一类光伏电站架构体系的风荷载特性及折减分析

周 ,*

(1.南京工业大学工程力学系,南京 210009; 2.羲和太阳能电力有限公司,南京 210012)

0 引 言

太阳能是一种可再生能源,具有清洁无污染,取之不尽,用之不竭等优点,因此相关新型工程结构引起工程人员的重视[1-2]。光伏发电已成为全球绿色能源开发利用组成中的重要部分[3-4],杨金焕等根据天空散射辐射各向异性的Hay模型,在倾斜面上辐射量的基础上推导得到了冬半年朝向赤道倾斜面最佳倾角的数学表达式[5-6]。丁明等运用粒子群算法求解以最大发电量和最大收益为目标的光伏阵列自身阴影损失的改进模型[7]。孙英云等在光伏阵列的隐互补模型基础上提出效用函数的光伏阵列I-U特性求解算法[8]。王晶晶等基于BSRN3000 太阳辐射观测系统近3年的全年度太阳能气象实测数据,分析了呼和浩特地区倾角可调式太阳能光伏板表面接收的太阳辐射,得出了半年调整是该地区的光伏板倾角调整的最适合方案[9]。

光伏板是光伏电站架构体系中直接承受风载荷的主要组件,风荷载是光伏电站架构体系中作用力最大的系统载荷,其研究手段主要围绕风洞试验和计算流体动力学(简称CFD)仿真两方面有效展开,风洞试验受到研究周期长、费用高等问题的限制,不易实施,CFD仿真倍受工程技术及科研人员的青睐[10]。Aly Mousaad等针对安装在具有两个倾斜面的屋顶太阳能构件风载荷分析,发现屋顶不同区域风载荷特性存在明显差异[11]。Cao等针对屋顶阵列光伏构件风载荷进行了系列风洞试验,寻找合适的建筑高度、屋顶结构和光伏板安装间距等参数[12]。牛斌等采用CFD方法分析光伏阵列所受风压,得到第一排光伏板为主要受力结构,其余阵列受首排保护受力较小[13]。阮辉等针对4.2 m安装间距的5块光伏阵列,进行了表面风荷载数值的CFD仿真,发现在电池板中间截面受到较大正负荷载作用,而靠近电池板边壁处受到较小正负荷载作用[14]。该研究在以上研究基础上采用CFD仿真分析了光伏阵列的风荷载折减规律,以及光伏板的高度、倾角和间隔对折减规律的影响。

CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件,是英国AEA Technology 公司为解决工业实际问题而开发,已用于光伏发电系统分析[13-14]。Standardk-ε模型自从被Launder和Spalding提出之后,就变成工程流场计算中主要的工具,它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。RNGk-ε模型在Standardk-ε模型的基础上进行了改进,考虑到了湍流漩涡,提高这方面的精度,目前有钝体绕流的低速风场,湍流模型一般选用RNGk-ε模型[15]。本文针对拉索式架构体系光伏电站结构,基于CFX 计算平台,采用RNGk-ε湍流模型,进行光伏板风荷载仿真计算,可为拉索式架构体系光伏电站架构体系的结构强度设计提供载荷依据。

1 控制方程

在结构风工程中,结构物处于各梯度低速风场中,因此采用不可压缩黏性流体模型[16]。若不考虑流场中温度变化,则可认为流体的动力学黏度μ和密度ρ为常数。在连续介质假设下,二维流场可通过下列基本方程描述[16]:

连续性方程

(1)

运动方程

(2)

本构方程

(3)

将式(3)带入式(2),并考虑式(1),得到Navier-Stokes方程

(4)

式中：vi,vj是流体速度矢量;xi,xj是平面坐标;fi为单位质量流受到的体积力矢量;pji,pij为流体压力的二阶张量;δij是克罗内克符号;前面变量的下标i,j是自由坐标,可取1,2,分别表示x,y;v为流体的运动黏度系数;ρ为流体密度;p为流体压力的非静力分量;t为时间;μ为动力学黏度系数。常温常压下(20 ℃,1个标准大气压),取空气的黏性系数μ=1.789 4×10-5kg/(m·s),密度ρ=1.225 kg/m3,式(4)和式(1)组成了求解vi和p的基本方程。

大涡模拟方法的主要思想是通过求解用滤波函数处理过的瞬时N-S方程来模拟大尺度涡,小尺度涡则通过求解附加方程得到[17]。在二维不可压缩湍流中,对于瞬时变量φ′有

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Standardk-ε和RNGk-ε湍流模型都属于基于雷诺平均法的涡黏模型[19]。Standardk-ε湍流模型主要考虑了湍流动能方程和湍动扩散率方程,并假定流场完全是湍流。RNGk-ε和Standardk-ε湍流模型很相似,相比Standardk-ε,它修正了湍动黏度,从而可以更好地处理湍流涡旋[15]。

