基于數值風洞的光伏支架陣列風載荷分布

喬學 谷帥 羅曉群

摘要：用計算流體力學方法分析光伏支架陣列風場，研究各傾角和風向角情況下支架陣列中風載荷的分布，提出支架陣列的區域劃分和風載荷體型系數取值建議。研究成果對光伏支架陣列結構設計和工程建設具有較好的應用價值。該方法有利于節省材料，降低光伏發電的成本。

關鍵詞：光伏支架陣列；數值風洞；風載荷；體型系數

中圖分類號：TU398.1

文獻標志碼：B

0 引 言

光伏支架結構較輕，風載荷對其影響較大。現行國家標準《光伏發電站設計規范》（GB 50797—2012）規定地面和樓頂支架風載荷的體型系數取1.3。[1]現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）對單坡頂蓋的風載荷體型系數根據風向、傾角和面板位置進行分區定義。[2]

《光伏發電站設計規范》取值簡潔，便于利用，但是光伏陣列的支架總量大、形式統一，簡化取值的經濟性值得商榷：其一，載荷規范在不同傾角下應取不同的體型系數；其二，由于鄰近支架的遮擋，光伏陣列不同位置的支架單元體型系數應考慮折減。

一些學者通過風洞試驗或者數值模擬的方式研究光伏支架上風載荷的取值。李曉娜[3]通過剛性模型測壓風洞試驗，分析傾斜角、離地高度、底部阻塞度和紊流情況對結構風載荷和電池板上面積的折減風壓系數分布規律的影響；張慶祝[4]測量光伏板風載荷，通過與經驗公式計算結果進行對比，驗證理論計算的正確性，修正傳統經驗公式，發現光伏板風載荷的內在規律，并據此改進光伏支架中的部分構件；黃張裕等[5-6]建立數值風洞與太陽能跟蹤器光伏面板的簡化模型，模擬風載荷體型系數，并把所得到的結果與相應的規范和經驗公式計算結果進行對比，針對光伏支架陣列分析特定風向角和特定傾角下的風載荷分布，得出固定式支架應采用分區設計的結論；韓曉樂[7]通過剛性模型測壓風洞試驗研究地面和屋頂光伏支架的風載荷分布，給出3行3列光伏板的風載荷取值建議。高亮等[8]以風洞試驗為主，結合數值計算方法，研究光伏支架的傾角、高度、間距和陣列中的位置等對風載荷體型系數的影響規律，提出考慮各影響因素的風載荷計算公式。

本文進行風洞數值模擬，分析不同傾角下光伏陣列中各個位置光伏板上的風載荷體型系數分布，并給出設計建議。

1 模型設計

1.1 分析方法

風洞數值模擬技術的核心是計算流體力學，求解描述空間中流體流動情況的控制方程可獲得流場的相關性質。本文采用k-ε湍流模型和雷諾平均法分析計算結構表面的平均風壓，在ANSYS ICEM CFD中建模和劃分網格，在FLUENT 14.0中進行分析計算。

1.2 模型概述

數值風洞模擬的光伏支架陣列包含10排光伏板，每塊光伏板的尺寸為5 040 mm×3 300 mm，光伏板橫向間距為1 m，縱向間距（中心距）為9 m。

為模擬區域內空氣的流動特性，在靠近計算模型區域設置分布密集的小網格，在遠離模型區域設置分布稀疏的較大網格。將計算域分為核心區和外流場2部分，其中核心區光伏陣列為128 m×128 m，外流場800 m×1 200 m×24 m，計算域總尺寸滿足阻塞率<3%的要求。核心區內采用四面體網格離散單元；為計算結構表面壓力大小，近壁區域沿光伏板表面方向劃分5層網格，邊界層最小網格尺寸為30 mm，按1.0︰1.2過渡，采用規則分布的六面體網格離散單元。

光伏板采用面單元模擬，并利用劈分網格技術分為上、下2個面，分別計算板上、下表面的風壓。光伏板表面網格尺寸約為0.3 m。

計算模型和網格劃分見圖1，網格劃分均勻。

1.3 數值風洞邊界條件

現行國家標準《建筑結構荷載規范》將場地分

為A、B、C、D等4個地面粗糙度類別，采用指數型表達式確定平均風剖面。4類地面粗糙度類別的劃分及其對應的梯度風高度ZG、地面粗糙度指數α和截斷高度Zb見表1。

計算模型的來流面采用速度入口邊界條件，根據上文公式確定來流風速，并采用UDF編程實現按規范規定的風剖面輸入風速；出流面采用自由發展出流。計算域的頂面和兩側，采用對稱邊界條件模擬自由滑移的壁面條件；計算域的底面和建筑表面，采用固壁邊界條件模擬無滑移的壁面條件。

