趙文舉，劉貴元，虎軍宏，胡家珍

（蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州730050）

西北戈壁地區(qū)的有效風能密度高于200 W/m2，年可用時數(shù)超過5 000 h，平均年太陽輻射量達6 500 MJ/m2，風、光能資源十分豐富，是中國陸地風能開發(fā)潛力最高[1]和光能資源最豐富[2]的地區(qū)之一.但強烈的風吹日曬加劇了水的蒸發(fā)，限制著當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展，常兆豐等[3]的研究指出戈壁光伏電站兼有調(diào)節(jié)地表熱力平衡和防風治沙的作用.因此，分析光伏陣列的防風效果，對戈壁地區(qū)光伏電站建設和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有切實的指導意義.

一方面，國內(nèi)外學者就光伏陣列的風荷載特點進行了大量研究.SHADEMAN等[4]指出陣列選擇適宜的縱向間距可以利用遮蔽效果來減小升力；WARSIDO等[5]分析了間距對光伏陣列風荷載的影響，研究指出風荷載系數(shù)隨著光伏板之間縱向間距的增加而增加；高亮等[6]的研究發(fā)現(xiàn)光伏板風荷載對其傾角變化敏感且隨傾角的增大而增大；周煒等[7]針對光伏板正向、背向風荷載的極限工況，分析了其在不同高度、傾角、間距布置下的風荷載及折減特性.JUBAYER等[8]研究了單列5塊光伏板在不同迎風角度下的風荷載，結果表明：在迎風角度為0°和180°時，第1排承受最大的升、阻力，而在迎風角度為45°和135°時，光伏板承受最大的傾覆力矩.另一方面，國內(nèi)外學者對常見風障的防風效果進行了大量研究.LI等[9]研究指出圍欄的高度和孔隙率是控制流動結構和遮蔽效果的最重要因素；李家樂等[10]就擋風墻的防風效果進行了仿真研究，研究表明3 m和5 m擋風墻背風側(cè)風速分別從0呈三角形和矩形趨勢逐漸增加；沈廣旭等[11]研究了3種孔隙率防風柵的擋風效果,結果表明：隨著防風柵孔隙率的增加，防風柵對風壓的減弱效果變差；張凱等[12]用數(shù)值模擬方法分析了三道連續(xù)HDPE板沙障的合理間距問題，研究表明:孔隙率一定時，入口風速越大，HDPE板沙障有效防護距離越小.

綜上所述，國內(nèi)外學者對光伏陣列風荷載特點和常見風障的防風效果進行了大量研究，為文中的研究積累了許多借鑒之處，但對于光伏陣列的防風效果鮮有研究.為此，文中采用三維數(shù)值模擬的方法，分析人字形光伏陣列的抗風載能力和防風效果，以期為戈壁光伏陣列布設和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論指導.

1 方法

1.1 幾何模型

根據(jù)ALY[13]的研究，尺縮效應會造成試驗與模擬得到的光伏板峰值荷載不一致，故文中采用原型尺寸建模.借鑒某型號光伏板的尺寸及布置參數(shù)，用UG 10.0建立由9塊長（l）×寬（b）×厚（t）為2 m×1 m×0.05 m的光伏板組成離地高度M為0.20 m、陣列距離D為2 m、安裝傾角a為30°、陣列角度A為30°布置的人字形光伏陣列模型.根據(jù)FRANKE等[14]創(chuàng)建的《建筑物環(huán)境中CFD模擬指南》，確定計算域尺寸：記光伏板頂緣高度為H，則陣列前緣5H處為入口邊界，后緣15H處為出口邊界，兩側(cè)5H處為壁面邊界，頂部5H處為頂部邊界，計算并用SpaceClaim軟件創(chuàng)建的計算域尺寸為21.82 m×17.00 m×4.24 m，計算域及參數(shù)示意圖見圖1.

1.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，采用了以下方法：為較好捕捉到尺寸漸進和局部特征，全局網(wǎng)格的尺寸控制函數(shù)選用逼近與曲率函數(shù)；為減少四面體網(wǎng)格的數(shù)量，組件網(wǎng)格采用Cut Cell劃分方法；使用邊界層網(wǎng)格與局部尺寸函數(shù)對光伏板和底面附近網(wǎng)格進行局部優(yōu)化[15].劃分得到5 838 369個網(wǎng)格節(jié)點，5 431 865個計算單元.計算域網(wǎng)格剖視圖見圖2.

