基于有限元的光伏支架風荷載的確定及強度分析

陳偉 陸元明 章正暘 張濤 張建偉 江繼波 楊路培 張大千

摘 要：我國《光伏發電站設計規范》針對太陽能光伏支架的風荷載計算，規定體型系數為1.3，未考慮光伏組件傾角和風向角的影響，且大于美國、歐洲和日本的規范。以沈陽地區為例，提出確定光伏組件的最佳傾角的方法，利用有限元ANSYS軟件，基于CFD方法，計算出最佳傾角下不同風向角的風荷載，據此開展流固耦合條件下光伏組件支架的強度分析。結果表明：對于0°和180°風向 角，按規范計算，支架應力和位移都比按CFD方法的風荷載計算的數值大；對于45°和135°風向角，按CFD方法的風荷載計算的應力和位移相差較大，其中45°風向角的結果較小，而135°風向角算出的應力和位移較大，甚至超出了按規范計算的結果。由此提出精確地分析光伏支架的風荷載及強度的方法。

關鍵詞：光伏支架；風荷載；強度分析；有限元

文獻標識碼：A

Wind load determination and strength analysis of photovoltaic

bracket based on finite element method

Chen Wei1 Lu Yuanming1 Zhang Zhengyang1 Zhang Tao1 Zhang Jianwei1 JiangJibo1 Yang Lupei2 Zhang Daqian3*

1.Shanghai Electric Power New Energy Development co. LTD Shanghai 200010；

2.Nanjing Hite Electric Power Technology co. LTD JiangsuNanjing 211106；

3.College of Aerospace Engineering ，Shenyang Aerospace University LiaoningShenyang 110136

Abstract： Aiming at wind load calculation for the photovoltaic module bracket， China stipulates the provisions of shape coefficient is 1.3 in Specification for Design of Solar Photovoltaic Power Station， not considering the influence of tilt Angle of photovoltaic components and wind direction Angle， and it is more than the standard of United States， Europe and Japan. In Shenyang area， for example， we put forward the method of determining the optimum tilt angle of the photovoltaic modules， using the finite element software ANSYS， based on CFD method， to calculatethe wind load in different wind direction angle of optimum tilt angle， and to carry out accordingly strength analysis of photovoltaic module brackets under the condition of fluidsolid coupling. Results show that for 0°and180°wind direction， the stress and displacement of the wind load calculated by the code are larger than those calculated by the CFD method. For45°and135°wind direction， the stress and displacement of the wind load calculated by the CFD method are quite different. The results of the 45°wind direction are smaller， while the 135°wind direction is so large that exceed the calculated results according to the code. So we put forword the pricise method of wind load caculation and strength analysis of photovoltaic bracket based on finite element method.

Keywords：photovoltaic module bracket； wind load； strength analysis； finite element method

在光伏發電站的設計中，光伏組件單元所受風荷載的確定直接影響到支架與基礎的安全性。我國《光伏發電站設計規范》[1]中，對于不同安裝形式的光伏電站，目前沒有較成熟的風荷載取值方法，僅針對太陽能光伏支架的風荷載，規定其體型系數為1.3，大于美國、歐洲和日本的規范，且該值并未考慮光伏支架的底部地面或者屋面、安裝角度以及光伏支架之間的相互影響，設計上存在一定的不足，直接導致經濟上的浪費。

為準確得到光伏組件的風荷載，西安理工大學的高亮，竇珍珍[2]等人，通過風洞試驗，研究了光伏組件傾角、高度、間距及方陣中的位置等因素對風荷載體型系數的影響規律，馬文勇[3]在風洞試驗的基礎上提出了風載荷的取值模型，張愛社[4]提出了風荷載的分離渦數值模擬方法，阮輝[5]采用美國德州理工大學的建筑模型分析了風荷載，張雙燕[6]、黃張裕[7]也分別從風洞試驗和數值模擬的角度研究了風載荷的體型系數。值得注意的是，以上研究并未涉及風載荷的不同取值對光伏組件支架強度的影響。

本文從工程實際出發，以沈陽地區為例，利用有限元ANSYS軟件，基于CFD方法，計算出最佳傾角下不同風向角的風荷載，經驗證后，對得到的風荷載開展光伏組件單元的強度分析，并與現有規范得到的計算結果對比，提出設計光伏電站時應注意的問題，為最優化設計提供參考。