2 力学建模

2.1 研究模型

本文采用的研究对象是如图1所示的拉索式光伏架构体系,图2是其几何三维模型。因为受风载的大部分是光伏板,所以可以将模型简化主要受风载荷的光伏板。选择一种具有代表性的光伏板,其尺寸为1.65 m×0.992 m×0.02 m,倾角为28°,前后距离为3.187 m,距地面高度为3 m,一排共12列光伏板,如图2所示。组件坐标系见图3,模型均以实际尺寸建立,所有计算模型阻塞比满足数值模拟计算要求,阻塞比表示模型中风道截面上的投影面积与风道截面积之比[20-22]。

图1 光伏架构体系Fig.1 Photovoltaic structural system

图2 光伏架构体系三维模型图Fig.2 3D model of Photovoltaic structural system

图3 光伏板模型示意图Fig.3 Diagram of photovoltaic panels

2.2 网格划分与边界条件

网格划分时把流场分成属于一个部件的三个部分,中间部分,流体的变化比较复杂,特别是靠近阵列板的部分,该区域采用膨胀网格,在板的长方向设置60个节点,宽方向设置3个节点,如图4所示。中间部分一共存在70万个节点,网格250万。上下两区域采用multizone网格,网格尺寸设置为0.2 m,节点21.6万,网格38万,如图5所示。在单元的一些特定点上计算出雅可比矩阵行列式,最大值跟最小值的比率就是雅克比值,值为1最好,值越大就说明单元越扭曲。基于一个给定单元的体积与边长间的比率就是网格质量值。其值处于0和1之间,0为最差,1为最好。这里流场网格的雅克比平均值1.1,网格质量平均值0.7,网格质量符合要求。

图4 光伏板局部网格划分Fig.4 Local grid partition of photovoltaic panels

图5 流场网格划分Fig.5 Grid partition of flow field

边界条件设置,流体材料设为空气,密度为1.225 kg/m3,入口处平均风速根据建筑设计规范,取十级风速20 m/s。出口处静压为1个大气压。设置光伏板为固壁壁面,对近壁面区采用标准壁面函数法。由于计算模型为钝体低速绕流,RNGk-ε湍流模型较为合适[15]。动量采用二阶迎风离散格式,压力和速度耦合采用SIMPLE算法[18]。

3 数值模拟与结果分析

建立光伏板离地高度3 m,倾角28°,板间距3.187 m的CFD模型,计算得到z=0轴截面的正向工况和背向工况速度云图,如图6、图7所示。分析发现前两列光伏板的板前风速变化大,压力变化也会相应比较大;这是由于均匀来流受到迎风面第一列光伏板阻挡后,流场发生适应性变化;在第三列光伏板位置处高低方向稍微远离组件的位置流场趋于均匀,于是后续光伏板周围流场相对类似、变化较小。

图8、图9分别为背向离地高度3 m、板间距3.187 m时光伏板倾角为28°和14°的流线图。从图中可以看出,倾角为28°时在第一、二列板之间会形成明显的涡流,而在倾角为14°时,在第一、二列板之间没有形成涡流,结构参数对流场特性影响很大,工程设计中应充分考虑结构参数变化对风载荷的影响。下面将从工程应用的角度出发,特别是从结构体系强度设计等方面考虑,重点分析风载荷对整体某一光伏板的作用,分析不同安装高度的光伏板风荷载折减特性、不同安装倾角的光伏板风荷载折减特性、不同光伏板间距的光伏板风荷载折减特性等的影响。

图6 正向速度云图(Z=0截面,速度单位:m/s)Fig.6 Velocity field cloud picture of forward wind (Z=0 section,velocity Unit:m/s)

图7 背向速度云图(Z=0截面,速度单位:m/s)Fig.7 Velocity field cloud picture of backward wind (Z=0 section,velocity Unit:m/s)

图8 背向倾角为28°前三列光伏板周围流线图Fig.8 Streamline diagram around first three columns photovoltaic panels with an inclination of 28°

图9 背向倾角为14°前三列光伏板周围流线图Fig.9 Streamline diagram around the first three columns photovoltaic panels with an inclination of 14°

为了提取光伏板所受风阻对结构体系的影响,将光伏板视为刚体,于是作用于光伏板上的复杂分布空气动力可简化为力系的主矢和主矩。光伏板所受的载荷主要是垂直于光伏板的正压荷载和所受的倾覆作用力矩,其对光伏结构体系的承载有重要影响。这里将分布风阻向光伏板上距离地面最近的点简化得倾覆作用力矩和阻力载荷。这两个参量将成为下面分析的重点,由CFD计算可得光伏阵列各个光伏板的正压荷载和作用力矩,如图10、图11所示。观察图10和图11发现无论正向还是背向光伏板所受正压荷载都随流场的深入逐步衰减,且前两列光伏板所受风荷载变化最大,正向正压载荷和作用力矩折减达到50%,背向正压载荷折减达到30%,作用力矩折减达到60%。这是因为第一、二列光伏板之间和第二、三列光伏板之间的涡流特性影响了第二列光伏板的流场压力分布,使其整体受力出现显著的变化,详细结果见图12所示的前三列光伏板周围压力云图。后续光伏板风荷载单调折减,且最后几列光伏板风荷载折减率比较小,风荷载趋于稳定。背向载荷总体比正向载荷大,光伏板背向载荷是结构强度设计需要重点关注。

