陣列光伏板風荷載遮擋效應分析

李居慶 何艷麗 徐志宏

(1.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124； 2.中清能綠洲科技股份有限公司，北京 102600)

1 概述

太陽能作為優質的可再生資源，受到世界各國的重點關注[1]。太陽能光伏板主要固定在支架系統上，在太陽光的照射下將太陽光轉化為電能。其中風荷載是起到控制作用的荷載，而隨著光伏產業的快速發展，太陽能光伏板大多以陣列的方式布置，從而光伏群體遮擋效應的研究是非常重要的[2]。目前國內外學者對光伏板風荷載特性已進行了一定的研究[3,4]，國內對單塊光伏板表面所受的風荷載的取值主要參考風洞實驗的結果和GB 50009—2012建筑結構荷載規范[5]的規定。但是不同的布置形式，光伏板之間的相互干擾作用是不明確的，所以對于不同的光伏板布置形式，需要進行系統、深入的研究。

本文將采用計算流體力學(CFD)的方法,對陣列光伏板體型系數的遮擋效應進行數值模擬分析。本文的光伏板支撐在網架結構上，陣列光伏板上風荷載的遮擋效應會對體型系數取值有很大影響，從而影響平板網架結構的用鋼量，因此對陣列光伏板體型系數及其之間的干擾效應進行研究，對太陽能光伏板結構設計有重要的意義。

2 計算模型及工況

2.1 工程概況

陣列光伏板的支撐結構為平板網架，結構所在地區25年基本風壓為0.31 kN/m2,地面粗糙度類別為C類。平板網架規模(長×寬×高)：188.5 m×113.1 m×6 m，結構設計使用年限25年。由于光伏板之間的遮擋效應復雜，風荷載分布無現成資料可供借鑒，本文采用CFD方法對光伏板的風壓分布進行數值模擬，為結構抗風設計和光伏板布置提供依據，見圖1。

2.2 CFD數值模擬模型選取

數值模擬時，首先需要建立一個數值風洞，數值風洞風場尺寸的大小與計算精度密切相關。陣列光伏板數值風洞風場尺寸，在生成網格的光伏板及其支撐需要加密，加密區長×寬×高=113 m×56 m×6 m，整個流場尺寸為833 m×1 226 m×50 m，依次為流場區域的寬度、長度和高度方向，如圖2所示。

2.3 CFD數值模擬方法

對于單個和陣列光伏板計算工況，入口處均采用指數形式的C類地貌風速剖面邊界條件，指數α=0.22。風場進口速度為22.6 m/s，入口處的湍流度取23%，風場出口采用壓力出口。光伏板表面、地面和連接面之間采用無滑移的壁面條件，風場的兩個側面和頂部面采用對稱的邊界條件。

本文采用兩方程標準κ-ε湍流模型進行數值模擬，兩方程標準κ-ε模型是目前應用最廣泛的兩方程湍流模型。在滿足計算精度的條件下，兩方程標準κ-ε模型具有較好的收斂速度，并且能夠模擬出建筑周圍及內部風流場，表征漩渦間的相互影響。對于壓力—速度耦聯方程，采用SIMPLE算法實現各聯立方程的解耦及壓力場和速度場的校正。

2.4 模擬工況

考慮到群體面板之間的遮擋效應，研究仰角10°的陣列光伏板在不同風向角下光伏板之間的遮擋效應，計算工況如下：風向角0°，45°，135°，180°，共4種工況，見圖3。

3 太陽能光伏板模型計算結果及分析

3.1 CFD體型系數提取

體型系數為CFD模擬的風壓系數除以風壓高度變化系數。風壓值的正負號意義如下：正號表示風壓沿結構表面法向向內，即對表面產生壓力；負號表示風壓沿結構表面法向向外，即對結構表面產生吸力。具體CFD數值模擬結果見表1～表3。

表1 第1列光伏面板體型系數

表2 第2列光伏面板體型系數

表3 第3列光伏面板體型系數

表中的第一排為迎風前側無光伏面板的第一排，0°和45°第一排相同，135°和180°第一排相同。0°和180°所對應的第一排光伏板不同，迎風第一排光伏板方向相反。

