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        雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的風(fēng)載仿真研究

        2021-11-30 08:01:37沈勝伊董春穎
        科學(xué)與生活 2021年2期
        關(guān)鍵詞:仿真分析光伏發(fā)電

        沈勝伊 董春穎

        摘要:光伏發(fā)電設(shè)備的抗風(fēng)能力對其安全性、使用壽命和制造成本有直接影響。目前,發(fā)電效率最高的光伏設(shè)備是二維跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備始終跟蹤太陽的方位和仰角運(yùn)動(dòng),最大限度保證光伏板垂直于光照方向。跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備比固定式結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,隨著光伏板跟蹤太陽旋轉(zhuǎn),所受風(fēng)載也隨之不斷變化。本文主要研究:(1)采用有限元法進(jìn)行流固耦合仿真,對不同姿態(tài)角的跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行風(fēng)載仿真。研究了風(fēng)載隨姿態(tài)角的變化規(guī)律,分析了特定姿態(tài)角產(chǎn)生最大風(fēng)載的原因。(2)通過風(fēng)力矩測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對實(shí)測值和仿真值進(jìn)行對比,驗(yàn)證上述仿真方法及結(jié)論的正確性。

        關(guān)鍵詞:風(fēng)載荷,仿真分析,跟蹤式,光伏發(fā)電

        一.研究背景

        雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備是本文的研究對象。它有兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸,分別旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的方位和仰角,保持光伏板始終跟蹤太陽運(yùn)動(dòng),發(fā)電效率較固定式提高35%左右。它的最大跟日風(fēng)速為14m/s,極限抗風(fēng)風(fēng)速為28m/s。

        跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備具有特殊的工作環(huán)境和跟日結(jié)構(gòu),由于該設(shè)備的光伏板一直跟蹤太陽運(yùn)動(dòng),所以風(fēng)載荷最復(fù)雜。本文采用計(jì)算流體力學(xué),以流體力學(xué)為基礎(chǔ),以數(shù)值計(jì)算為工具,對流動(dòng)問題進(jìn)行分析的方法。

        目前,跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備存在一些問題:減速器驅(qū)動(dòng)扭矩過小,設(shè)計(jì)扭矩與實(shí)際工作扭矩不符。在大風(fēng)天氣下,減速器經(jīng)常過載工作,需要定期維修減速器;

        本文的研究目的是解決跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備減速器容易過載工程實(shí)際問題,對該設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)有工程指導(dǎo)意義。

        二.風(fēng)力和風(fēng)力矩定義

        風(fēng)載荷作用在物體上的力一般可簡化為風(fēng)力和風(fēng)力矩,根據(jù)坐標(biāo)系可簡化為3個(gè)力和3個(gè)力矩。參考天線結(jié)構(gòu)風(fēng)力體軸坐標(biāo)系[1],本文建立以跟日減速器軸線為基準(zhǔn)的體軸坐標(biāo)系。對處于三維空間中的風(fēng)力,通常用、和三軸分別表示空間中的風(fēng)力方向。體坐標(biāo)系的六個(gè)分量為:

        軸向力,沿設(shè)備軸線方向;

        橫向力,沿設(shè)備軸線方向;

        橫向力,沿俯仰軸方向,與地面垂直;

        翻滾力矩,力矩軸線與軸線一致;

        俯仰力矩,力矩軸線與軸線一致,與俯仰減速器旋轉(zhuǎn)軸同軸;

        橫向力矩,力矩軸線與軸線一致,與回轉(zhuǎn)減速器旋轉(zhuǎn)軸同軸;

        軸向力、橫向力和橫向力可合并為風(fēng)合力。

        三.光伏板風(fēng)載荷仿真建模

        根據(jù)跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的幾何參數(shù),建立了幾何模型和流體域,本文模型為兩個(gè)長8.0m×1.9m×0.04m的平板,確定流體域的尺寸為:70 m×55 m×25 m,模型中心距地面高度為 4.2 m,風(fēng)的入口面距模型中心距離為 20 m;對仿真模型劃分了合適的網(wǎng)格,在流速變化大的位置網(wǎng)格劃分更密,提高計(jì)算精度;根據(jù)實(shí)際的流體風(fēng)環(huán)境,設(shè)置選用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型,流體域材料為空氣,設(shè)定法向入口風(fēng)速為14m/s,氣溫20℃且絕熱,參考?xì)鈮簽?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,流體視為不可壓縮流體;根據(jù)仿真模型的特點(diǎn),選擇流固耦合求解器;最后通過后處理計(jì)算,得到了各種姿態(tài)角的風(fēng)力和風(fēng)力矩。

        四.各種姿態(tài)角光伏板的風(fēng)載荷分析

        因?yàn)楣夥迨冀K跟蹤太陽旋轉(zhuǎn),所以其迎風(fēng)角一直在變化。通過仿真后處理,計(jì)算得到各種姿態(tài)角度光伏板的風(fēng)載荷。本節(jié)對風(fēng)載荷隨姿態(tài)角的變化規(guī)律、最大值和特定角度產(chǎn)生最大值的原因進(jìn)行了研究。

