一種平坦地形光伏支架風荷載優化應用

荊雷 韓曉亮

摘? 要：建設太陽能光伏發電工程，符合國家新能源產業政策和內蒙古地區電源規劃原則。開發新能源是我國能源發展戰略的重要組成部分，我國政府對此十分重視。在太陽能光伏電站項目中，光伏板支架及基礎是整個光伏電站項目投資的重要組成部分，而在光伏板支架及基礎的設計過程中，風荷載是光伏板支架設計中的控制荷載，對光伏電站中風荷載的取值進行更為細致的研究，對光伏電站項目而言都具有極為重要的意義。

關鍵詞：光伏;風荷載;優化

中圖分類號：TU312.1? 文獻標識碼：A

1光伏產業發展前景

2020年12月12日，國家主席習近平在氣候雄心峰會上通過視頻發表題為《繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程》的重要講話，宣布中國國家自主貢獻一系列新舉措。習近平主席提到：到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。

內蒙古自治區西部，地域廣袤，光資源充足，適宜建設大規模光伏電站，尤其是內蒙古西部，有大量荒漠化土地，地勢較為平坦，近幾年國家推出相關光伏治沙和牧（農）光互補相關產業政策，在大力發展新能源的同時，兼顧了環境治理和資源整合。

2光伏結構設計優化要點

2.1光伏結構設計要點

在太陽能光伏電站項目中，光伏板支架及基礎是整個光伏電站項目投資的重要組成部分，而在光伏板支架及基礎的設計過程中，由于光伏板自身重量較輕，自重及地震工況往往不起控制作用，大多數情況下風荷載是光伏板支架設計中的控制荷載，換言之，風荷載的取值大小直接決定著光伏電站的投資成本，因此，無論從技術角度還是經濟角度來看，對光伏電站中風荷載的取值進行更為細致的研究，對光伏電站項目而言都具有極為重要的意義[1]。

2.2光伏結構設計風荷載取值

目前光伏支架及基礎設計的相關規范要求以基本風壓作為支架及基礎計算的依據，根據《建筑結構荷載規范》，基本風壓是按當地空曠平坦地面上10m高度處10min平均的風速觀測數據，經概率統計得出50年一遇最大值確定的風速，再考慮相應的空氣密度，按貝努利（Bernoulli）公式確定的風壓。根據《太陽能發電站支架基礎技術規范》GB51101-2016，基本風壓應采用重現期不低于支架基礎設計使用年限的值，對于光伏發電站支架基礎可取重現期不小于 25 年的值。根據《光伏支架結構設計規程》NB/T 10115-2018，地面光伏支架設計時，應按25年重現期確定基本風壓[2]。

（1）因為光伏發電場光伏板排列前后間距非常緊密，而且一般都成片的連成若干個方陣布置，在風吹過光伏方陣時，與空曠平坦地面的氣流條件是截然不同的，嚴格來說，作用在光伏板上的風荷載不能直接采用基本風壓計算，但是對于光伏陣列的風荷載折減系數究竟取多少合適，仍然有待商榷;（2）由于上風向的光伏板對下風向的光伏板存在著明顯的擋風效應，位于光伏陣列內部光伏板上的的風荷載會明顯小于位于光伏陣列邊緣光伏板上的風荷載。因此，在光伏發電場設計時，如果對所有光伏板都按照同樣的風荷載進行取值，不僅不符合風荷載作用的實際情況，而且也是十分不經濟的，會造成大量不必要的投資[3]。

基于以上原因，《光伏支架結構設計規程》NB/T 10115-2018規定，在進行大范圍集群光伏支架結構設計時，雖然沒有對基本風壓進行折減，但在具體支架體型系數采取時，進行了相關規定，其實也是考慮了風荷載在光伏支架上產生的效應的不同。

本文直接對大范圍平坦地形光伏支架不同區域的風荷載基本值進行了研究，給出更明確的一種取值算法。

2.3風荷載實測和理論計算

本次研究以已建成的內蒙古自治區達拉特旗境內某大型光伏發電場為研究對象，采用現場試驗與CFD數值模擬方法相結合的方式對低層氣流流經大型集中式光伏發電場產生的衰減現象進行研究[4]。

這里關于項目當地具體氣象條件不詳細論述。

如圖1所示為測風設備安裝位置示意圖。本次試驗共安裝3套風速和風向儀，其中2套安裝于陣列中（如圖2所示的現場編號1、2號氣象站），測風儀高于光伏陣列1米;1套測風塔安裝于陣列外（如圖3所示的3號氣象站），海拔高度與1、2號氣象站基本一致，周圍無任何障礙物，以3號氣象站的數據作為場地風壓計算的基本數據，與以1/2號氣象站的數據計算的基本風壓做對比。

