草原地區(qū)的太陽能光伏板風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗研究

龍浩楠

摘 要：通過風(fēng)洞試驗對草原地區(qū)太陽能光伏板的風(fēng)壓分布規(guī)律進行研究，并對比了平坦地區(qū)的太陽能光伏板的風(fēng)壓分布情況，通過改變來流風(fēng)向角研究光伏板表面平均風(fēng)壓系數(shù)、體型系數(shù)的干擾效應(yīng)，然后與規(guī)范對比和引入干擾因子來探討與分析光伏板在兩種環(huán)境下的影響程度。結(jié)果表明，由于草原植被的影響，來流會在板面中下部形成停滯區(qū)域，其中局部風(fēng)壓系數(shù)高達1.4，有必要引入局部風(fēng)壓系數(shù)避免板面局部失穩(wěn);草原地區(qū)的光伏板相較于平坦地區(qū)整體風(fēng)壓系數(shù)呈縮小趨勢，尤其是當(dāng)風(fēng)向角達到180°時達到極小值。

關(guān)鍵詞：草原地貌;風(fēng)荷載;風(fēng)洞試驗;光伏板

中圖分類號：TU312.1 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0079-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.018

Wind Tunnel Test Study of Wind Load on Solar Photovoltaic Panels in Grassland Area

LONG Haonan

（Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000，China）

Abstract： The wind pressure distribution law of solar photovoltaic panels in grassland area is studied by wind tunnel test， and the wind pressure distribution of solar photovoltaic panels in flat area is compared， and the interference effect of changing the incoming wind angle on the average wind pressure coefficient and body coefficient on the surface of photovoltaic panels. Then compare with norms and introduce disturbance factors to explore and analyze the degree of influence of PV panels in both environments. The results show that due to the influence of grassland vegetation， the incoming flow will form a stagnant area in the middle and lower part of the panel surface， where the local wind pressure coefficient is as high as 1.4， and it is necessary to introduce local wind pressure coefficients to avoid local instability of the panel surface; the overall wind pressure coefficient of PV panels in grassland areas tends to decrease compared with that in flat areas， especially when the wind angle reaches 180° to reach a very small value.

Keywords：grassland landscape; wind load; wind tunnel test; photovoltaic panels

0 引言

太陽能光伏板的風(fēng)荷載研究以往都是在平坦地面或屋頂環(huán)境下，對于光照條件俱佳的草原地貌下的研究則少之又少。相對于安裝在平坦地區(qū)或屋頂上的光伏板，安裝在草原地貌上的光伏板由于草原植被的影響，導(dǎo)致近地面一定范圍內(nèi)的風(fēng)場比較復(fù)雜。馬文勇等[1]探討不同底部阻塞率對太陽能板表面風(fēng)荷載的影響，分析了阻塞對風(fēng)荷載的影響機理，結(jié)果表明，底部阻塞帶來的影響與光伏板的傾角有很大的關(guān)系;張愛社等[2]利用數(shù)值分析的方法分析了屋面光伏板的風(fēng)荷載特性，發(fā)現(xiàn)影響光伏板風(fēng)荷載的因素主要有安裝位置和傾角，以及陣列之間的距離和風(fēng)向角等;龔敏等[3]利用風(fēng)洞在有無女兒墻、不同風(fēng)向角以及不同傾角下測試了單個屋面光伏組件，隨著光伏板傾角的增大，作用在光伏面板上的風(fēng)荷載大致呈上升趨勢，同時還發(fā)現(xiàn)女兒墻可有效減少光伏組件的風(fēng)荷載。筆者將通過風(fēng)洞試驗對草原地貌下的太陽能光伏板的風(fēng)壓分布規(guī)律進行研究，并與在平坦地區(qū)環(huán)境的光伏板進行比較，從而獲取光伏板在平坦地區(qū)與草原地貌環(huán)境下的平均風(fēng)壓系數(shù)、體型系數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 測試設(shè)備與測點布置

本試驗采用的直流低速邊界層風(fēng)洞全長60 m，試驗段長度為20 m，寬度為3 m，高度為2.5 m，試驗段最大風(fēng)速為30 m/s，最小可控風(fēng)速為1.5 m/s，風(fēng)洞試驗參考風(fēng)速為8 m/s，采樣頻率為330 Hz。光伏板模型為有機玻璃制成的剛性模型，高0.775 m（傾角為0°時），0.5 m×0.5 m的矩形面板，縮尺比為1∶20，整個模型由板面、支撐體系、轉(zhuǎn)軸以及立柱組成。模型板面由8×8塊矩形面板組成，每塊板都有正反兩面各一個測點，方便同時測量該測點處正反板面處的壓力。同時板面可無極調(diào)節(jié)以滿足各種測試工況下俯仰角的需求。

