李居慶 何艷麗 徐志宏

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124； 2.中清能綠洲科技股份有限公司，北京 102600)

1 概述

太陽能作為優(yōu)質(zhì)的可再生資源，受到世界各國的重點關(guān)注[1]。太陽能光伏板主要固定在支架系統(tǒng)上，在太陽光的照射下將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。其中風(fēng)荷載是起到控制作用的荷載，而隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，太陽能光伏板大多以陣列的方式布置，從而光伏群體遮擋效應(yīng)的研究是非常重要的[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對光伏板風(fēng)荷載特性已進行了一定的研究[3,4]，國內(nèi)對單塊光伏板表面所受的風(fēng)荷載的取值主要參考風(fēng)洞實驗的結(jié)果和GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[5]的規(guī)定。但是不同的布置形式，光伏板之間的相互干擾作用是不明確的，所以對于不同的光伏板布置形式，需要進行系統(tǒng)、深入的研究。

本文將采用計算流體力學(xué)(CFD)的方法,對陣列光伏板體型系數(shù)的遮擋效應(yīng)進行數(shù)值模擬分析。本文的光伏板支撐在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上，陣列光伏板上風(fēng)荷載的遮擋效應(yīng)會對體型系數(shù)取值有很大影響，從而影響平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的用鋼量，因此對陣列光伏板體型系數(shù)及其之間的干擾效應(yīng)進行研究，對太陽能光伏板結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的意義。

2 計算模型及工況

2.1 工程概況

陣列光伏板的支撐結(jié)構(gòu)為平板網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)所在地區(qū)25年基本風(fēng)壓為0.31 kN/m2,地面粗糙度類別為C類。平板網(wǎng)架規(guī)模(長×寬×高)：188.5 m×113.1 m×6 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限25年。由于光伏板之間的遮擋效應(yīng)復(fù)雜，風(fēng)荷載分布無現(xiàn)成資料可供借鑒，本文采用CFD方法對光伏板的風(fēng)壓分布進行數(shù)值模擬，為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計和光伏板布置提供依據(jù)，見圖1。

2.2 CFD數(shù)值模擬模型選取

數(shù)值模擬時，首先需要建立一個數(shù)值風(fēng)洞，數(shù)值風(fēng)洞風(fēng)場尺寸的大小與計算精度密切相關(guān)。陣列光伏板數(shù)值風(fēng)洞風(fēng)場尺寸，在生成網(wǎng)格的光伏板及其支撐需要加密，加密區(qū)長×寬×高=113 m×56 m×6 m，整個流場尺寸為833 m×1 226 m×50 m，依次為流場區(qū)域的寬度、長度和高度方向，如圖2所示。

2.3 CFD數(shù)值模擬方法

對于單個和陣列光伏板計算工況，入口處均采用指數(shù)形式的C類地貌風(fēng)速剖面邊界條件，指數(shù)α=0.22。風(fēng)場進口速度為22.6 m/s，入口處的湍流度取23%，風(fēng)場出口采用壓力出口。光伏板表面、地面和連接面之間采用無滑移的壁面條件，風(fēng)場的兩個側(cè)面和頂部面采用對稱的邊界條件。

本文采用兩方程標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型進行數(shù)值模擬，兩方程標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型是目前應(yīng)用最廣泛的兩方程湍流模型。在滿足計算精度的條件下，兩方程標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型具有較好的收斂速度，并且能夠模擬出建筑周圍及內(nèi)部風(fēng)流場，表征漩渦間的相互影響。對于壓力—速度耦聯(lián)方程，采用SIMPLE算法實現(xiàn)各聯(lián)立方程的解耦及壓力場和速度場的校正。

2.4 模擬工況

考慮到群體面板之間的遮擋效應(yīng)，研究仰角10°的陣列光伏板在不同風(fēng)向角下光伏板之間的遮擋效應(yīng)，計算工況如下：風(fēng)向角0°，45°，135°，180°，共4種工況，見圖3。

3 太陽能光伏板模型計算結(jié)果及分析

3.1 CFD體型系數(shù)提取

體型系數(shù)為CFD模擬的風(fēng)壓系數(shù)除以風(fēng)壓高度變化系數(shù)。風(fēng)壓值的正負(fù)號意義如下：正號表示風(fēng)壓沿結(jié)構(gòu)表面法向向內(nèi)，即對表面產(chǎn)生壓力；負(fù)號表示風(fēng)壓沿結(jié)構(gòu)表面法向向外，即對結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生吸力。具體CFD數(shù)值模擬結(jié)果見表1～表3。

表1 第1列光伏面板體型系數(shù)

表2 第2列光伏面板體型系數(shù)

表3 第3列光伏面板體型系數(shù)

表中的第一排為迎風(fēng)前側(cè)無光伏面板的第一排，0°和45°第一排相同，135°和180°第一排相同。0°和180°所對應(yīng)的第一排光伏板不同，迎風(fēng)第一排光伏板方向相反。

單排光伏板在0°風(fēng)向角下的體型系數(shù)為1.12，45°風(fēng)向角下體型系數(shù)為0.78，135°風(fēng)向角下體型系數(shù)為-0.74，180°風(fēng)向角下體型系數(shù)為-1.05。