1.4 參數設置

采用雷諾平均法計算結構表面平均風壓，湍流模型采用可實現的k-ε模型，近壁面采用非平衡壁面函數。計算求解采用基于壓力的穩態求解器，求解壓力耦合方程采用半隱式算法（即SIMPLE算法），松弛因子均采用默認設置，使用入流面對流場進行初始化。計算步數設定為1 000步，控制方程迭代殘差余量小于1×10-4，監測光伏板表面的平均風壓值基本不發生變化。

光伏板傾角和光伏陣列風向角示意見圖2。光伏支架的傾角由季節和緯度確定：低緯度和夏季所需傾角小，高緯度和冬季所需傾角大。結合我國的實際情況，計算取10°、20°、30°、40°、50°和60°共6個光伏板傾角。試算表明：180°、150°和120°這3種風向角下光伏板承受風吸力，分別與0°、30°和60°風向角對稱；90°風向角時光伏板迎風面積為0，幾乎不承受風載荷。因此，根據光伏板的對稱性，計算0°、30°和60°共3種風向角下光伏板的風壓力分布。

2 數值風洞模擬計算結果討論

以10°和60°這2種傾角情況的3個風向角數值風洞結果為例，討論光伏板風載荷分布（見圖3）情況。

由圖3可以看出，風向角30°和60°的工況主要影響光伏陣列迎風面兩側各3列光伏板。傾角較小（如10°）時，最大風載荷出現在30°風向角；傾角較大（如60°）時，最大風載荷出現在60°風向角。最外側1列光伏板的風載荷最大，向內逐列減小；向內3列以上的光伏板風載荷的控制工況基本由0°風向角控制。

除兩側光伏板外，其他位置光伏板的最大風載荷均出現在0°風向角時，其分布規律表現為迎風面第1排光伏板的風載荷值最大，后排板的風載荷明顯減小。

單塊光伏板的風載荷分布均表現為迎風面邊緣風載荷最大，沿風向方向逐漸減小。當傾角較大（如60°）時，第1排光伏板風載荷較大，后排板的風載荷接近0。

3 光伏支架陣列區域劃分

通過數值風洞模擬，統計光伏支架陣列在6種傾角與3種風向角組合（共18種）下的風載荷分布，可以將整個陣列區域的光伏板風壓分布分成3個區域，見圖4。

不同風向角的風載荷規律如下：

（1）0°風向角（圖3a））時，區域1風載荷最大，區域3次之，區域2風載荷最小。

（2）30°風向角（圖3b））時，區域1和區域3風載荷較大，區域2風載荷最小。

（3）60°風向角（圖3c））時，區域3風載荷最大，區域1次之，區域2風載荷最小。

（4）30°和60°風向角時，區域3的3列光伏板中，最外側風載荷最大，向內逐漸減小。

（5）區域1和區域2的最不利風向角為0°。區域3的最不利風向角與傾角有關，傾角40°及以下時區域3最不利風向角為30°，傾角50°及以上時區域3最不利風向角為60°。

綜合各種風向角下的風載荷分布，考慮到光伏支架陣列的對稱性，建議初步劃分區域見圖5。將光伏支架陣列劃分為3個區域：區域1為迎風向前、后兩端各1排；區域3為陣列左、右兩端各3列；其余為區域2。

4 各區域的風載荷體型系數取值

4.1 區域1風載荷體型系數取值

在0°風向角下，區域1光伏板的風載荷分布見圖6：橫坐標是該點在光伏板上寬度方向的位置，下端迎風邊緣為0 m，上端背風邊緣為3.3 m；縱坐標是該點的風載荷體型系數。

按照載荷規范中的形式，光伏板上、下半板的風載荷體型系數取不同值，由所在板塊上各點的體型系數按該點距離板中線的距離加權平均確定，計算公式為

4.2 區域2風載荷體型系數取值

區域2光伏板的風載荷分布與傾角相關。傾角10°和20°時區域2光伏板的風載荷分布與區域1相近，漸變趨勢與圖6a）和圖6b）相同。傾角10°時光伏支架陣列中板面風載荷與位置的關系見圖7：橫坐標是該點在陣列中的位置，取第1排光伏板的迎風邊緣的橫坐標為0；縱坐標是該點的風載荷體型系數。

