基于計算流體力學的雙軸太陽能跟蹤系統氣動評估

陳昌宏 ,張小霞,肖 斌,柏松林,黃 鶯,朱彥飛

(1.西北工業大學 力學與土木建筑學院,西安 710012；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,西安 710068；4.西安建筑科技大學土木工程學院,西安 710055；5.教育部結構工程與抗震重點實驗室,西安 710055)

0 前 言

隨著不可再生能源儲量的減少和清潔能源需求的增加，綠色建筑和低碳節能的理念越來越受到關注，推動了光伏產業的興起。光伏組件是增長最快、最受歡迎的可再生能源系統，中國在太陽能光伏、風能和水電方面的海外投資首次占“一帶一路”計劃海外能源投資總額的一半以上，并超過化石能源投資[1]。目前除了日本的JIS-8955規范(JPEA 2019)[2]外，光伏結構設計沒有規范，而采用其他建筑規范用于粗略估算荷載，其設計結果可能會導致保守或不安全。因此，缺乏具體的風荷載設計指南成為降低光伏成本和推廣其應用的阻礙因素[3]。近幾十年來，研究大氣邊界層下光伏系統的氣動特性主要有兩種方法。一是風洞實驗。自20世紀80年代以來，人們廣泛開展了風洞試驗，Warsido[4]等人研究了間距參數對太陽能光伏板風荷載的影響。Bogdan和Creu[5]將羅馬尼亞、德國、歐洲和美國的風設計規范與光伏結構風洞試驗數據進行了比較。二是基于計算流體力學(CFD)的數值分析技術[6-7]。丁曉勇[8]等人研究了太陽能光伏跟蹤系統中的驅動方式對結構的影響。Jubayer和Hangan[9]研究了在不同風向下風對地面安裝獨立光伏系統的影響。Reina和De Stefano[10]對高展弦比地面安裝光伏板的風荷載進行了CFD研究。王迎春[11]等人研發設計了一種裝配式鋁合金光伏支架。Li等人采用雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方法研究了安裝在建筑物屋頂上光伏陣列的風壓分布[12-15]。

本文基于CFD數值分析技術，建立15個數值計算模型來描述雙軸太陽能光伏板陣列結構的氣動特性，通過設置光伏板的旋轉角度和風向等參數，研究風場對雙軸太陽能跟蹤系統的影響，分析光伏支架縱向和水平間距對風場的干擾效應，以確定面板承受最小風荷載的最佳距離。

1 CFD數值模型

1.1 模型參數

本文基于CFD數值分析，全比例1∶1幾何建模，由25個雙軸太陽能跟蹤系統組成，分為5行5列，共采用40塊光伏板，長10 200 mm，寬7 884 mm，光伏組件的規格如表1所示。風場尺寸為長180 m，寬200 m，高40 m(見圖1(a))，第一排與入口邊界距離為20 m，當縱向間距為20 m時，出口邊界設置在最后一排后面80 m(見圖1(b))。

表1 光伏組件的規格

光伏板傾角隨太陽位置的變化而變化，傾角的旋轉范圍通常在-70°～70°。為了確定最不利風向，對傾角45°，風速22 m/s，風向分別為0°、45°、90°、135°和180°進行了CFD數值模擬。考慮到不同建筑場地各種因素的影響，CFD數值模型中設置了3個水平間距(1、2、3 m)和3個縱向間距(10、15、20 m)，以考慮不同間距對光伏板陣列氣動特性的影響。CFD模擬案例見表2。

表2 CFD模擬案例

1.2 邊界條件和假設

如圖2所示，入口邊界采用V=22 m/s的均勻恒定流入速度，出口邊界采用零壓出口，光伏板壁面和風場底部均采用無滑移光滑邊界條件，風場上部和側面采用對稱邊界條件。

圖2 面板傾斜和風向示意

由于風場假設為不可壓縮材料，采用k-ωSST數值模型研究湍流模式下雙軸太陽能跟蹤系統的氣動特性，在k-ωSST中引入了湍流動能k與湍流耗散率ω方程：

(1)

(2)