1.3 數(shù)值模型

使用Fluent非定常求解器進行三維原型仿真分析.有研究表明，SSTk-ω湍流模型在研究傾斜板附近流場方面優(yōu)于Realizablek-ε模型[5]，且RANS比LES更能準確描述流動分離和遮蔽效應[16]，故采用SSTk-ω湍流模型求解基于雷諾平均的Navier-Stokes方程的方法.趙文舉等[17]指出，當粒徑超過10 mm后削弱度基本不變，文中取底面邊界為10 mm的無滑移固定邊界；根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，速度入口分別取10 m/s和15 m/s，自由壓力出口；指定材料屬性，監(jiān)控光伏板上表面升、阻力系數(shù)，使用Hybrid方法初始化.時間步長取0.2 s，迭代50步，每步最大迭代次數(shù)為40次.

2 結果與分析

首先通過分析光伏板上表面壓力和計算域特征高度的風速分布，定性描述該陣列光伏板風壓承載狀況和計算域特征高度風速特點；然后分別對光伏板承受的風壓力和特征高度的風速值進行統(tǒng)計學分析，以定量表征該布置下光伏陣列的抗風載能力和防風效果.

2.1 風壓和風速分布

由于模型和來流條件均具有嚴格的對稱性，故只需取陣列一側(cè)作為研究對象；且此來流條件下光伏板最可能從上表面開始破壞，故只需研究其上表面的風壓分布特點.圖3a，3b分別為10 m/s和15 m/s風速下，第1—5排光伏板上表面壓力p云圖.可以發(fā)現(xiàn)：最大正壓均出現(xiàn)在光伏板前緣偏外側(cè)區(qū)域，即陣列底部翼型連線上，最大負壓出現(xiàn)在光伏板左側(cè)區(qū)域，即陣列內(nèi)側(cè)翼型連線上；極端正壓和極端負壓區(qū)域面積均隨著排數(shù)的增加而減?。皇着殴夥宄惺茌^高風壓力，起到保護其他排的作用，即出現(xiàn)“雁陣效應”.

分別取安裝高度一半、安裝高度、光伏板中心高度和光伏板頂緣高度的特征截面，即離地0.10，0.20，0.45，0.70 m處的風速為研究對象，以特征截面的風速反映計算域空間上的風速分布特點.圖4為10 m/s和15 m/s下各截面的風速等值線圖.一方面，等值線的疏密程度能夠反映風速在空間上的變化情況：在光伏板附近等值線密集，風速急劇變化；另一方面，等值線的值反映各級風在空間上的分布情況：來風在通過人字形陣列時銳減，在陣列后形成近金字塔形的風速衰減區(qū)，證實了此布置方式具有較好的防風效果；在陣列外側(cè)形成局部風速激增區(qū)，可能是由于出現(xiàn)雁陣效應后，光伏板的導流作用加速了陣列外側(cè)區(qū)域的空氣流動.

2.2 抗風載能力

為進一步量化分析陣列抗風載能力，在每塊光伏板上用矩形網(wǎng)格法按0.4 m的等間距取3×5個監(jiān)測點，分別用風壓承載率和風壓區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)直觀表示光伏板整體和局部的風壓承載狀況，以反映該光伏陣列不同位置的抗風載能力.

其中，風壓承載率計算方法見式（1），風壓承載率越小，表明該排光伏板的承載狀況越好，即該處的抗風載能力越小.

（1）

式中：ηi為第i排的風壓承載率；Pi為第i排的平均壓力.

現(xiàn)將各排光伏板的風壓力描述性統(tǒng)計特征列入表1，其中v為風速，i為排數(shù)，SP為壓力標準差，e為變異系數(shù).可以發(fā)現(xiàn)：第1排承受最大的風壓力，第2—5排需要的抗風載能力顯著小于第1排且逐排減?。寒旓L速為10 m/s時，第2—5排的抗風載能力分別僅是第1排的51.09%，46.52%，36.56%和29.90%；當風速為15 m/s時，第2—5排的抗風載能力分別僅是第1排的49.44%，44.71%，37.09%和29.26%.風速為10 m/s和15 m/s時，第1—5排變異系數(shù)均逐漸增大，光伏板表面的風壓不均勻度逐排增加，故有必要進一步分析光伏板表面風壓的局部特點.

表1 各排光伏板的風壓力描述性統(tǒng)計特征

為分析光伏板表面風壓的局部差異性，將各排光伏板上監(jiān)測點|P|按20 Pa的間隔劃分為不同的風壓區(qū).統(tǒng)計各風壓區(qū)的監(jiān)測點數(shù)，得到如圖5a，5b的各排風壓區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)統(tǒng)計圖.可以發(fā)現(xiàn)：風速為10 m/s和15 m/s時，第1排0～20 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)均遠小于其他排，承受較大的風壓力.當風速為10 m/s，第1排40～60 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)遠大于其他排；當風速為15 m/s時，第1排120～140 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)遠大于其他排.首排光伏板對后排光伏板均起到保護作用，且極大壓力區(qū)均隨排數(shù)的增加而顯著減小，故實際建設中只需采取局部加固的方法即可提高光伏陣列整體的抗風載能力.