1 基于CFD的光伏組件單元風荷載的確定

利用ANSYS軟件workbench平臺，對固定于地面的光伏組件單元（如圖1所示），在不同風向角（0°，45°，90°，135°，180°）下的風場進行模擬，得出多工況下的光伏組件單元的風壓分布，從而確定風載荷。以沈陽地區為例，取最佳傾角β=36.5°

（1）控制方程。

某光伏支架高度為兩米，考慮到光伏電池板傾角，整個光伏組件單元的最大高度小于5米，該高度下涉及到的是空氣的低速流動，近地面空氣的馬赫數較小，可看做不可壓縮流體，其基本控制方程為時均形式的連續方程和動量方程：

（2）計算域及網格劃分。

在流體的模擬計算中，阻塞率直接數值模擬的準確性，F Baetke提出[8]：風洞計算中的物體阻塞率不大于3%，本文光伏支架在36.5°傾角下，實際尺寸為10m（長）×4m（寬）×3m（高）。取流體域為50m×100m×30m，阻塞率足以滿足模擬計算要求。采用Catia軟件構建固體區域模型，基于Workbench平臺對網格進行劃分，并導入Fluent模塊進行求解。

采用結構化網格劃分，網格中的流固耦合界面及其附近采用加密網格，往外網格逐漸增大（如圖2所示），劃分網格數量為205800。

（3）邊界條件及湍流特性。

選擇入口邊界類型為volocityinlet，采用平均風速剖面模擬10級狂風的作用。按照中國建筑規范[9]平均風速Vz=V10（z/10）α，其中α為空曠平坦地區地面粗糙度指數，模擬B類風場取為0.15，V10取25m/s。來流湍流系數可以通過直接給定的湍流動能k和湍流耗散率ε值的方式給出[10]：

其中湍流強度Iz和湍流積分尺度l參考日本規范。

由于出口處的速度和壓力未知，故采用完全發展出流條件，即假設在出口方向除了壓力以外，其他的流動變量和梯度為0，計算域頂部和兩側采用等價黏性流動中的無滑移壁面，對于耦合界面和地面采用無滑移的壁面條件。

RNG理論提供了一個考慮低雷諾數的流動，在鈍體繞流的模擬中，RNG模型精度更高[11]，因此本文采用RNG模型進行湍流模擬。

對流場動能、湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風離散格式，對于速度壓力的耦合算法采用SIMPLEC算法。殘差收斂值采用默認的1.0e3，通過表面風壓不再改變，來判斷流場進入穩態。

（4）計算結果。

通過對不同風向角（0°，45°，90°，135°，180°）的風場進行模擬計算，得到光伏組件單元的風壓分布（如圖3圖7，僅示正面）。

從圖中可知，5種風向角下風壓的分布各不相同，但折算成體型系數后，與文獻[7]相對應工況的結果有基本一致，說明利用有限元ANSYS軟件進行光伏組件單元風壓的數值模擬是可行的。

《光伏發電站設計規范》中規定的體型系數是針對風向角為0°和180°給出的，用計算得到的均勻風荷載代替隨光伏板面位置變化的風壓，優點是簡化了計算，但與實際板面的受力情況有較大的出入。

基于流固耦合的理論，將計算得到的不同風向角下的風荷載施加到光伏組件單元上，分析計算支架在不同風荷載工況下的等效應力、位移情況，開展結構強度分析，并與參照《光伏發電站設計規范》計算得到的結果對比。

2 不同風向角下的結構強度分析

2.1 有限元模型及邊界條件

首先建立光伏組件單元的幾何模型并劃分網格，光伏支架采用梁單元（beam188），光伏電池板采用殼單元（shell181），支架的下端采用固定端約束，分別施加不同風向角下的風荷載，有限元模型含5433個節點，4353個殼單元，5160個梁單元（如圖8所示）

2.2 計算結果及分析

由于90°風向角產生的風荷載很小，故忽略該工況光伏組件單元的強度分析。

（1）0°風向角下的計算結果。圖9為按規范計算得到的支架等效應力云圖，圖10為在算得的風荷載作用下支架的等效應力云圖。

可以看出，在0°風向角下，兩種情況的應力分布并不相同，規范算出的應力普遍偏大，規范結果的大應力區域位于支柱下端，模擬風荷載結果的大應力區域位于支柱上橫梁下端，規范結果的最大應力為116.8Mpa，位于支柱根部，模擬風荷載結果的最大應力為78.0Mpa，位于支柱上部。規范結果的最大位移為16.9mm，模擬風荷載結果的最大位移為6.1 mm。