公式(2)中:Gk為平均速度梯度產生的湍流動能，m2/s2；Gb為浮力產生的湍流動能，m2/s2。

(3)

(4)

(5)

在本CFD模擬中，默認常數為：cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σe=1.3模型中風場參數如表3所示。

表3 風場參數

雷諾數：

(6)

湍流強度：

I=0.16×(Re)-1/8=0.024

(7)

湍流粘度比：

μ/v=1.225

(8)

2 結果討論

2.1 風壓測量

當風吹向光伏板時，風場在光伏板前緣分離并繞其流動，從而導致面板上下表面壓力不平衡。將CFD分析得到的壓力數據通過參考動壓力進行歸一化，以獲得如下無量綱壓力系數[16]：

(9)

公式(9)中:Cpi為位置i處的無量綱壓力系數；pi為光伏板表面位置i處測得的壓力；p0為參考高度處的平均靜壓；ρ為空氣密度，V為光伏板平均高度測得的平均風速，光伏板平均高度等于雙軸跟蹤光伏支架的柱高。總凈壓力系數Cpi,tot為同一位置上頂部表面的Cpi和底部表面的Cpi之間的差值：

Cpi,tot=Cpi,top-Cpi,bottom

(10)

方程式(11)和(12)采用了阻力系數(CD)和升力系數(CL)[17]。

CD=∑Cpi,totAisinθ/A

(11)

CL=∑Cpi,totAicosθ/A

(12)

式中:Ai是與Cpi相關的面積，m2;A是所有光伏板的總表面積，m2;θ是光伏板的傾角,(°)。

2.2 傾角對面板風壓的影響

如圖3所示，給出了用于評估雙軸太陽能跟蹤系統氣動特性4個傾角(θ=0°、30°、45°、70°)下的風壓結果。CFD工況中有4個不變參數，即風向0°，風速22 m/s，縱向間距10 m，水平間距1 m。光伏板風壓隨傾角的增大而增大，傾角70°時風壓達到最大，傾角0°時風壓最小。光伏系統的風壓從中間向兩側逐漸減小，中間光伏板的風壓最高，與其他排相比，第一排是光伏板的關鍵排，因為它承受最大的風荷載，并作為一個屏障頂風。從圖3可以發現，傾角越大，屏蔽效果越明顯。

圖3 4個面板傾斜時的面板風壓等值線

圖4分別顯示了傾角θ=0°、θ=30°、θ=45°和θ=70°時光伏板的阻力系數(CD)和升力系數(CL)分布。就單個阻力系數曲線而言，它呈現出逐漸下降的趨勢，當傾角為0°時，阻力系數在零附近浮動(見圖4(a))。升力系數除了在傾角0°時徘徊在零度外，呈現出逐漸上升的趨勢(見圖4(b))。需要注意的是，阻力系數(CD)和升力系數(CL)在第二排急劇變化，而在其余排變化平緩，這為劃分風荷載區域的光伏系統設計提供了依據。

圖4 面板傾斜時阻力系數(CD)和升力系數(CL)分布

2.3 風向對面板風壓的影響

由于風的流動不僅限于一個方向，對不同的風向角進行建模，以確定特定面板傾角的臨界風向。對風向α=0°(圖5a)、45°(見圖5(b))、135°(見圖5(c))和180°時(見圖5(d))，分別給出縱向間距L=10 m、水平間距H=1 m的風壓分布。將本研究與Warsido等人進行的風洞試驗進行比較，風壓分布大致相似。值得注意的是，90°風向(見圖5(c))的風壓值在零附近波動，原因是來自流場入口的風直接通過光伏模型，對面板幾乎沒有影響。0°風向的第一排風壓高于45°風向，135°和180°風向的結果相同，這是因為來自流場入口的所有風不會直接吹到第一排光伏板上，部分風在45°風向的第2～5排和135°風向的第1～4排流動。從0°和45°風向的風壓等值線可以看出，45°風向下第2～5排風壓高于0°風向，135°風向下第1～4排風壓高于180°風向。從圖5(a)中可以看出，0°風向時第2～5排風壓完全位于第1排的尾跡中，而且光伏板的流線和風壓圍繞穿過排中心的軸線對稱，180°風向(見圖5(e))時也觀察到類似的結果。對于45°風向(見圖5(b))，排之間的風流動導致2～5排周圍的風壓高于0°、180°風向，對于135°風向，第1～4排也呈現相同的現象(見圖5(d))。