1.2 試驗工況

風(fēng)洞試驗在均勻流場中進行，B類風(fēng)場的模擬包括平坦地面與草原地貌2個工況（其中草高度h=0.4H，距離模型距離x=8h，孔隙率為40%，見圖1），每種工況下的仰角均為30°、風(fēng)向角為0°～180°（每30°進行一次定位），具體試驗工況見表1。本次試驗選取0.5 m高度處作為參考點。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由《結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用》第三章可知，體型系數(shù)一般由風(fēng)洞試驗確定。首先，在風(fēng)洞試驗中測得建筑物表面上任一點沿順風(fēng)向的凈風(fēng)壓力[CnetPi]，再將此壓力[CnetPi]除以建筑物遠前方上游自由流風(fēng)的平均動壓[0.5ρV2ref]，得到一個無量綱系數(shù)[CPi（t）]，稱為該測點的風(fēng)壓力系數(shù)，具體如式（1）至式（3）。

[CPi（t）=Pi-Psat0.5ρV2ref]? ? ? （1）

[CnetPi=CfPi-CbPi=Pfi-pbi0.5ρV2ref]? ? （2）

[CPimean=1N1NCPi（t）]? ? ?（3）

式中：[CPi mean]為測點平均風(fēng)壓系數(shù);[CPi（t）]為模型上測點[i]的風(fēng)壓系數(shù);[Pi]為該測點的壓力值;[Psat]為參考點的靜壓;[ρ]是空氣密度;[Vref]是參考點的試驗風(fēng)速，本次試驗參考點風(fēng)速取8 m/s;[CnetPi]為測點的凈風(fēng)壓系數(shù);[CfPi] 為板的正面平均風(fēng)壓系數(shù);[CbPi]為板的背面平均風(fēng)壓系數(shù);[Pfi]、[pbi]分別為板的正面和背面測點壓力值;[N]為采樣點數(shù)目。

通過式（3）的變換，將試驗測出的平均風(fēng)壓系數(shù)換算成局部體型系數(shù)，可以得到結(jié)構(gòu)表面的第i點的平均局部體型系數(shù)[μsi]，用式（4）表示。μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，用式（5）表示。

[μsi=CPimeanZ0Zi2α]? ? ?（4）

[μs=iμsiAiA]? ? ? ?（5）

式中：α為地面的粗糙度指數(shù)，取B類地面粗糙度指數(shù)為0.15;Zi為測點的高度，0.5 m;Ai為i點對應(yīng)的投影面積;A為相應(yīng)面的投影面積。

干擾因子的定義如式（6）[4]。

[光伏板整體平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子IF=]

[草原地區(qū)各測點的平均風(fēng)壓系數(shù)平坦地區(qū)各測點的平均風(fēng)壓系數(shù)]? （6）

根據(jù)參考文獻[4]對干擾因子大小的定義，按照干擾因子的大小將干擾因子分為以下兩種類型：

①當(dāng)IF≤0.6時，“顯著縮小”;

②當(dāng)0.6≤IF≤0.8時，“中度縮小”。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 平坦地區(qū)光伏板表面風(fēng)壓分析

為了全面具體地分析光伏板表面風(fēng)壓分布情況，采用平均風(fēng)壓系數(shù)等值線圖進行分析。

由圖2可以看出，平坦地區(qū)光伏板平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律隨著風(fēng)向角的變化大致分為0°～90°和90°～180°兩種情況。

如圖2（a），在0°風(fēng)向角下，光伏板表面的風(fēng)荷載主要為壓力，靠近光伏板底端風(fēng)壓力達到最大，隨著距離不斷增加，風(fēng)壓力梯度不斷加強。主要原因是當(dāng)來流風(fēng)吹過光伏板時，首先與其下部接觸，大部分氣流向上流動，少部分氣流則向下流動，繞過了光伏板。于是，停滯區(qū)域中心出現(xiàn)在光伏板下端且達到最大值2.0，而在上部達到最小值1.0。

