平頂屋光伏陣列風載荷淺析

吳童 來永斌 王龍

摘 要

本文通過數值模擬的方法研究平頂屋光伏板周圍的風場結構。結果表明，在屋頂前緣產生氣流分離現象，并產生一定范圍的負壓區域，其中的光伏板表面壓力梯度均為負壓。在180°風角下，光伏陣列被屋頂渦流包裹，并在光伏板的阻擋作用下，屋頂渦流發生分離，此外，第一排光伏板下表面前緣也產生了一個渦。

關鍵詞

平頂屋;光伏陣列;風載荷

中圖分類號： TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.065

Abstract

In this paper，the wind field structure around flat roof photovoltaic panels is studied by numerical simulation.The results show that there is an air flow separation at the front edge of the roof，and a certain range of negative pressure area is generated，in which the pressure gradient on the surface of photovoltaic panels is negative pressure.At 180° wind angle，the photovoltaic array is wrapped by the roof vortex，and the roof vortex is separated under the blocking effect of the photovoltaic panel.In addition， the leading edge of the lower surface of the first row of photovoltaic panels also generates a vortex.

Key Words

Flat roofs;Photovoltaic arrays;Wind load

0 前言

光伏電站的建立，對地形、氣候等因素要求較高。在解決光伏電站適應性問題的過程中，低矮建筑屋頂建設光伏電站也是一個可行方案。由于屋頂的風場結構復雜，研究屋頂光伏板結構載荷中的風載荷具有重要意義。

Ayodeji Abiola-Ogedengbe[1]等，研究發現，在偏風角下，光伏板表面壓力是不對稱的，并且板間間隙對光伏組件的表面壓力有明顯的影響。Alexander Bronkhorst[2]等人對屋頂光伏陣列進行風洞試驗和計算流體力學進行比較，結果表明，總體壓力分布具有較好的預測效果。Jingxue Wang[3]等人研究建筑物參數對屋頂光伏板風載荷的影響，結果表明，建筑物參數的變化對屋頂光伏板的風載荷有很大影響。隨著CFD數值模擬技術的發展，其對建筑物表面及周圍的流場預測越發接近現實，在工程應用范圍內可獲得具有合理精度的解[4]，這為建筑物風載荷研究分析提供了可靠的手段。

本研究采用CFD數值模擬分析平頂屋屋頂光伏板在風向角下周圍的流場、表面壓力的變化，以研究屋頂光伏陣列與地面光伏陣列的差異性，從而為屋頂光伏板的研究提供參考。

1 模型設計

本研究采用的模型尺寸為風洞實驗[5]中的1：50縮尺模型（陣列），其尺寸分布如圖1所示，光伏板傾角25°，本研究僅對背向風進行研究;建筑三維尺寸L=5m、B=5m、H=4m;光伏板長寬a=0.14m，b=0.04m。

2 數值模擬結果

180o風向角下，屋頂光伏陣列表面壓力分布如圖2所示。可以看出在該風角下，光伏板上下表面大面積處于負壓狀態，這一點與地面光伏板[6]所受風載荷情況明顯不同，這與預期一致。通過圖3的流線運動可以看出，整個陣列被屋頂渦流包裹，并在光伏板的阻礙作用下使得渦流發生分離，根據壓力分布可以看出，屋頂渦流主要是受到正、逆壓力梯度的影響。此外，第一排光伏板下表面前緣由于回流以及屋頂前緣分離氣流的影響也產生了一個渦。

3 結論

本研究通過數值模擬對平頂屋屋頂光伏板周圍的流場以及表面壓力進行研究分析，分析結果如下：

1）當陣列浸沒在負壓區時，受到負壓區的影響較大，使得光伏板表面大面積處于負壓狀態，而地面光伏板并不會出現這種情況。

2）在180o風向角下，本研究光伏陣列全部浸沒在負壓區，并且由于氣流的分離與附著作用以及正、逆壓力梯度作用，屋頂產生了渦流并發生分離，此外，第一排光伏板下表面前緣也出現了渦流。

參考文獻

[1]Ayodeji Abiola-Ogedengbe，Horia Hangan，Kamran Siddiqui，Experimental investig ation of wind effects on a standalone photovoltaic（PV）module[J].Renewable Energy，2015，78：657-665.

[2]Alexander Bronkhorst，J？rg Franke，et al.Wind tunnel and CFD modelling of wind pressures on solar energy systems on flat roofs，The Fifth International Symposium on Computational Wind Engineering （CWE2010） Chapel Hill，North Carolina，USA May 23-27，2010.

[2]Matthew T.L.Brownen，Michael P.M.Gibbons，et al.Wind loading on tilted roof-top solar arrays：The parapet effect[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2013，123：202-213.

[3]Jingxue Wang，Qingshan Yang，Yukio Tamura，Effects of building parameters on wind loads on flat-roof-mounted solar arrays[J].Journal of Wind Engineering & Ind ustrial Aerodynamics ，2018，174：210-224

[4]楊偉，金新陽，顧明，等.風工程數值模擬中平衡大氣邊界層的研究與應用[J].土木工程學報，2007，40（2）：1-5.

[5]Jinxin Cao，Akihito Yoshida，Proshit Kumar Saha，Yukio Tamura，Wind loading characteristics of solar arrays mounted on flat roofs[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，123（2013）214-22.

[6]CHOWDHURY MOHAMMAD JUBAYER，HORIA HANGAN，A numerical approach to the investigation of wind loading on an array of ground mounted solar photovoltaic （PV） panels[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2016，153：60-70.