圖5 5個風向的面板風壓等值線

為了更好地表示光伏板的氣動特性，分別繪制了光伏板第1～5排的阻力和升力系數曲線，如圖6所示。從單個系數分量來看，180°風向對最大CL(見圖6(b))至關重要，0°風向對最大CD(見圖6(a))至關重要。對于0°和45°風向，在第2排觀察到最小系數(阻力和升力)，對于135°風向，在第3排觀察到最小系數，對于180°風向，在第1排觀察到最小系數。

圖6 5個風向阻力系數(CD)和升力系數(CL)分布

2.4 間距對面板風壓的影響

2.4.1縱向間距

為了研究縱向間距對光伏板氣動壓力的影響，分別在縱向間距為L=10、15 m和20 m時進行了三維CFD模擬。模型和風場的參數設置保持不變，只改變縱向間距。如圖7所示，不同縱向間距在同一位置的面板風壓分布不同，與第3.2節中的結果類似，原因是迎面而來的氣流中大部分能量被第一排面板消散，導致風速顯著降低。

圖7 不同縱向間距下面板風壓和無量綱壓力系數等值線

為了進一步解釋光伏板上風壓分布差異的原因，圖8給出了不同縱向間距時的壓力系數分布，可以看出，縱向間距對光伏板的風壓分布有顯著影響，尤其在間隙區域，可以觀察到，縱向間距的增加導致第一排光伏板壓力系數降低，而其余光伏板壓力系數增大。由于縱向間距的增大，第一排壓力系數(5%)的減小歸因于板尾流中流動結構的變化，隨著縱向間距的增加，更多的氣流通過間隙，導致第一排屏蔽效果減弱。

圖8 不同縱向間距下的無量綱壓力系數

2.4.2水平間距

當風向為0°時，不同水平間距的光伏板風壓如圖9所示。可以看出，第一排風壓不受水平間距的影響，但當水平間距參數設置為3個值(1、2、3 m)時，同一位置的其余面板風壓狀態不同。

為了進一步了解面板周圍的流體流動，圖10給出了不同水平間距的壓力系數分布。隨著水平間距的增大，第一排光伏板壓力系數幾乎沒有變化，其余光伏板壓力系數逐漸上升，這是由于水平間距的增大使得通過縫隙的氣流增大。此外，當水平間距從2 m變為3 m時，壓力系數值的上升幅度大于從1 m變為2 m。當水平間距逐漸增大時，整個模型的風阻將變得更差，每個光伏支架將成為一個單獨的支架，直接承受來自流場入口的風。因此，在設計雙軸太陽能跟蹤系統時，應充分考慮光伏支架水平間距對風場的影響。

圖10 不同縱向間距下的無量綱壓力系數

3 結 論

采用剪切應力傳輸(SST)k-ω數值模型對雙軸太陽能光伏跟蹤系統進行CFD分析，旨在更好地了解光伏板的風效應和空氣動力特性的變化規律。基于對光伏板陣列的數值分析，可以得出以下結論：

(1)由于在整個雙軸太陽能跟蹤系統中，當風向為0°時，第一排的光伏板起到了防風的作用，因此所承受的風壓分布不均勻，第一排光伏板風壓高于其他排的風壓。此外，0°風向的第一排風壓高于45°風向，135°和180°風向的結果相似。45°風向的第2-5排的風壓高于0°風向。同樣，135°風向的第1～4排風壓高于180°風向。最大CL的臨界風向為180°，最大CD的臨界風向為0°。

(2)隨著光伏板傾角的增加，光伏板的風壓呈現逐漸上升的趨勢。

(3)縱向間距的增大導致第一排光伏板的壓力系數降低，而其余光伏板上的壓力系數升高。隨著光伏系統水平間距的增加，第一排光伏板上的壓力系數幾乎沒有變化，但其余幾排光伏板上的壓力系數都在上升。