當(dāng)來流不再正面吹向光伏板而是呈一定的角度時（30°～90°風(fēng)向情況下），光伏板表面處停滯區(qū)域隨著風(fēng)向角的移動而不斷向左移動。在30°風(fēng)向角時，停滯區(qū)域中心轉(zhuǎn)移至板面左下處，而風(fēng)向角到達60°和90°時，停滯區(qū)域最終停留至板面最左端。同時光伏板處于60°風(fēng)向角時，其平均風(fēng)壓系數(shù)最大值與最小值均有所減小。當(dāng)風(fēng)向角達到90°時，板面整體風(fēng)壓由壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲?，特別是附著在光伏板左側(cè)的氣團首次從壓力變?yōu)槲?，其平均風(fēng)壓系數(shù)由+1.85突然轉(zhuǎn)變?yōu)?0.75。這是由于來流風(fēng)垂直于板面?zhèn)冗叄瑢?dǎo)致氣流分離再附著形成了很大的負壓區(qū)，從而造成風(fēng)壓系數(shù)斷崖式變化。

當(dāng)風(fēng)向角達到90°～180°時，由于來流風(fēng)不再吹向光伏板，故光伏板板面整體從風(fēng)壓力突然轉(zhuǎn)變成風(fēng)吸力，繞到光伏板背面，所以板面整體突然轉(zhuǎn)變成吸力。120°～180°風(fēng)向角時，板表面停滯區(qū)域繼續(xù)隨著風(fēng)向角移動（如圖2所示），最終到達光伏板最上端，平均風(fēng)壓系數(shù)最大絕對值為1.8，最小絕對值為0.1。

總體來看，風(fēng)向角為0°～60°時，板面為正壓;風(fēng)向角為120°～180°時，板面為負壓。平坦地區(qū)處的光伏板在0°～180°風(fēng)向角下表面會形成一停滯區(qū)域，該區(qū)域首先從板面下端產(chǎn)生，最終停留至板面上端。該停滯區(qū)域最大風(fēng)壓系數(shù)為2.1左右，同時氣流以該停滯區(qū)域為中心向四周擴散，且這種停滯氣流的作用越來越弱。

2.2 草原地區(qū)光伏板表面風(fēng)壓分析

與平坦地區(qū)光伏板表面風(fēng)壓分析情況相同，筆者同樣采用平均風(fēng)壓系數(shù)等值線圖進行分析。

由2.1可知，在平坦地區(qū)0°風(fēng)向角下的光伏板會在板面的中下部出現(xiàn)停滯區(qū)域。這是由于來流風(fēng)與光伏板下部相遇時，大部分氣流向上攀升穿過結(jié)構(gòu)，少部分氣流則向下繞過光伏板，故停滯區(qū)域中心會出現(xiàn)在板面中下部。由圖3可知，草原地貌0°風(fēng)向角下的光伏板停滯區(qū)域位置則出現(xiàn)在板面的中上部。由于草原植被的出現(xiàn)阻擋了一部分來流風(fēng)，少量來流風(fēng)從空隙中流過，而大部分則選擇從植被上端流過。所以光伏板下部的平均風(fēng)壓系數(shù)減小了，來流風(fēng)與板面的接觸點也上移了，停滯區(qū)域中心的風(fēng)壓同樣也減弱了。

草原地區(qū)下的太陽能光伏板平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律隨著風(fēng)向角的變化同樣也大致分為0°～90°和90°～180°兩種情況。0°～60°風(fēng)向角下的光伏板表面形成了一停滯區(qū)域且同樣隨著風(fēng)向角的變化停滯區(qū)域向板面左側(cè)移動，并最終停留在板面左上角。平均風(fēng)壓系數(shù)最大值為1.4，最小值為0.65。當(dāng)風(fēng)向角達到90°時，與平坦地區(qū)情況一致，板面整體風(fēng)壓由壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲Γ髠?cè)停滯區(qū)域逐漸由一個大停滯區(qū)域分裂成兩個小停滯區(qū)域。同時板面上形成了一個個小停滯區(qū)域，風(fēng)壓分布不再有層次，而是變得十分紊亂。雖然板面氣壓比較紊亂，但彼此數(shù)值都比較接近于0，出現(xiàn)在左上角處的吸力最大值為0.06。

風(fēng)向角到達90°～180°時，與平坦地區(qū)光伏板情況基本一致。首先都是板面整體從風(fēng)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)吸力，其次板表面停滯區(qū)域同樣隨著風(fēng)向角移動最終到達光伏板最上端。但與前者不同的是，其平均風(fēng)壓系數(shù)最大絕對值為1，較前者減小了80%。