單排光伏板在0°風向角下的體型系數為1.12，45°風向角下體型系數為0.78，135°風向角下體型系數為-0.74，180°風向角下體型系數為-1.05。

3.2 模擬結果分析

本文沒有考慮平板網架和光伏板支架對光伏板體型系數的影響，光伏板下部連接地面的面設為內部面，第一列光伏板體型系數的變化規律如圖4所示。

根據CFD數值模擬結果和進一步分析的結果，可以得出不同風向角下陣列光伏板體型系數有以下規律：

1)陣列光伏板之間存在干擾效應，即迎風上游光伏板對下游光伏板存在遮擋效應。從體型系數來看，仰角10°的陣列光伏板由于上游光伏板的存在會使下游光伏板的體型系數減小，隨著上游光伏板的增多體型系數在三排以后趨于穩定。

2)仰角10°的陣列光伏板第一排光伏板在各個風向角下的體型系數和單塊仰角10°的光伏板在各個風向角下的體型系數基本相同，下游光伏板對迎風第一排光伏板體型系數影響不大。

仰角10°的陣列光伏板，0°風向角下各排光伏板體型系數均大于45°風向角下各排光伏板體型系數；180°風向角下各排光伏板體型系數絕對值均大于145°風向角下各排光伏板體型系數。

4 算例分析

研究遮擋效應對平板網架結構的用鋼量的影響，以光伏板傾角10°、光伏板間距為1.8 m的陣列光伏板進行建模計算[6]。根據某公司提供的平板網架屋面的建筑圖，建立螺栓球平板網架結構的屋蓋，平板網架為正放四角錐網架。網架幾何參數為平面尺寸188.5 m×113.1 m，網架右下方缺口平面尺寸為37.7 m×52.2 m，平板網架的面積為19 351 m2，網架厚度為3.0 m，平面網格尺寸為2.9 m×2.9 m。平板網架周邊支撐在鋼筋混凝土柱上，支座的剛度大，可以不考慮其變形，所以把平板網架的支座簡化為固定鉸支座，平板網架的支座布置在下弦節點上。網架結構布置圖及支座位置圖如圖5所示。

本文太陽能光伏板采用單晶硅太陽能電池板，鋁合金邊框，鋼化玻璃面板，取光伏面板密度為2 300 kg/m3。平板網架上所受的荷載本文只考慮恒荷載和風荷載，其中平板網架上弦支撐的光伏面板和支架換算成集中荷載為0.42 kN，即上弦節點所受的恒荷載為0.42 kN。光伏板上的風荷載分為兩種情況：1)單排光伏板上的風荷載作為陣列光伏板的風荷載；2)考慮遮擋效應的陣列光伏板上的風荷載。兩種情況都只考慮0°和180°下光伏板所受的風荷載。

結構對比分析結果為：單排光伏板上的風荷載作為陣列光伏板的風荷載時，桿件單元和螺栓球節點的總重量為456.98 t，用鋼量為23.6 kg/m2。施加考慮遮擋效應的陣列光伏板上的風荷載時，將上弦節點上的恒荷載和風荷載進行荷載組合，統計結構分析計算結果。桿件單元和螺栓球節點的總重量為412.78 t，用鋼量為21.3 kg/m2。

根據結構分析計算結果，考慮遮擋效應的陣列光伏板的平板網架桿件單元和螺栓球節點的總用鋼量比單排光伏板上的風荷載作為陣列光伏板的風荷載的平板網架總用鋼量減少44.2 t。

5 結語

本文通過計算風工程的方法對光伏板風荷載體型系數進行了研究，首先對陣列光伏板在不同風向角下的遮擋效應進行分析，然后對比考慮遮擋效應的陣列光伏板的平板網架和不考慮遮擋效應的陣列光伏板的平板網架的用鋼量區別，可以得到以下結論：

1)仰角10°的陣列光伏板第一排光伏板在各個風向角下的體型系數和單塊仰角10°的光伏板在各個風向角下的體型系數基本相同，陣列光伏板的下游光伏板對迎風第一排光伏板體型系數影響不大。

2)陣列光伏板上游光伏板對下游光伏板存在明顯干擾效應，迎風第一排光伏板所受的風荷載最大，迎風前排光伏板對后排光伏板存在遮擋效應。仰角10°的光伏板隨著排數增加體型系數逐排減小，從第三排光伏面板開始體型系數趨于穩定。

3)根據算例結構分析計算結果，考慮遮擋效應的陣列光伏板的平板網架桿件單元和螺栓球節點的總用鋼量比單排光伏板上的風荷載作為陣列光伏板的風荷載的平板網架用鋼量減少9.7%。