雙軸跟蹤式光伏發電設備的風載仿真研究

沈勝伊 董春穎

摘要：光伏發電設備的抗風能力對其安全性、使用壽命和制造成本有直接影響。目前，發電效率最高的光伏設備是二維跟蹤式光伏發電設備。該設備始終跟蹤太陽的方位和仰角運動，最大限度保證光伏板垂直于光照方向。跟蹤式光伏發電設備比固定式結構更復雜，隨著光伏板跟蹤太陽旋轉，所受風載也隨之不斷變化。本文主要研究：（1）采用有限元法進行流固耦合仿真，對不同姿態角的跟蹤式光伏發電設備進行風載仿真。研究了風載隨姿態角的變化規律，分析了特定姿態角產生最大風載的原因。（2）通過風力矩測量實驗系統采集實驗數據，對實測值和仿真值進行對比，驗證上述仿真方法及結論的正確性。

關鍵詞：風載荷，仿真分析，跟蹤式，光伏發電

一.研究背景

雙軸跟蹤式光伏發電設備是本文的研究對象。它有兩個回轉軸，分別旋轉跟蹤太陽的方位和仰角，保持光伏板始終跟蹤太陽運動，發電效率較固定式提高35%左右。它的最大跟日風速為14m/s，極限抗風風速為28m/s。

跟蹤式光伏發電設備具有特殊的工作環境和跟日結構，由于該設備的光伏板一直跟蹤太陽運動，所以風載荷最復雜。本文采用計算流體力學，以流體力學為基礎，以數值計算為工具，對流動問題進行分析的方法。

目前，跟蹤式光伏發電設備存在一些問題：減速器驅動扭矩過小，設計扭矩與實際工作扭矩不符。在大風天氣下，減速器經常過載工作，需要定期維修減速器;

本文的研究目的是解決跟蹤式光伏發電設備減速器容易過載工程實際問題，對該設備研發設計有工程指導意義。

二.風力和風力矩定義

風載荷作用在物體上的力一般可簡化為風力和風力矩，根據坐標系可簡化為3個力和3個力矩。參考天線結構風力體軸坐標系[1]，本文建立以跟日減速器軸線為基準的體軸坐標系。對處于三維空間中的風力，通常用、和三軸分別表示空間中的風力方向。體坐標系的六個分量為：

軸向力，沿設備軸線方向;

橫向力，沿設備軸線方向;

橫向力，沿俯仰軸方向，與地面垂直;

翻滾力矩，力矩軸線與軸線一致;

俯仰力矩，力矩軸線與軸線一致，與俯仰減速器旋轉軸同軸;

橫向力矩，力矩軸線與軸線一致，與回轉減速器旋轉軸同軸;

軸向力、橫向力和橫向力可合并為風合力。

三.光伏板風載荷仿真建模

根據跟蹤式光伏發電設備的幾何參數，建立了幾何模型和流體域，本文模型為兩個長8.0m×1.9m×0.04m的平板，確定流體域的尺寸為：70 m×55 m×25 m，模型中心距地面高度為 4.2 m，風的入口面距模型中心距離為 20 m;對仿真模型劃分了合適的網格，在流速變化大的位置網格劃分更密，提高計算精度;根據實際的流體風環境，設置選用標準的湍流模型，流體域材料為空氣，設定法向入口風速為14m/s，氣溫20℃且絕熱，參考氣壓為1標準大氣壓，流體視為不可壓縮流體;根據仿真模型的特點，選擇流固耦合求解器;最后通過后處理計算，得到了各種姿態角的風力和風力矩。

四.各種姿態角光伏板的風載荷分析

因為光伏板始終跟蹤太陽旋轉，所以其迎風角一直在變化。通過仿真后處理，計算得到各種姿態角度光伏板的風載荷。本節對風載荷隨姿態角的變化規律、最大值和特定角度產生最大值的原因進行了研究。

根據各種姿態角度光伏板的仿真風力和風力矩，研究得到風載荷的影響因素和變化趨勢;根據流體仿真，研究特定姿態角產生最大風載荷的原因。主要得出一下結論：

（1）各向風力主要與力方向的迎風投影面積有關，風力的形成原因是光伏板表面的壓差阻力，光伏板迎風面阻礙流體通過形成正風壓，背風面尾流區形成負風壓;

（2）各向風力矩主要與迎風面積和特定角度的偏心風載力有關，風力矩的形成原因是光伏板表面風壓不均產生的偏心風力和邊緣渦旋吸力;

（3）在回轉角0°、俯仰角90°時，迎風面積最大，風合力最大，最大值為5572N，該值是光伏板最大風載力;

（4）在回轉角0°、俯仰角30°時，光伏板不均布的風壓力，產生y軸方向的力矩，俯仰力矩最大，最大值為1649.2N·m，該值是俯仰減速器風載扭矩;

（5）在回轉角60°、俯仰角90°時，光伏板不均布的風壓力，產生z軸方向的力矩，橫向力矩最大，最大值為5084.4N·m，該值是回轉減速器風載扭矩。

五.光伏板風載荷仿真計算的實驗驗證

通過實驗測量風載荷，對風載荷仿真計算結果進行驗證。本文在自然低風速環境下進行試驗：首先，采集實驗現場低風速環境參數，進行風載荷仿真;然后，實驗測量跟日減速器的負載扭矩;最后，對比仿真風力矩和實測風力矩的相關性，驗證低風速風載荷仿真正確性和流固耦合仿真方法的可行性。

1.對比俯仰力矩的仿真值和實測值

如圖1通過分析數據：實驗值的平均值為165.7N·m，最小值為53.8N·m，最大值為214.1N·m;仿真值的平均值為167.3N·m，最小值為33.5N·m，最大值為213N·m;仿真值與實測值的皮爾森相關系數為0.87，呈高度線性相關[2]。

2.對比橫向力矩的仿真值和實測值

如圖2通過分析表中數據：實驗值的平均值為378.5N·m，最小值為53.2N·m，最大值為604.7N·m;仿真值的平均值為377.9N·m，最小值為0.4N·m，最大值為724.4N·m;仿真值與實測值的皮爾森相關系數為0.85，呈高度線性相關[2]。

六.結論

本文研究了光伏板的風載荷構成、風載荷理論計算方法和風流動特性，為分析風載荷提供理論基礎。建立了風載荷模型，使用流固耦合仿真方法，對不同姿態角度的跟蹤式光伏發電設備進行了風載荷仿真分析。通過分析仿真數據，研究了風載荷隨姿態角變化的規律。通過流場及風壓仿真圖，分析了特定角度產生最大風載荷的原因。在現有設備上，安裝了一套風力矩測量實驗系統，對比分析風力矩的實測值和仿真值，驗證了仿真方法的可信性。

本研究通過使用COMSOL Multiphysics軟件的流固耦合模塊，仿真得到了光伏板風載荷，模擬了實際風壓的分布特性，通過實驗基本證實了該仿真建模方法的可信性和可行性。本文的風載荷仿真方法對光伏設備的研發設計有工程指導意義。

參考文獻

[1]李在貴.天線結構設計[M].第一版.高等教育出版社，1986.

[2]楊帆，馮翔，阮羚等.基于皮爾遜相關系數法的水樹枝與超低頻介損的相關性研究[J].高壓電器，2014，50（06）：21-25+31.

1.沈陽佳曄能源科技股份有限公司 遼寧沈陽 110000;

2.沈陽飛亞水藝園景工程有限公司 遼寧沈陽 110000