3.2 模擬結(jié)果分析

本文沒有考慮平板網(wǎng)架和光伏板支架對光伏板體型系數(shù)的影響，光伏板下部連接地面的面設(shè)為內(nèi)部面，第一列光伏板體型系數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果和進一步分析的結(jié)果，可以得出不同風(fēng)向角下陣列光伏板體型系數(shù)有以下規(guī)律：

1)陣列光伏板之間存在干擾效應(yīng)，即迎風(fēng)上游光伏板對下游光伏板存在遮擋效應(yīng)。從體型系數(shù)來看，仰角10°的陣列光伏板由于上游光伏板的存在會使下游光伏板的體型系數(shù)減小，隨著上游光伏板的增多體型系數(shù)在三排以后趨于穩(wěn)定。

2)仰角10°的陣列光伏板第一排光伏板在各個風(fēng)向角下的體型系數(shù)和單塊仰角10°的光伏板在各個風(fēng)向角下的體型系數(shù)基本相同，下游光伏板對迎風(fēng)第一排光伏板體型系數(shù)影響不大。

仰角10°的陣列光伏板，0°風(fēng)向角下各排光伏板體型系數(shù)均大于45°風(fēng)向角下各排光伏板體型系數(shù)；180°風(fēng)向角下各排光伏板體型系數(shù)絕對值均大于145°風(fēng)向角下各排光伏板體型系數(shù)。

4 算例分析

研究遮擋效應(yīng)對平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的用鋼量的影響，以光伏板傾角10°、光伏板間距為1.8 m的陣列光伏板進行建模計算[6]。根據(jù)某公司提供的平板網(wǎng)架屋面的建筑圖，建立螺栓球平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的屋蓋，平板網(wǎng)架為正放四角錐網(wǎng)架。網(wǎng)架幾何參數(shù)為平面尺寸188.5 m×113.1 m，網(wǎng)架右下方缺口平面尺寸為37.7 m×52.2 m，平板網(wǎng)架的面積為19 351 m2，網(wǎng)架厚度為3.0 m，平面網(wǎng)格尺寸為2.9 m×2.9 m。平板網(wǎng)架周邊支撐在鋼筋混凝土柱上，支座的剛度大，可以不考慮其變形，所以把平板網(wǎng)架的支座簡化為固定鉸支座，平板網(wǎng)架的支座布置在下弦節(jié)點上。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置圖及支座位置圖如圖5所示。

本文太陽能光伏板采用單晶硅太陽能電池板，鋁合金邊框，鋼化玻璃面板，取光伏面板密度為2 300 kg/m3。平板網(wǎng)架上所受的荷載本文只考慮恒荷載和風(fēng)荷載，其中平板網(wǎng)架上弦支撐的光伏面板和支架換算成集中荷載為0.42 kN，即上弦節(jié)點所受的恒荷載為0.42 kN。光伏板上的風(fēng)荷載分為兩種情況：1)單排光伏板上的風(fēng)荷載作為陣列光伏板的風(fēng)荷載；2)考慮遮擋效應(yīng)的陣列光伏板上的風(fēng)荷載。兩種情況都只考慮0°和180°下光伏板所受的風(fēng)荷載。

結(jié)構(gòu)對比分析結(jié)果為：單排光伏板上的風(fēng)荷載作為陣列光伏板的風(fēng)荷載時，桿件單元和螺栓球節(jié)點的總重量為456.98 t，用鋼量為23.6 kg/m2。施加考慮遮擋效應(yīng)的陣列光伏板上的風(fēng)荷載時，將上弦節(jié)點上的恒荷載和風(fēng)荷載進行荷載組合，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果。桿件單元和螺栓球節(jié)點的總重量為412.78 t，用鋼量為21.3 kg/m2。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果，考慮遮擋效應(yīng)的陣列光伏板的平板網(wǎng)架桿件單元和螺栓球節(jié)點的總用鋼量比單排光伏板上的風(fēng)荷載作為陣列光伏板的風(fēng)荷載的平板網(wǎng)架總用鋼量減少44.2 t。

5 結(jié)語

本文通過計算風(fēng)工程的方法對光伏板風(fēng)荷載體型系數(shù)進行了研究，首先對陣列光伏板在不同風(fēng)向角下的遮擋效應(yīng)進行分析，然后對比考慮遮擋效應(yīng)的陣列光伏板的平板網(wǎng)架和不考慮遮擋效應(yīng)的陣列光伏板的平板網(wǎng)架的用鋼量區(qū)別，可以得到以下結(jié)論：

1)仰角10°的陣列光伏板第一排光伏板在各個風(fēng)向角下的體型系數(shù)和單塊仰角10°的光伏板在各個風(fēng)向角下的體型系數(shù)基本相同，陣列光伏板的下游光伏板對迎風(fēng)第一排光伏板體型系數(shù)影響不大。

2)陣列光伏板上游光伏板對下游光伏板存在明顯干擾效應(yīng)，迎風(fēng)第一排光伏板所受的風(fēng)荷載最大，迎風(fēng)前排光伏板對后排光伏板存在遮擋效應(yīng)。仰角10°的光伏板隨著排數(shù)增加體型系數(shù)逐排減小，從第三排光伏面板開始體型系數(shù)趨于穩(wěn)定。

3)根據(jù)算例結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果，考慮遮擋效應(yīng)的陣列光伏板的平板網(wǎng)架桿件單元和螺栓球節(jié)點的總用鋼量比單排光伏板上的風(fēng)荷載作為陣列光伏板的風(fēng)荷載的平板網(wǎng)架用鋼量減少9.7%。