        根據(jù)各種姿態(tài)角度光伏板的仿真風(fēng)力和風(fēng)力矩,研究得到風(fēng)載荷的影響因素和變化趨勢;根據(jù)流體仿真,研究特定姿態(tài)角產(chǎn)生最大風(fēng)載荷的原因。主要得出一下結(jié)論:

        (1)各向風(fēng)力主要與力方向的迎風(fēng)投影面積有關(guān),風(fēng)力的形成原因是光伏板表面的壓差阻力,光伏板迎風(fēng)面阻礙流體通過形成正風(fēng)壓,背風(fēng)面尾流區(qū)形成負(fù)風(fēng)壓;

        (2)各向風(fēng)力矩主要與迎風(fēng)面積和特定角度的偏心風(fēng)載力有關(guān),風(fēng)力矩的形成原因是光伏板表面風(fēng)壓不均產(chǎn)生的偏心風(fēng)力和邊緣渦旋吸力;

        (3)在回轉(zhuǎn)角0°、俯仰角90°時(shí),迎風(fēng)面積最大,風(fēng)合力最大,最大值為5572N,該值是光伏板最大風(fēng)載力;

        (4)在回轉(zhuǎn)角0°、俯仰角30°時(shí),光伏板不均布的風(fēng)壓力,產(chǎn)生y軸方向的力矩,俯仰力矩最大,最大值為1649.2N·m,該值是俯仰減速器風(fēng)載扭矩;

        (5)在回轉(zhuǎn)角60°、俯仰角90°時(shí),光伏板不均布的風(fēng)壓力,產(chǎn)生z軸方向的力矩,橫向力矩最大,最大值為5084.4N·m,該值是回轉(zhuǎn)減速器風(fēng)載扭矩。

        五.光伏板風(fēng)載荷仿真計(jì)算的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        通過實(shí)驗(yàn)測量風(fēng)載荷,對風(fēng)載荷仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文在自然低風(fēng)速環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn):首先,采集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場低風(fēng)速環(huán)境參數(shù),進(jìn)行風(fēng)載荷仿真;然后,實(shí)驗(yàn)測量跟日減速器的負(fù)載扭矩;最后,對比仿真風(fēng)力矩和實(shí)測風(fēng)力矩的相關(guān)性,驗(yàn)證低風(fēng)速風(fēng)載荷仿真正確性和流固耦合仿真方法的可行性。

        1.對比俯仰力矩的仿真值和實(shí)測值

        如圖1通過分析數(shù)據(jù):實(shí)驗(yàn)值的平均值為165.7N·m,最小值為53.8N·m,最大值為214.1N·m;仿真值的平均值為167.3N·m,最小值為33.5N·m,最大值為213N·m;仿真值與實(shí)測值的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.87,呈高度線性相關(guān)[2]。

        2.對比橫向力矩的仿真值和實(shí)測值

        如圖2通過分析表中數(shù)據(jù):實(shí)驗(yàn)值的平均值為378.5N·m,最小值為53.2N·m,最大值為604.7N·m;仿真值的平均值為377.9N·m,最小值為0.4N·m,最大值為724.4N·m;仿真值與實(shí)測值的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.85,呈高度線性相關(guān)[2]。

        六.結(jié)論

        本文研究了光伏板的風(fēng)載荷構(gòu)成、風(fēng)載荷理論計(jì)算方法和風(fēng)流動(dòng)特性,為分析風(fēng)載荷提供理論基礎(chǔ)。建立了風(fēng)載荷模型,使用流固耦合仿真方法,對不同姿態(tài)角度的跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行了風(fēng)載荷仿真分析。通過分析仿真數(shù)據(jù),研究了風(fēng)載荷隨姿態(tài)角變化的規(guī)律。通過流場及風(fēng)壓仿真圖,分析了特定角度產(chǎn)生最大風(fēng)載荷的原因。在現(xiàn)有設(shè)備上,安裝了一套風(fēng)力矩測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對比分析風(fēng)力矩的實(shí)測值和仿真值,驗(yàn)證了仿真方法的可信性。

        本研究通過使用COMSOL Multiphysics軟件的流固耦合模塊,仿真得到了光伏板風(fēng)載荷,模擬了實(shí)際風(fēng)壓的分布特性,通過實(shí)驗(yàn)基本證實(shí)了該仿真建模方法的可信性和可行性。本文的風(fēng)載荷仿真方法對光伏設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)有工程指導(dǎo)意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]李在貴.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].第一版.高等教育出版社,1986.

        [2]楊帆,馮翔,阮羚等.基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)法的水樹枝與超低頻介損的相關(guān)性研究[J].高壓電器,2014,50(06):21-25+31.

        1.沈陽佳曄能源科技股份有限公司 遼寧沈陽 110000;

        2.沈陽飛亞水藝園景工程有限公司 遼寧沈陽 110000

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