地面光伏電站中光伏組件受風載荷形變分析

麻程柳，許 巖

(中國建材國際工程集團有限公司新能源國外事業部，上海 200063)

根據IEC61215要求，光伏組件需要經過機械載荷測試，其目的是測試組件承受風、雪、靜壓和冰載的能力。機械載荷測試包括靜態機械載荷試驗和動態機械載荷試驗。大部分組件廠商均將2 400 Pa靜態機械載荷測試作為測試標準，但與實際工況下的風振動和風流動變化有較大區別。自然界的風是不斷流動變化的，且頻率很高；但目前的靜態機械荷載測試中，風荷載變化的頻率很低，不能充分評估力的反復作用對組件和電池的影響。同時，在自然環境中，風荷載對組件和電池是一個長期的疲勞應力的影響，而目前的測試從測試時間上很難充分模擬其影響效果。因此，通過數值模擬對組件及光伏支架迎風受力情況進行分析，并有針對性的進行光伏組件局部結構強化，調整優化組件排列布局，對降低組件及支架結構長期機械損傷，減少電池片隱裂，增加結構壽命，具有重要意義。

繆宏等[1]通過建立真空平板玻璃在風載荷作用下表面繞度變形和應力分布模型，發現在不同風載條件下，最大應力發生在距真空平板玻璃中心處最近的支撐處，最大繞度變形在斜線方向兩支撐柱的中點。胡搖等[2]采用計算流體力學理論建立模型，分析了不同角度、不同風速下風載荷對板間不同縫隙聚熱器的影響。趙明智等[3]采用風洞對單個組件建立了低風速試驗，得到了在風載荷作用下，光伏組件作用點位置會發生偏移的結論。宮博等[4]通過風洞試驗對單片光伏板在B類風場環境中的表面風壓系數及體型系數進行研究，并基于頻域方法計算光伏板的風振位移響應。黃張裕等[5]介紹了中國、日本和美國關于光伏支架風荷載計算的規范及經驗公式，并通過數值方法分析光伏板傾角及遮擋效應對風荷載體型系數的影響。阮輝等[6]采用數值模擬技術研究安裝間距對光伏板表面風載荷的影響。雖然國內外學者對光伏組件風載荷作用進行了部分研究，但鮮有針對最新使用210 mm規格電池片的光伏組件進行相關的分析。隨著光伏組件的機械尺寸越做越大，且電池片越做越薄，對光伏組件結構強度、光伏支架系統結構設計都提出了更高的要求。光伏電站整體布局設計規范也急需新理論注入，以便更好地適應日益增大的光伏組件尺寸和增效降本的要求，對光伏系統受風載荷影響情況的探索工作仍有很多工作要做。論文采用數值模擬的方法，模擬了相同間距不同風速，相同風速不同間距兩種情況下光伏組件偏角頂端的形變情況，分析風速和組件間距影響光伏組件形變的規律，為抵抗極端風速下光伏支架系統設計及光伏電站整體布局設計提供參考。

1 計算模型

1.1 物理模型

以210 mm電池片組件的常用尺寸和地面光伏電站實際布局為背景，利用COMSOL建立二維模型，分析將多排組件依次排列時固定風速不同間距，以及固定間距不同風速兩種情況下考慮組件受力和受力位移的計算模型。如圖1所示，計算域V包括流體域Vf和固體域(組件結構)Vs，流體域介質為空氣，出口為一個大氣壓的壓力出口，流體通道長L=40 m，高H=6 m；固體支架結構為固定支架，材料為鋼，鋼結構高度為1.38 m，支架鋼寬度0.08 m，組件面板材料為玻璃，第一排距速度入口8 m，組件高Hs=2.384 m，組件厚度Ws=0.007 m，傾角45°，其楊氏模量為35×108Pa，泊松比為0.33，材料密度為2 500 kg/m3。

1.2 質量守恒方程

流體連續性方程為

(1)

式中x、y為空間坐標系的分解方向；u、v為將整體速度分解為x、y方向的分解速度。

1.3 動量守恒方程

流動過程每一瞬間流體質點處于準熱平衡狀態，動量守恒方程為

(2)

(3)

式中，p為流體壓力；ρ0為流體密度；μ為粘度。

1.4 無量綱固體動力學方程

(4)

(5)

(6)

(7)

2 數值方法及網格無關性驗證

采用COMSOL建立結構-流體相互耦合的雙向耦合分析模型。雙向流固耦合分析時首先進行流場分析，將結果傳遞給固體結構進行分析，固體結構分析的結果又需要反向再傳遞給流場分析中，然后反復迭代直至收斂。