總體來看，在風(fēng)向角為0°～60°時，板面均為正壓，風(fēng)向角為120°～180°時，板面均為負壓。草原地區(qū)的光伏板在風(fēng)向角為0°時，停滯區(qū)域相對平坦地區(qū)相同風(fēng)向角時位置上移了。主要是由于草原植被的存在，少部分氣流向下繞過光伏板，而大部分氣流則選擇通過植被向上攀升穿過結(jié)構(gòu)，故停滯區(qū)域會上移。同時，該停滯區(qū)域會因為風(fēng)向角的改變產(chǎn)生與平坦地區(qū)光伏板板面上相同的移動軌跡。停滯區(qū)域的最大風(fēng)壓系數(shù)為1.4左右，氣流以該停滯區(qū)域為中心向四周擴散，且這種停滯氣流的作用越來越小。

3 干擾效應(yīng)對光伏板整體平均風(fēng)壓系數(shù)的影響

干擾效應(yīng)對光伏板整體分壓系數(shù)的影響其實是對板面豎向方向合力的影響，為了系統(tǒng)地分析草原地區(qū)與平坦地區(qū)兩種不同環(huán)境對光伏板整體風(fēng)壓系數(shù)干擾效應(yīng)的變化規(guī)律，圖4給出了0°～180°風(fēng)向角光伏板在兩種環(huán)境下的整體平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子變化趨勢。

由圖4統(tǒng)計結(jié)果可以看出，草原地區(qū)光伏板的整體風(fēng)壓系數(shù)較平坦地區(qū)光伏板的整體風(fēng)壓系數(shù)縮小。光伏板板面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子隨風(fēng)向角的變化而變化，整體呈下降趨勢。在風(fēng)向角為0°、30°時，其干擾因子為0.64，屬于“中度縮小”;而60°風(fēng)向角以后干擾因子絕對值均小于0.6，最終在180°風(fēng)向角時達到最小值0.4，屬于“顯著縮小”?？傮w看來，由于草原植被等的影響，光伏板在草原地區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)較平坦地區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的減小，尤其是風(fēng)向角為180°時達到了極小值。

4 結(jié)論

①平坦地區(qū)的太陽能光伏板在風(fēng)向角為0°～90°時，板面所受風(fēng)壓為正壓，90°～180°時板面所受風(fēng)壓為負壓，其中當(dāng)風(fēng)向角為90°時，板面所受風(fēng)壓處于正負風(fēng)壓變換的臨界情況。同時，板面會形成一股始于板面中下部的氣旋，隨著風(fēng)向角的變化，該氣旋會沿著板面四邊移動，最終停留在板面最上端。板面上的風(fēng)壓分布由該氣旋開始向外呈“漣漪”狀輻射（或降低或升高）。

②草原地區(qū)的太陽能光伏板在風(fēng)向角為0°～180°時，板面風(fēng)壓變化規(guī)律與平坦地區(qū)的光伏板類似。但是由于草原植被的影響，來流大部分向上攀升穿過草地，最終在板面中下部形成停滯區(qū)域，同樣會隨著風(fēng)向角的改變而相應(yīng)移動。最大風(fēng)壓系數(shù)絕對值1.4發(fā)生在風(fēng)向角為0°～60°時，設(shè)計時應(yīng)考慮這些局部風(fēng)壓較高的地方，若有必要可引入局部風(fēng)壓系數(shù)，以避免板面局部失穩(wěn)。

③草原地區(qū)光伏板的整體風(fēng)壓系數(shù)較平坦地區(qū)光伏板的整體風(fēng)壓系數(shù)縮小。光伏板板面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子隨風(fēng)向角的變化而變化，整體呈下降趨勢。受草原植被等因素的影響，光伏板在草原地區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)較平坦地區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)有不同程度的減小，尤其是風(fēng)向角為180°時達到了極小值。

參考文獻：

[1] 馬文勇，柴曉兵，劉慶寬，等.底部阻塞對太陽能光伏板風(fēng)荷載的影響研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（2）：129-134.

[2] 張愛社，高翠蘭，申成軍，等.屋面光伏板風(fēng)荷載特性數(shù)值分析[J].計算力學(xué)學(xué)報，2016，33（5）：683-688，737.

[3] 龔敏，歐添雁.單個屋面光伏組件風(fēng)載體型系數(shù)風(fēng)洞試驗研究[J].安徽建筑，2015，22（6）：183-184，196.

[4] 謝壯寧，顧明.任意排列雙柱體的風(fēng)致干擾效應(yīng)[J].土木工程學(xué)報，2005，38（10）：32-38.