在傾角30°及以上時，區域2光伏板的風載荷分布與區域1不同，上、下半板可取相同的體型系數，傾角30°時光伏支架陣列中板面風載荷與位置的關系見圖8。

因在傾角10°和20°時，區域2光伏板的風載荷分布與區域1相近，故以區域1為基準，折減體型系數根據各傾角下的風載荷逐排分布（圖9）的數據計算比值得出，見表3。

在傾角30°及以上情況下，區域2光伏板的體型系數根據圖9取值，同時考慮不小于傾角10°和20°時的最小值0.2，得到的體型系數見表4。

4.3 區域3體型系數取值

在傾角10°～40°時，區域3光伏板的最大風載荷出現在30°風向角時；在傾角50°和60°時，區域3光伏板的最大風載荷出現在60°風向角時。區域3最外側1列板風載荷最大，另外2列板風載荷較小，其體型系數取值應分別計算，見表5。

4.4 體型因數簡化取值建議

按照光伏支架結構設計，將風載荷取值歸并簡化，從數值風洞模擬結果討論體型系數優化取值的區域劃分。

區域3端部1列光伏板的風載荷是光伏板陣列所有板中風載荷最大的，其余2列板的風載荷取值介于區域1與區域2之間，建議按區域1取值。

區域2的光伏板風載荷在傾角不同時分布規律不同。在傾角10°和20°時，2～5排風載荷呈漸變趨勢，因此建議將2～3排并入區域1，將4～5排作為區域2，并取第4排的風載荷為區域2的風載荷；在傾角30°及以上時，2～4排風載荷小于5排以后的風載荷，可作為區域2。

最終的風載荷體積系數區域劃分見圖10，各區域風載荷體型系數簡化取值見表6。由于風載荷按體積系數取值進行相應修正，為保證安全，風載荷體型系數最小值取0.4。

5 結束語

運用ANSYS ICEM CFD建立光伏支架陣列的模型并劃分網格，導入FLUENT 14.0中對不同傾角和風向角下的光伏支架陣列進行計算流體力學數值風洞模擬分析。對比分析風載荷體型系數分布以及風載荷體型系數隨位置變化規律，得到如下主要結論：

（1）光伏支架陣列中不同位置的支架單元承受的風載荷差別較大，因此建議將光伏陣列支架劃分為3個區域，不同區域取不同的風載荷體型系數。

（2）《光伏發電站設計規范》和《建筑結構荷載規范》僅給出單個光伏支架單元風載荷體型系數的取值，但對于大型的光伏支架陣列來說，其中間區域的風載荷體型系數取值偏大，因此提出不同傾角下的區域劃分方法和不同區域的風載荷體型系數。

（3）結合工程實際，對各區域的體型系數提出簡化取值建議。

本文討論的體型系數折減適用于光伏陣列場地較平整的情況，如灘涂、戈壁等。對于場地起伏較大的山地、丘陵等，陣列中央的支架單元不受遮擋或遮擋較少，建議不折減。

致謝：本項目工作獲得國華能源投資有限公司科技創新項目“光伏方陣支架結構設計研究及應用”支持，特此致謝。

參考文獻：

[1] 光伏發電站設計規范： GB 50797—2012[S].

[2] 建筑結構載荷規范： GB 50009—2012[S].

[3] 李曉娜. 太陽能光伏支架風載荷體型系數研究[D]. 石家莊： 石家莊鐵道大學， 2015.

[4] 張慶祝. 太陽能光伏組件風載負荷計算及支架結構的研究[D]. 呼和浩特： 內蒙古工業大學， 2010.

[5] 黃張裕， 左春陽. 太陽能跟蹤器光伏面板風荷載體型系數的數值模擬研究[J]. 特種結構， 2014， 31（4）：101-107.

[6] 黃張裕， 閻虹旭. 太陽能光伏板風荷載體型系數群體遮擋效應數值模擬研究[J]. 特種結構， 2015， 32（3）：18-22.

[7] 韓曉樂. 太陽能光伏陣列風載荷取值研究[D]. 石家莊： 石家莊鐵道大學， 2016.

[8] 高亮， 竇珍珍， 白樺， 等. 光伏組件風載荷影響因素分析[J]. 太陽能學報， 2016， 37（8）： 1931-1937.

（編輯 武曉英）