圖2為計算域網格示意圖。其中，圖2(a)為流體域和固體域網格分布圖；圖2(b)為組件網格細節圖。在20 m/s風速下5.5 m間距條件下進行網格無關性驗證。結果表明，當流體域網格數量為54.4萬時，與網格密度更高的69.8萬流體域網格相比，相對誤差不超過1%，考慮到計算開銷等因素，最終選定的網格數為54.4萬。

3 計算結果與分析

1)不同風速下組件等距排列的組件頂端位移對比

根據不同風速下組件間距5.5 m的速度圖，迎風方向第一排組件頂端是整個光伏電站模型中風速變化率最高的區域，且靠近風速最高的區域；第二排組件頂端是整個光伏電站模型中頂端風速最低的區域，但組件面板組件底端風速大于頂端風速，并導致了第二排組件向上翹起(見圖3)。組件表面整體風速較后三排組件要高，展示了光伏電站邊緣支架結構加固的必要性。以上結果與高亮等[7]的研究成果“光伏組件所受風荷載對其傾角變化敏感，隨著傾角的增大而增大；光伏組件所受風荷載(正、負壓差值)在靠近來流上游處最大，方陣邊緣處較大，向下游發展逐漸變小”完全一致。

圖4顯示了隨著風速的提高，各排組件頂端X方向變形情況。結果表明，光伏電站整體風速除第一排和第二排組件受風形變較大，從第三排開始逐漸趨于平穩。圖4中組件固定方式為中心軸U型固定的方式，實際以檁條固定的安裝方式居多，相比中心軸U型固定組件形變幅度要小，論文主要探究極端風速下組件變形趨勢和規律。如果不對光伏發電系統邊排組件和支架部分采取加固措施，勢必會增大電池片隱裂風險。

2)20 m/s風速下組件間距不同時的組件頂端位移對比

20 m/s風速組件間距變化時，整體速度分布趨勢與前面不同風速下組件間距5.5 m的速度圖大致相同。圖5表明，當組件間距為5.5～6 m時，第三排組件頂端形變量開始趨于平穩，且形變量最小，組件間距為5 m的組件頂端形變量反而最大，6.5 m時組件頂端形變量在第四排后才趨于平穩，并與6 m間距時相差不大。因此組件排列間距具有最優值，間距不宜過大和過小，且應考慮陰影分布、土地成本和整體布局的協調性。

3)25 m/s風速下組件間距不同時的組件頂端位移對比

25 m/s風速時第一、第二排組件頂端X方向位移幅度較大，組件間距變化時，整體速度分布趨勢與前面兩種情況大致相同。圖6表明，當組件間距為6 m時，第三排開始組件頂端形變量即趨于平穩，且形變量最小；組件間距為5 m的組件頂端形變量最大，5.5 m和6.5 m時組件頂端形變量在第四排后才趨于平穩，且相差不大。這顯示了組件排列間距最優值隨風速變化而變化，25 m/s風速的氣象條件為10級風速，屬極端氣象，在光伏電站整體布局設計時應根據當地氣象條件的歷史情況進行分析，并重新計算，以適應場地環境因素。

4 結 論

該文以使用210 mm規格電池片組件的地面光伏電站實際布局為背景，將固定風速通道內光伏電站5排組件的流固耦合過程進行數值模擬，得到了組件形變量、流場及應力分布隨風速及組件間距的變化情況，展示了風流過各排組件的流動情況，得到了通道內組件布局影響因素機理。

a.在整個光伏電站布局中，迎風方向第一排組件頂端是整個光伏電站模型中風速變化率最高的點，且靠近風速最高的區域，第二排組件頂端是整個光伏電站模型中頂端風速最低的點，但組件面板組件底端風速大于頂端風速，并導致了第二排組件向上翹起。組件表面整體風速較后三排組件要高。

b.風速變化時，組件間距具有最優值。一般在第三排組件頂端形變量開始趨于平穩，且形變量最小，組件間距設計同時應考慮土地成本和整體布局的協調性。

c.在整個光伏電站中，大風速下(8級以上)前兩排組件波動較大，如不進行組件加固、支架加固等設計考慮，會對組件壽命造成影響。因此應考慮進行光伏電站邊緣支架結構加固，如加裝額外檁條、優化結構固定位置等，以減少組件隱裂。