2.3 防風效果

（2）

式中：ηd為風速殘余系數(shù)；v計算為風場中任意點處風速；v初始為入口風速，此例為10 m/s.

表2 計算域不同高度風速的描述性統(tǒng)計特征

由表2可知，各工況下計算域內(nèi)的平均風速殘余系數(shù)ηd均隨離地高度的增加而增大：當風速為10 m/s時，在離地0.10 m處，計算域內(nèi)的平均風速殘余系數(shù)最小，隨著高度的增加，計算域內(nèi)平均風速殘余系數(shù)分別增加3.75%，3.77%和3.18%；當風速為15 m/s時，在離地0.10 m處，計算域內(nèi)的平均風速殘余系數(shù)最小，隨著高度的增加，計算域內(nèi)平均風速殘余系數(shù)分別增加4.46%，5.79%和3.76%.可能是由于陣列的防風效果由遮蔽效果和導流效果構成，隨著高度的增加，導流效果逐漸增強，導致光伏陣列計算域內(nèi)的防風效果隨著高程的增加而減弱.在離地0.10 m處，平均風速殘余系數(shù)均是最小的，說明此布置對光伏板安裝高度以下空間具有良好的防風效果.在離地高度從0.20 m增加到0.45 m的過程中，平均風速殘余系數(shù)增量最大，這是因為光伏板沿陣列方向的導流效果驟增，本計算方法將陣列兩側(cè)區(qū)域的風速值也考慮在內(nèi)，故計算域平均風速會有顯著提高.在離地高度從0.45 m增加到0.70 m的過程中，陣列計算域內(nèi)的平均風速殘余系數(shù)增量較小，這是因為光伏板沿陣列方向的導流效果變化不顯著.

各工況下風速分布均表現(xiàn)出中等變異性.當風速為10 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.70，0.10 m；當風速為15 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.10，0.70 m.分析認為是由于在0.20 m處，出現(xiàn)“雁陣效應”，在陣列外側(cè)形成風速激增區(qū)，導致計算域風速分布的差異性驟增；在離地高度從0.20 m增加到0.70 m的過程中，由于導流效果增強，防風效果減弱，計算域風速均有所提高，故變異系數(shù)逐漸減小.

3 結 論

通過基于雷諾平均的三維非定常數(shù)值模擬試驗，分析了安裝傾角、高度、陣列角度和間距分別為30°，0.20 m，30°和2 m人字形光伏陣列在10 m/s和15 m/s的迎風條件下的抗風載能力和防風效果，得到以下結論：

1） 最大正壓和最大負壓區(qū)分別位于陣列底部、內(nèi)側(cè)翼型連線上，且面積均隨著排數(shù)的增加而減??；首排光伏板相較于后排承受較高風壓力，陣列出現(xiàn)“雁陣效應”.在人字形陣列后形成近金字塔形的風速衰減區(qū)，具有較好的防風效果；在陣列外側(cè)形成局部風速激增區(qū)，光伏板的導流作用加劇了陣列外側(cè)區(qū)域的空氣流動.

2） 當風速為10 m/s和15 m/s時，首排光伏板均承受最大的風壓力，第2—5排需要的抗風載能力顯著小于首排且實現(xiàn)逐排減小趨勢；第1—5排變異系數(shù)均逐漸增大.將|P|以20 Pa的間隔劃分為不同風壓區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)：第1排極小壓力區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)遠小于其他排，而極大壓力區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)遠大于其他排，首排光伏板對后排光伏板均起到保護效果，且極大壓力區(qū)均隨排數(shù)的增加顯著減小，故實際建設中只需采取局部加固的方法即可提高光伏陣列整體的抗風載能力.

3） 當風速為10 m/s和15 m/s時，計算域內(nèi)的平均風速殘余系數(shù)均隨離地高度的增加而增大，風速分布均表現(xiàn)出中等變異性的特征.在離地高度從0.20 m增加到0.45 m的過程中，風速殘余系數(shù)增量分別達到極大值3.77%和5.79%；當風速為10 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.70，0.10 m；當風速為15 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.10，0.70 m.分析得出是由于陣列的防風效果由遮蔽效果和導流效果構成，在離地高度從0.20 m增加到0.70 m的過程中，導流效果隨著高度的增加而增強，使得陣列整體防風效果隨著高程的增加而減弱.