（2）180°風向角下的計算結果。圖11為按規范計算得到的支架等效應力云圖，圖12為在算得的風荷載作用下支架的等效應力云圖。

可以看出，在180°風向角下，兩種情況的應力分布大體相同，大應力區域均位于支柱下端，規范算出的應力普遍偏大，規范結果的最大應力為116.6Mpa，模擬風荷載結果的最大應力為78.8Mpa，均位于支柱根部。規范結果的最大位移為16.8mm，模擬風荷載結果的最大位移為13.4 mm。

（3）45°及135°風向角下的計算結果。圖1314分別為45°及135°風向角下按模擬風荷載計算得到的支架等效應力。

可以看出，在45°風向角下的應力分布與風荷載計算的0°角的應力分布大體相同，大應力區域位于支柱上橫梁下端，最大應力為73.6Mpa，位于支柱上橫梁中部，最大位移為4.9 mm；在135°風向角下的應力分布與規范計算的應力分布大體相同，大應力區域位于支柱下端，最大應力為123.6Mpa，位于支柱根部，最大位移為19.3 mm。

2.3 結果分析

顯然，對于0°和180°風向角，按規范計算，應力和位移都較風荷載計算的數值大，說明按規范設計較為保守，應適當修正規范內容；對于45°和135°風向角，風荷載計算的應力和位移相差較大，其中45°風向角的結果較小，而135°風向角算出的應力和位移甚至超出了按規范計算的結果，說明風向角對強度分析的影響很大，規范中應增加更多的針對不同風向角的體型系數要求。

3 結論

通過前述分析，得到如下結論：

（1）目前采用的光伏發電站設計規范在計算風荷載時僅規定了0°和180°的風向角，且體型系數取為1.3，相對保守，且未考慮風荷載相對較大的45°， 135°風向角的情況，有待完善。

（2）為精確地分析光伏支架單元的強度，應當在多種工況下，利用有限元軟件，通過計算流體力學的方法，在正確分析計算風載荷的前提下進行。

（3）可以在光伏發電站的設計階段，根據正確分析風荷載后的仿真結果，修改支架的結構形式、規格和尺寸，在保證質量的前提下降低成本。

參考文獻：

[1]GB507972012，光伏發電站設計規范[S].

[2]高亮，竇珍珍，白樺，李加武.光伏組件風荷載影響因素分析[J].太陽能學報，2016，37（08）：19311937.

[3]馬文勇，孫高健，劉小兵，邢克勇，劉慶寬.太陽能光伏板風荷載分布模型試驗研究[J].振動與沖擊，2017，36（07）：813.

[4]張愛社，高翠蘭，申成軍，張兵.屋面光伏板風荷載特性數值分析[J].計算力學學報，2016，33（05）：683688.

[5]阮輝，廖偉麗，王康生，趙亞萍.光伏陣列表面風荷載數值研究[J].太陽能學報，2015， 36（04）：871877.

[6]張雙燕，蘇森良，秦良忠，邵楠.光伏組件風荷載體型系數風洞試驗研究[J].低碳技術，2017， （04）：89.

[7]黃張裕，左春陽.太陽能跟蹤器光伏板風荷載體型系數值模擬研究[J].特種結構，2014， 137（31）：101107.

[8]F Baetke，Hwerner，HWengle.Numerical simulation of yurbulentflowover surfacemounted pbstacles with sharp edges and corners[J].Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1990，35：129147.

[9]GB500092012，建筑結構荷載規范[S].

[10]林擁軍，沈艷忱，等.大跨翹曲屋蓋風壓分布的風洞試驗與數值模擬[J].西安交通大學學報：2017，137（31）：17.

[11]kasperski M，Niemann H J.The LRC （load response correlation）methed：A general method of estimating unfavorable wind load distributions for linear and nonlinear structural behavior [J].Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1992，43（3）：17531763.

基金項目：遼寧省教育廳科學研究項目（L2011029）

作者簡介：陳偉（1978），男，江蘇徐州人，本科，工程師，主要從事電力系統及其自動化方向研究。

*通訊作者：張大千（1965），男，吉林松原人，博士，副教授，碩士研究生導師，主要從事機械結構的強度分析工作。