸的2倍左右，后方為4倍左右，高度為3倍左右。模型邊界條件入口為速度入口，風(fēng)速方向與入口邊界垂直，大小根據(jù)支架高度按風(fēng)剖面速度式(1)取值，出口為0壓強(qiáng)出口。模型底面為地面，左右兩側(cè)為對(duì)稱(chēng)面，上面為自由邊界。為了消除邊界效應(yīng)，模型計(jì)算域取研究對(duì)象的3倍左右。

3.2 風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

取8個(gè)風(fēng)向角進(jìn)行計(jì)算，其中S向風(fēng)時(shí)光伏電站及其周?chē)娘L(fēng)壓如圖3所示，在電站左側(cè)風(fēng)壓達(dá)到最大值88.1 Pa，最大負(fù)壓達(dá)到-40.5 Pa；風(fēng)速分布如圖4所示，在電站上下邊界處風(fēng)速達(dá)到最大值23 m/s，電站內(nèi)部風(fēng)速為最小值0.29 m/s。

圖2 數(shù)值模擬模型中太陽(yáng)能電池板分布

圖3 S向風(fēng)時(shí)電站及其周?chē)L(fēng)壓分布

圖4 S向風(fēng)時(shí)電站及其周?chē)L(fēng)速分布

從模擬結(jié)果各圖中可以看出，風(fēng)向的變化對(duì)光伏電站不同區(qū)域的影響也不盡相同，下面根據(jù)不同風(fēng)向角對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析(見(jiàn)表1)。

數(shù)值模擬過(guò)程中，考慮了風(fēng)速分布沿高度的變化，考慮了當(dāng)?shù)氐孛娴拇植诔潭群碗姵匕弩w形特點(diǎn)，與現(xiàn)實(shí)中的風(fēng)作用效果相近，結(jié)果顯示，按25年一遇的風(fēng)速進(jìn)行模擬，電池板受到的最大風(fēng)壓也不超過(guò)0.1 kPa，遠(yuǎn)小于按規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.663 kPa，由此在設(shè)計(jì)過(guò)程中按規(guī)范計(jì)算風(fēng)壓力過(guò)于保守。

從數(shù)值模擬結(jié)果中風(fēng)壓分布情況也可以看出，最外側(cè)的太陽(yáng)能電池板在不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下受到的風(fēng)壓最大。無(wú)論風(fēng)向怎樣變化，在中間區(qū)域的電池板的壓力均遠(yuǎn)小于外圍電池板所受的風(fēng)壓。對(duì)于整個(gè)太陽(yáng)能電站而言，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)風(fēng)荷載的取值可根據(jù)不同風(fēng)向角下整個(gè)太陽(yáng)能電站內(nèi)的風(fēng)壓分布規(guī)律取值，為了方便計(jì)算，可將整個(gè)電站按風(fēng)壓的不同分區(qū)計(jì)算作用在電池板上的風(fēng)荷載。以剛察扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程為例，以風(fēng)壓大于30 Pa和風(fēng)壓小于30 Pa為界線將整個(gè)電站分為兩部分，如圖5所示。無(wú)論風(fēng)向角怎么變化，淺藍(lán)色區(qū)域內(nèi)的風(fēng)壓均小于30 Pa。在支架設(shè)計(jì)過(guò)程中，可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定適當(dāng)降低基本風(fēng)壓取值，由此達(dá)到節(jié)省材料、控制成本的目標(biāo)。

表1 不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓及風(fēng)速分布特點(diǎn)

圖5 太陽(yáng)能電池板壓強(qiáng)小于30 Pa的區(qū)域(藍(lán)色陰影部分)

4 結(jié) 論

(1) 《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定對(duì)風(fēng)荷載的取值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中25年一遇的風(fēng)載取值，而光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)并不相同，光伏電站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高度低、質(zhì)量小、占地面積廣，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值并不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)光伏電站風(fēng)荷載的特點(diǎn)。從模擬結(jié)果來(lái)看，由于光伏電站中支架結(jié)構(gòu)高度較低，風(fēng)速較小，計(jì)算得到的風(fēng)壓比按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算得到的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值小得多。

(2) 在整個(gè)光伏電站分布范圍內(nèi)，風(fēng)荷載的大小與太陽(yáng)能電池板所處的位置有關(guān)。無(wú)論風(fēng)向如何，整個(gè)光伏電站中間區(qū)域的電池板的壓力均遠(yuǎn)小于外圍電池板所受的風(fēng)壓，可按風(fēng)壓分布的不同，將整個(gè)光伏電站分區(qū)域?qū)μ?yáng)能電池板支架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠有效降低部分支架自重，從而達(dá)到節(jié)約成本的效果。

(3) 在得到電站所在地區(qū)的全年風(fēng)向及風(fēng)速分布數(shù)據(jù)后，可根據(jù)真實(shí)情況對(duì)電站及其周?chē)L(fēng)場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，同時(shí)考慮風(fēng)場(chǎng)及支架的流固耦合作用，能夠更加真實(shí)地反映光伏電站的風(fēng)場(chǎng)分布特點(diǎn)，同時(shí)可以得到支架的內(nèi)力分布情況，為支架及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供有效參考。

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