本次截取2018年11月至2019年10月數據進行處理，得出各段風速如表1所示：

根據上表2可知對于N向來風，根據光伏區內測風點1#、2#計算的各風速段基本風壓與光伏區外控制點3#計算出的各風速段基本風壓比最大為0.38，且根據1#計算的結果與根據2#計算的結果相差不大。因此根據實測數據對于N向來風，光伏區內部風壓折減系最小可取0.38。

筆者還對現場S、E、W、WS、WN、NE、NS向來風不同角度進行分析，W向來風，根據光伏區內測風點1#、2#計算的各風速段基本風壓與光伏區外控制點3#計算出的各風速段基本風壓比最大為0.83，其他方向，根據光伏區內測風點1#、2#計算的各風速段基本風壓與光伏區外控制點3#計算出的各風速段基本風壓比最大為0.73[5]。

2.4光伏場風荷載的CFD數值模擬

2.4.1 邊界條件

場地地形：水平狀態。

光伏板朝向：正南方向，與水平方向夾角39°。

來流風速：17.1m/s（水平風速，即垂直風向角為零度），屬于七級與八級風。

來流風向：正北、正南、北偏西30°、西北風45°、西偏北30°、西南風45°、西風、東風等8個風向。

標準空氣狀態：大氣壓（101千帕）、空氣密度（1.25㎏/m3）。

分析中空氣設定為恒密度，忽略空氣隨氣壓變化而產生的密度變化。

風速風壓對照表，是當風向垂直物體表面時所產生的最大風壓，當風向與物體表面夾角變小時，在相同風速狀態下，表面風壓隨之變小。由于光伏板設置水平夾角為39°，因此水平風速與太陽能板夾角也為39°[6]。

2.4.2 模擬分析

正北風向：

如圖4所示，從正北風向模擬圖中可以看出受第一排太陽能板的阻擋，光伏陣列內部風速明顯衰減。

北偏西30°風向：

如圖5所示，從北偏西30°風向的模擬圖中可以看出布局內部風速較小，但在30°斜向風的影響下，在內部出現一條約45°斜向較高風速帶。

3研究結論

根據以上現場試驗結果以及CFD數值分析可以得出如下結論[7]：

（1）結果均表明，不論風速風向如何，低層氣流流經大型集中式光伏發電場均會產生明顯的衰減現象;

（2）在垂直于光伏陣列的氣流吹過時，迎風的第一排光伏板承受的風壓最大，經過第一排光伏板后，在光伏陣列內部的風壓明顯衰減，在與光伏陣列斜交的氣流吹過時，在光伏陣列內部會產生一個斜向的較高風速帶，此時，光伏陣列中迎著斜向風的兩個邊緣的第一排光伏板承受的風壓最大，經過這兩排光伏板后，在光伏陣列內部的風壓明顯衰減。

（3）對于同一方向來風，風速越大，風壓折減系數有變小的趨勢。

（4）對于N、NE、E、W這四個方向來風，風壓折減系數在1#與2#計算的結果相差較小;對于NW、S、SE、SW這四個方向來風，風壓折減系數在1#與2#計算的結果相差較較大，說明風流過光伏陣列時，在光伏陣列內部的風壓折減系數與風向有關。

（5）現場試驗結果分析表明，密集光伏支架區域中心位置，最小的風荷載折減系數為0.83。

（6）在進行光伏支架結構計算時，設計人往往取值垂直于光伏支架方向的風荷載，即N向來風，其他方向最為校核計算使用。在采用N向來風轉換為基本風壓時，密集光伏核心區支架核算時，按實測和研究結果可以采用極限0.38的折減系數。

（7）本研究結果僅限于平坦地形，單個集群單元，相對空氣密度情況。研究結論，未考慮各種偶發工況，故相關參數冊采用，僅供交流jiq參考，相關設計計算，仍需按規范執行。

參考文獻

[1]孫海濤，顧全軍，朱彥飛，等.中日菲三國太陽能光伏支架風荷載計算[J].低碳世界，2016（21）：262-263.

[2]陳偉，陸元明，章正暘，等.基于有限元的光伏支架風荷載的確定及強度分析[J].科技風，2018（16）：168-170.

[3]買發軍.某大型光伏電站支架分層風荷載分析研究[J].太陽能，2017（9）：29-31.

[4]周承軍，陳亮，陳創修，等.平單軸光伏支架在大風保護狀態時的最佳傾角研究[J].太陽能，2019（7）：52-59.

[5]朱德志.新型壓重式光伏支架的荷載分析與應用[J].鎮江高專學報，2017，30（1）：54-56，67.

[6]史磊.光伏電站支架系統結構抗臺風設計實踐[J].南方能源建設，2020，7（1）：90-94.

[7]李偉，董兆萍，王云浩.光伏電站陣列風荷載數值模擬研究[J].天津城建大學學報，2020，26（3）：213-217，224.

收稿日期：2021-08-05

作者簡介：荊雷（1980—），男，河北保定人，碩士，工程師，研究方向：發電、新能源設計。