陳昌宏 ,張小霞,肖 斌,柏松林,黃 鶯,朱彥飛

(1.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710012；2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710068；4.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安 710055；5.教育部結(jié)構(gòu)工程與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710055)

0 前 言

隨著不可再生能源儲(chǔ)量的減少和清潔能源需求的增加，綠色建筑和低碳節(jié)能的理念越來越受到關(guān)注，推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)的興起。光伏組件是增長最快、最受歡迎的可再生能源系統(tǒng)，中國在太陽能光伏、風(fēng)能和水電方面的海外投資首次占“一帶一路”計(jì)劃海外能源投資總額的一半以上，并超過化石能源投資[1]。目前除了日本的JIS-8955規(guī)范(JPEA 2019)[2]外，光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有規(guī)范，而采用其他建筑規(guī)范用于粗略估算荷載，其設(shè)計(jì)結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致保守或不安全。因此，缺乏具體的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)指南成為降低光伏成本和推廣其應(yīng)用的阻礙因素[3]。近幾十年來，研究大氣邊界層下光伏系統(tǒng)的氣動(dòng)特性主要有兩種方法。一是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。自20世紀(jì)80年代以來，人們廣泛開展了風(fēng)洞試驗(yàn)，Warsido[4]等人研究了間距參數(shù)對(duì)太陽能光伏板風(fēng)荷載的影響。Bogdan和Creu[5]將羅馬尼亞、德國、歐洲和美國的風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范與光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。二是基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的數(shù)值分析技術(shù)[6-7]。丁曉勇[8]等人研究了太陽能光伏跟蹤系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。Jubayer和Hangan[9]研究了在不同風(fēng)向下風(fēng)對(duì)地面安裝獨(dú)立光伏系統(tǒng)的影響。Reina和De Stefano[10]對(duì)高展弦比地面安裝光伏板的風(fēng)荷載進(jìn)行了CFD研究。王迎春[11]等人研發(fā)設(shè)計(jì)了一種裝配式鋁合金光伏支架。Li等人采用雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方法研究了安裝在建筑物屋頂上光伏陣列的風(fēng)壓分布[12-15]。

本文基于CFD數(shù)值分析技術(shù)，建立15個(gè)數(shù)值計(jì)算模型來描述雙軸太陽能光伏板陣列結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性，通過設(shè)置光伏板的旋轉(zhuǎn)角度和風(fēng)向等參數(shù)，研究風(fēng)場(chǎng)對(duì)雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)的影響，分析光伏支架縱向和水平間距對(duì)風(fēng)場(chǎng)的干擾效應(yīng)，以確定面板承受最小風(fēng)荷載的最佳距離。

1 CFD數(shù)值模型

1.1 模型參數(shù)

本文基于CFD數(shù)值分析，全比例1∶1幾何建模，由25個(gè)雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)組成，分為5行5列，共采用40塊光伏板，長10 200 mm，寬7 884 mm，光伏組件的規(guī)格如表1所示。風(fēng)場(chǎng)尺寸為長180 m，寬200 m，高40 m(見圖1(a))，第一排與入口邊界距離為20 m，當(dāng)縱向間距為20 m時(shí)，出口邊界設(shè)置在最后一排后面80 m(見圖1(b))。

表1 光伏組件的規(guī)格

光伏板傾角隨太陽位置的變化而變化，傾角的旋轉(zhuǎn)范圍通常在-70°～70°。為了確定最不利風(fēng)向，對(duì)傾角45°，風(fēng)速22 m/s，風(fēng)向分別為0°、45°、90°、135°和180°進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬?？紤]到不同建筑場(chǎng)地各種因素的影響，CFD數(shù)值模型中設(shè)置了3個(gè)水平間距(1、2、3 m)和3個(gè)縱向間距(10、15、20 m)，以考慮不同間距對(duì)光伏板陣列氣動(dòng)特性的影響。CFD模擬案例見表2。

表2 CFD模擬案例

1.2 邊界條件和假設(shè)

如圖2所示，入口邊界采用V=22 m/s的均勻恒定流入速度，出口邊界采用零壓出口，光伏板壁面和風(fēng)場(chǎng)底部均采用無滑移光滑邊界條件，風(fēng)場(chǎng)上部和側(cè)面采用對(duì)稱邊界條件。

圖2 面板傾斜和風(fēng)向示意

由于風(fēng)場(chǎng)假設(shè)為不可壓縮材料，采用k-ωSST數(shù)值模型研究湍流模式下雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)的氣動(dòng)特性，在k-ωSST中引入了湍流動(dòng)能k與湍流耗散率ω方程：

(1)

(2)

公式(2)中:Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2。

(3)

(4)

(5)

在本CFD模擬中，默認(rèn)常數(shù)為：cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σe=1.3模型中風(fēng)場(chǎng)參數(shù)如表3所示。

表3 風(fēng)場(chǎng)參數(shù)

雷諾數(shù)：

(6)

湍流強(qiáng)度：

I=0.16×(Re)-1/8=0.024

(7)

湍流粘度比：

μ/v=1.225

(8)

