商用光伏電站面板陣列的風荷載CFD模擬

摘 要：為了更好地研究商用光伏電站面板陣列所受到的風荷載，該文基于SST湍流模式，采用ICEM CFD（生成流場計算的網格系統）和Fluent（CFD求解器）軟件，用數值方法模擬面板陣列所受風荷載的規律。結果表明，無論是正面還是背面來流，第一行電池面板所受風荷載最大，隨后風荷載下降較大，最后趨于穩定；且同一行面板中位于兩側邊緣位置的面板較位于中間位置的面板受到上游的影響較小。

關鍵詞：風荷載 面板陣列 CFD SST湍流模式

中圖分類號：TU312文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0060-03

在太陽能光伏電站設計中，電池面板陣列所受到的風荷載是一項不容忽視的荷載，尤其是在風力旺盛區域。對風荷載的考慮在商用光伏電站面板陣列設計中非常重要。作者在新疆若羌20MWp光伏電站[1]中采用數值模擬方法模擬電池面板陣列的風荷載，為設計光伏支架提供技術分析以及支持。

1 數值風洞模型建立

本文中使用的軟件包括ICEM CFD[2]（生成流場計算的網格系統）和Fluent[3]（CFD求解器）。

1.1 幾何和網格模型

為能達到足夠高的計算精度，需要在電池面板模型周圍設置足夠密的網格。但限于計算服務器的運算能力，有必要簡化太陽能電池面板陣列的模型。同時為了能獲取上游面板對下游面板的影響系數，數值模型中共放置3行太陽能電池面板，每行放置4對面板（上下布置）。最終的幾何模型及計算域如圖1所示。

由于位于邊緣位置的面板受到上游面板尾流的影響較小，如果每行放置更多的面板，則風的阻塞效果會更明顯。同時，忽略了電池面板與地面連接的支架構件，因此其對風場的阻礙作用也并未考慮。綜上，采用目前的模型計算出的結果是偏保守的。

由于電池面板陣列的簡化模型相對簡單，在整個計算域中可以生成質量較高的六面體結構網格。網格的最小尺寸為0.01 m，外圍網格最大尺寸為3 m，網格單元總數約為500萬。在不同密度網格試算的基礎上，計算結果的數值精度通過了網格獨立性的檢驗。計算模型的網格如圖2所示。

為了保證面板的壓力求解精度，本項目在電池面板的邊界上設置了滿足y+≈1的網格邊界層。同時，為了能夠準確的描述大氣邊界層的風場特性，在地面邊界上了也設置較密的網格，通過與入口條件的配合，基本滿足大氣邊界層風場的自平衡發展。

數值風洞試驗分別計算正面來流和背面來流兩個風向下的表面風壓力。

1.2 求解設置

為了提高模擬精度，本文首先模擬了定常風場作用下的風場特性，湍流的模擬采用了基于RANS[4]（Reynolds Averaged Navier-Stokes equation）方法，基于模式改進的剪應力輸運（Shear Stress Transport，SST）湍流模式。SST湍流模式綜合了和這種湍流模式的優點，在近壁面區采用求解結果較好的模式，而在流場核心區采用模擬更準確的模式。隨后，以定常場結果作為初始條件，采用了精度更高但更耗時的大渦模擬（Large Eddy Simulation）方法，加入了時間項，計算了面板陣列的非穩態風場。最終的模擬結果為10 s風場的平均。

大氣邊界層風場為不可壓縮流，離散方程組的求解適于采用基于解耦思想的SIMPLE （Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）系列求解方法。具體采用了SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）算法，該方法收斂速度快，由于采用了部分非結構網格，設置了網格傾斜校正，提高了計算的收斂性和健壯性。在數值離散精度方面，對流項采用了具有三階精度的QUICK（Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics）格式，當網格為順流向的六面體網格時，QUICK格式可以較大的提高計算精度。

1.3 邊界條件

根據荷載規范，該場地的地面粗糙度為A類，數值風洞的來流平均風速剖面為：

由于我國荷載規范中并未給出湍流強度和湍流積分長度的建議公式，因此本文采用了日本AIJ規范中的建議公式[5]：

2 數值風洞結果與分析

為了得到荷載規范中設計風速作用下的太陽能面板陣列風荷載，將數值風洞中得到的風壓歸一化為通用的風壓系數為：

風荷載的設計來流風速條件為：A類場地指數率剖面，其中電池面板中心1.628 m高度處的風速為34 m/s，對應的10 m高度處風速為42.27 m/s，則設計風速下的風荷載可由式（6）計算：

最終得到的兩風向下各電池面板合力及與第一行比值列于表1和表2中。

流場中面上的速度和壓力場分布如圖4和圖5所示。

由以上風荷載數據及流場的速度和壓力場分布可以看出，迎風第一行電池面板所受風荷載最大，其直接迎擊無干擾來流，其尾流區沿順風向較長，且對第二行面板的影響最大，因此第二行面板的風荷載下降較大，而第三行之后應當趨于穩定。在背面來流風向下，第三行風荷載合力較大，約為第一行的0.73。同時，位于每一行兩側邊緣位置的面板較位于中間位置的面板受到上游的影響稍小。

3 結語

本文采用ICEM CFD和Fluent軟件，基于SST湍流模式，模擬了商用光伏電站面板陣列的風荷載，得出如下結論：

無論是正面還是背面來流，第一行電池面板所受風荷載最大，隨后風荷載下降較大，最后趨于穩定。

同一行面板中位于兩側邊緣位置的面板較位于中間位置的面板受到上游的影響較小。

基于以上的研究成果，作者所在單位在若羌項目采用此種計算方法進行了光伏電站風荷載取用，取得了良好的經濟效果。

參考文獻

[1]新疆水利水電設計院.新疆水利水電設計院光伏電站風速報告[R].烏魯木齊，2012.

[2]Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute. Photovoltaic power station wind speed report of Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute[R].Urumqi，2012.

[3]李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent流體分析及仿真實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5]劉士和，劉江，羅秋實，等.工程湍流[M].北京：科學出版社，2011.

[6]日本建筑學會（AIJ）.房屋荷載建議[S].1995.