图10 正向背向光伏板所受正压载荷对比Fig.10 Comparison of positive pressure loads between forward wind and backward wind

图11 正向背向光伏板所受作用力矩对比Fig.11 Comparison of torque between forward wind and backward wind

图12 背向前三列光伏板周围压力云图

3.1 不同高度的光伏板风荷载折减特性

保持光伏板倾角28°、板间距3.187 m,光伏板的安装高度一般根据使用条件来确定,比如不能被遮挡,不能被水淹,一般离地高度大于0.5 m,有农业耕种的光伏板离地高度3 m左右。本文选取常用的光伏板离地高度0.5 m、1 m、2 m、3 m,分别建立CFD模型,分析光伏板离地高度对风荷载的影响。图13和图14为正向、背向第一列光伏板的所受的正压载荷和作用力矩。观察图13和图14发现正压载荷和作用力矩都随着光伏板高度的增大而减小,且背向所受正压载荷和作用力矩都比正向时大,且随着高度增加,正向、背向的正压载荷差距急剧变小。

图13 第一列光伏板所受正压载荷Fig.13 Positive pressure of first column photovoltaic panels

图14 第一列光伏板所受作用力矩Fig.14 Torque of first column photovoltaic panels

图15、图16为不同离地高度光伏板阵列所受作用力矩和正压载荷对比,分析发现不同高度的光伏板阵列折减趋势基本一致。离地高度越大,第一列到第二列的折减率越小,末尾几列的风荷载也越大一些。

图15 不同离地高度光伏板所受正压载荷对比Fig.15 Comparison of positive pressure loads in different heights

图16 不同离地高度光伏板所受作用力矩对比 Fig.16 Comparison of torque in different heights

3.2 不同倾角的光伏板风荷载折减特性

在保持光伏板离地高度3 m、板间距3.187 m不变的情况下,由于光伏板倾角和地理位置相关,本文选取具有代表性的4个倾角14°、21°、28°、35°,建立4个CFD模型。根据模拟计算结果,可以得到不同倾角正压载荷和作用力矩,如图17、图18所示。随着倾角增大,第一列光伏板的风荷载单调增大。倾角为14°,21°时,第二列的风荷载小于第三列,倾角为28°,35°时,第二列风荷载大于第三列,倾角的变化会影响第二、三列的光伏板风荷载变化规律。倾角对末尾的光伏板风载荷影响较小。除第一列光伏板外,倾角变化对其他光伏板受力影响复杂,大范围内难以发现较强规律性。

图17 不同倾角光伏板所受正压载荷对比Fig.17 Comparison of positive pressure loads at different angles

图18 不同倾角光伏板所受作用力矩对比Fig.18 Comparison of torque at different angles

3.3 不同间距的光伏板风荷载折减特性

保持光伏板离地高度3 m、光伏板倾角28°不变,光伏板间距可以根据光伏发电站设计规范(GB 50797—2012)计算得到。本文选取该尺寸光伏板常用的间距2 m、2.5 m、3.187 m、3.5 m、4 m,建立5个CFD模型。仿真可得不同间距情况下的正压载荷和作用力矩,如图19、图20所示。分析发现由于后续光伏板对绕过来流方向第一列光伏板尾流的遮挡作用,使得不同间距的光伏列阵,来流方向第一列光伏板风载荷也不相同。并且由于涡流的影响,第二列光伏板的风荷载比第一列和第三列的风荷载小。随着间距的增大,第二列板的风载荷快速增大,后续光伏板的风荷载折减趋势一致。间距对末尾的光伏板风载荷影响较小。

图19 不同间距光伏板所受正压载荷对比Fig.19 Comparison of positive pressure loads >with different distances

图20 不同间距光伏板所受作用力矩对比Fig.20 Comparison of torque with different distances

4 结 论

本文针对光伏电站拉索式构架体系风荷载特性及其折减性能进行数值仿真,分析了正向风载、背向风载工况下,光伏板高度、光伏板倾角和光伏板间距对风荷载以及其折减特性的影响,结论如下:

(1) 在数值上,背向风载荷大于正向风载荷。

(2) 正向、背向两种工况下,第一列光伏板所受的正压载荷和作用力矩都随着高度增大而减小;且随着高度增加,正向、背向的正压载荷差距变小,第一列到第二列的折减率变小,末尾几列的风荷载变大。

(3) 倾角增大,第一列光伏板的风荷载也会随之增大。光伏板倾角的变化会影响第二、三列的光伏板风荷载的变化规律。倾角对末尾的光伏板风载荷影响较小。

(4) 光伏板间距变化时,第一列光伏板的风荷载值不同;第二列板的风荷载比第一列和第三列的风荷载小;第二列板的风载荷随着间距增大而增大;后续的光伏板风荷载折减趋势一致。

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