2 結(jié)果討論

2.1 風(fēng)壓測(cè)量

當(dāng)風(fēng)吹向光伏板時(shí)，風(fēng)場(chǎng)在光伏板前緣分離并繞其流動(dòng)，從而導(dǎo)致面板上下表面壓力不平衡。將CFD分析得到的壓力數(shù)據(jù)通過參考動(dòng)壓力進(jìn)行歸一化，以獲得如下無量綱壓力系數(shù)[16]：

(9)

公式(9)中:Cpi為位置i處的無量綱壓力系數(shù)；pi為光伏板表面位置i處測(cè)得的壓力；p0為參考高度處的平均靜壓；ρ為空氣密度，V為光伏板平均高度測(cè)得的平均風(fēng)速，光伏板平均高度等于雙軸跟蹤光伏支架的柱高。總凈壓力系數(shù)Cpi,tot為同一位置上頂部表面的Cpi和底部表面的Cpi之間的差值：

Cpi,tot=Cpi,top-Cpi,bottom

(10)

方程式(11)和(12)采用了阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)[17]。

CD=∑Cpi,totAisinθ/A

(11)

CL=∑Cpi,totAicosθ/A

(12)

式中:Ai是與Cpi相關(guān)的面積，m2;A是所有光伏板的總表面積，m2;θ是光伏板的傾角,(°)。

2.2 傾角對(duì)面板風(fēng)壓的影響

如圖3所示，給出了用于評(píng)估雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)氣動(dòng)特性4個(gè)傾角(θ=0°、30°、45°、70°)下的風(fēng)壓結(jié)果。CFD工況中有4個(gè)不變參數(shù)，即風(fēng)向0°，風(fēng)速22 m/s，縱向間距10 m，水平間距1 m。光伏板風(fēng)壓隨傾角的增大而增大，傾角70°時(shí)風(fēng)壓達(dá)到最大，傾角0°時(shí)風(fēng)壓最小。光伏系統(tǒng)的風(fēng)壓從中間向兩側(cè)逐漸減小，中間光伏板的風(fēng)壓最高，與其他排相比，第一排是光伏板的關(guān)鍵排，因?yàn)樗惺茏畲蟮娘L(fēng)荷載，并作為一個(gè)屏障頂風(fēng)。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，傾角越大，屏蔽效果越明顯。

圖3 4個(gè)面板傾斜時(shí)的面板風(fēng)壓等值線

圖4分別顯示了傾角θ=0°、θ=30°、θ=45°和θ=70°時(shí)光伏板的阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)分布。就單個(gè)阻力系數(shù)曲線而言，它呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，當(dāng)傾角為0°時(shí)，阻力系數(shù)在零附近浮動(dòng)(見圖4(a))。升力系數(shù)除了在傾角0°時(shí)徘徊在零度外，呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)(見圖4(b))。需要注意的是，阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)在第二排急劇變化，而在其余排變化平緩，這為劃分風(fēng)荷載區(qū)域的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖4 面板傾斜時(shí)阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)分布

2.3 風(fēng)向?qū)γ姘屣L(fēng)壓的影響

由于風(fēng)的流動(dòng)不僅限于一個(gè)方向，對(duì)不同的風(fēng)向角進(jìn)行建模，以確定特定面板傾角的臨界風(fēng)向。對(duì)風(fēng)向α=0°(圖5a)、45°(見圖5(b))、135°(見圖5(c))和180°時(shí)(見圖5(d))，分別給出縱向間距L=10 m、水平間距H=1 m的風(fēng)壓分布。將本研究與Warsido等人進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行比較，風(fēng)壓分布大致相似。值得注意的是，90°風(fēng)向(見圖5(c))的風(fēng)壓值在零附近波動(dòng)，原因是來自流場(chǎng)入口的風(fēng)直接通過光伏模型，對(duì)面板幾乎沒有影響。0°風(fēng)向的第一排風(fēng)壓高于45°風(fēng)向，135°和180°風(fēng)向的結(jié)果相同，這是因?yàn)閬碜粤鲌?chǎng)入口的所有風(fēng)不會(huì)直接吹到第一排光伏板上，部分風(fēng)在45°風(fēng)向的第2～5排和135°風(fēng)向的第1～4排流動(dòng)。從0°和45°風(fēng)向的風(fēng)壓等值線可以看出，45°風(fēng)向下第2～5排風(fēng)壓高于0°風(fēng)向，135°風(fēng)向下第1～4排風(fēng)壓高于180°風(fēng)向。從圖5(a)中可以看出，0°風(fēng)向時(shí)第2～5排風(fēng)壓完全位于第1排的尾跡中，而且光伏板的流線和風(fēng)壓圍繞穿過排中心的軸線對(duì)稱，180°風(fēng)向(見圖5(e))時(shí)也觀察到類似的結(jié)果。對(duì)于45°風(fēng)向(見圖5(b))，排之間的風(fēng)流動(dòng)導(dǎo)致2～5排周圍的風(fēng)壓高于0°、180°風(fēng)向，對(duì)于135°風(fēng)向，第1～4排也呈現(xiàn)相同的現(xiàn)象(見圖5(d))。

圖5 5個(gè)風(fēng)向的面板風(fēng)壓等值線

為了更好地表示光伏板的氣動(dòng)特性，分別繪制了光伏板第1～5排的阻力和升力系數(shù)曲線，如圖6所示。從單個(gè)系數(shù)分量來看，180°風(fēng)向?qū)ψ畲驝L(見圖6(b))至關(guān)重要，0°風(fēng)向?qū)ψ畲驝D(見圖6(a))至關(guān)重要。對(duì)于0°和45°風(fēng)向，在第2排觀察到最小系數(shù)(阻力和升力)，對(duì)于135°風(fēng)向，在第3排觀察到最小系數(shù)，對(duì)于180°風(fēng)向，在第1排觀察到最小系數(shù)。

圖6 5個(gè)風(fēng)向阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)分布

2.4 間距對(duì)面板風(fēng)壓的影響

2.4.1縱向間距

為了研究縱向間距對(duì)光伏板氣動(dòng)壓力的影響，分別在縱向間距為L=10、15 m和20 m時(shí)進(jìn)行了三維CFD模擬。模型和風(fēng)場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置保持不變，只改變縱向間距。如圖7所示，不同縱向間距在同一位置的面板風(fēng)壓分布不同，與第3.2節(jié)中的結(jié)果類似，原因是迎面而來的氣流中大部分能量被第一排面板消散，導(dǎo)致風(fēng)速顯著降低。

圖7 不同縱向間距下面板風(fēng)壓和無量綱壓力系數(shù)等值線

為了進(jìn)一步解釋光伏板上風(fēng)壓分布差異的原因，圖8給出了不同縱向間距時(shí)的壓力系數(shù)分布，可以看出，縱向間距對(duì)光伏板的風(fēng)壓分布有顯著影響，尤其在間隙區(qū)域，可以觀察到，縱向間距的增加導(dǎo)致第一排光伏板壓力系數(shù)降低，而其余光伏板壓力系數(shù)增大。由于縱向間距的增大，第一排壓力系數(shù)(5%)的減小歸因于板尾流中流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化，隨著縱向間距的增加，更多的氣流通過間隙，導(dǎo)致第一排屏蔽效果減弱。

圖8 不同縱向間距下的無量綱壓力系數(shù)

2.4.2水平間距

當(dāng)風(fēng)向?yàn)?°時(shí)，不同水平間距的光伏板風(fēng)壓如圖9所示。可以看出，第一排風(fēng)壓不受水平間距的影響，但當(dāng)水平間距參數(shù)設(shè)置為3個(gè)值(1、2、3 m)時(shí)，同一位置的其余面板風(fēng)壓狀態(tài)不同。

為了進(jìn)一步了解面板周圍的流體流動(dòng)，圖10給出了不同水平間距的壓力系數(shù)分布。隨著水平間距的增大，第一排光伏板壓力系數(shù)幾乎沒有變化，其余光伏板壓力系數(shù)逐漸上升，這是由于水平間距的增大使得通過縫隙的氣流增大。此外，當(dāng)水平間距從2 m變?yōu)? m時(shí)，壓力系數(shù)值的上升幅度大于從1 m變?yōu)? m。當(dāng)水平間距逐漸增大時(shí)，整個(gè)模型的風(fēng)阻將變得更差，每個(gè)光伏支架將成為一個(gè)單獨(dú)的支架，直接承受來自流場(chǎng)入口的風(fēng)。因此，在設(shè)計(jì)雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮光伏支架水平間距對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響。

圖10 不同縱向間距下的無量綱壓力系數(shù)

3 結(jié) 論

采用剪切應(yīng)力傳輸(SST)k-ω?cái)?shù)值模型對(duì)雙軸太陽能光伏跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，旨在更好地了解光伏板的風(fēng)效應(yīng)和空氣動(dòng)力特性的變化規(guī)律。基于對(duì)光伏板陣列的數(shù)值分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)由于在整個(gè)雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)向?yàn)?°時(shí)，第一排的光伏板起到了防風(fēng)的作用，因此所承受的風(fēng)壓分布不均勻，第一排光伏板風(fēng)壓高于其他排的風(fēng)壓。此外，0°風(fēng)向的第一排風(fēng)壓高于45°風(fēng)向，135°和180°風(fēng)向的結(jié)果相似。45°風(fēng)向的第2-5排的風(fēng)壓高于0°風(fēng)向。同樣，135°風(fēng)向的第1～4排風(fēng)壓高于180°風(fēng)向。最大CL的臨界風(fēng)向?yàn)?80°，最大CD的臨界風(fēng)向?yàn)?°。

(2)隨著光伏板傾角的增加，光伏板的風(fēng)壓呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

(3)縱向間距的增大導(dǎo)致第一排光伏板的壓力系數(shù)降低，而其余光伏板上的壓力系數(shù)升高。隨著光伏系統(tǒng)水平間距的增加，第一排光伏板上的壓力系數(shù)幾乎沒有變化，但其余幾排光伏板上的壓力系數(shù)都在上升。