含沙量對地面光伏陣列的氣動載荷研究

李超群，來永斌，王 龍

（安徽理工大學機電工程學院，安徽 淮南 232001）

光伏發電是目前太陽能利用最成熟，裝機范圍最廣的綠色能源技術，大部分集中式光伏電站都安裝在太陽能資源豐富的西北地區，然而這些地區風沙活動頻繁，光伏陣列的承載結構與板面不僅需要抵抗風力作用，還要考慮板面沙粒堆積和大氣中沙粒運動產生的沖擊力導致板面磨損破壞，影響光伏陣列的正常運行。風沙流在流經光伏陣列時，會降低空氣的攜沙能力，導致沙粒堆積在陣列周圍，進而嚴重影響光伏組件的性能。光伏陣列的防風沙能力是國內外學者持續關注的熱點問題，而對風沙環境中光伏陣列支架的承載能力研究卻比較少。

近年來，國內外學者針對純風條件下光伏板所受風載荷以及風沙環境中建筑物的承載能力進行大量研究，并取得了一定的進展。Warsido 等[1]利用風洞實驗研究陣列間距對地面光伏系統風載荷的影響，結果表明，由于前排光伏板的遮擋效應，陣列的壓力系數逐排減小，第二排呈現顯著減小趨勢，而縱向間距對壓力系數的影響較小。馬成成[2]通過剛性模型測壓風洞試驗，研究了風向角、傾角、安裝位置和風場類型等參數對太陽能光伏板風荷載特性的影響，結果表明光伏板的體型系數隨風向角的增大呈現先增大后減小的趨勢。程建軍等[3]對蘭新鐵路百里風區風沙流進行現場觀測，提出了風沙流密度概念，認為建筑物在風沙流作用下的壓力由攜沙風風壓和沙顆粒對建筑物的沖擊壓兩部分組成。王建朝[4]運用歐拉雙流體模型模擬了風沙環境中大氣邊界層高層建筑的風沙流場，并分別對凈風場和的3 種沙粒體積分數風沙流場下的建筑表面壓力進行數值分析，得出風壓系數與風壓隨沙粒相體積分數的增大而增大，迎風面風壓的增長速率高于背風面。Jia 等[5]采用歐拉-歐拉雙流體模型，通過數值模擬的方法得出風沙載荷與沙徑、含沙量有關，風沙載荷對建筑的影響遠遠大于純風，在風沙環境中，由于存在沙粒，橋迎風側的風沙荷載最大值增加了一倍。以上研究成果主要為光伏板在純風工況下所承受載荷的模擬研究和建筑物的風沙載荷模擬研究，為光伏板和建筑物的承載結構設計與安裝提供了積極的工程指導意義。然而，相關學者對風沙環境中光伏板載荷的研究相對較少，目前的載荷研究不足以提高風沙環境中光伏陣列的使用壽命。

綜上所述，隨著人們對災害性環境的重視，風沙兩相流條件下光伏陣列的沖擊載荷研究顯得尤為必要。風沙兩相流是一種比較復雜的流體運動，需要考慮沙粒與沙粒、空氣與沙粒之間的作用力。本文通過歐拉雙流體模型模擬風沙兩相流流經光伏陣列時周圍流場和光伏板上表面沙粒體積分數與壓力分布情況，分析不同入口處沙粒體積分數對光伏陣列載荷變化的規律，為風沙環境中光伏陣列的傾覆規律和防風沙工程設計提供理論依據。

1 幾何模型的建立

1.1 研究對象

本文以張掖地區中4×4 方陣排列的光伏陣列為研究對象，根據研究環境確定相應的陣列與風沙流參數。本研究所使用的光伏陣列部分簡化物理模型如圖1 所示，其中，每塊光伏板的尺寸均為2 174 mm×1 303 mm×35 mm。在純風環境下最佳傾角的基礎上，為了確保光伏電池板既能防止沙粒堆積影響吸收太陽輻射能的效率，又能更好地接收入射角為30°的太陽能，光伏板的安裝傾角取25°。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》相關規定[6]，陣列前后間距取5 m 能夠保證光伏板在日照時間內不受前后左右遮擋效應的影響。為了確保數值模擬結果不受流場域壁面的影響，計算域阻塞率不超過3%的要求，將計算域長度設置為185m，寬度為105 m，高度為30 m，迎風入口處離第一排光伏板的間距為42.5 m。在近地面光伏發電站，光伏板下端離地面的距離一般大于0.2 m，所以設置光伏陣列下端與地面之間的間隙為0.5 m。風沙流中沙粒運動主要受重力與升力及拖曳力的影響，兩相流間的相關參數采用石龍等的《風沙兩相流對鐵路路堤響應規律的數值模擬研究》中的參數設置。本文分別選擇沙粒體積分數分別為0.000 1，0.000 3，0.000 5 的3 種工況來進行數值模擬。

圖1 光伏陣列部分簡化物理模型

1.2 邊界條件的設置與網格劃分

將整個計算區域劃分成1 個包含光伏陣列的核心區域和17 個非核心區域，采用六面體與四面體相混合的混合網格方法進行劃分網格，如圖2 所示。核心區域采用四面體網格進行劃分，非核心區域用六面體網格劃分，并且網格增長率選取1.1，這樣既能發揮了四面體網格對復雜邊界強適應性的優勢，又能在非核心區域提高計算效率。

圖2 有限元分析模型圖

研究采用基本風壓來獲取參考高度處的入口風速，本文研究給定條件為當地最大風速，在惡劣極端的條件下進行研究。如式（1）所示

式中：U0為基本風速（m/s），ω0為基本風壓（kN/m2）。GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》中規定，基本風壓系以當地比較空曠平坦地面上離地10 m 高處統計所得的30 年一遇，10 min 平均最大風速U0（m/s）為標準[7]。通過查閱，張掖地區50 年重現期，10 m 高度處、10 min平均的基本風壓為ω0=0.50 kPa。即U0=28.3 m/s，本文設定沙粒速度同風速。氣流流速小于50 m/s，可以忽略流體的可壓縮性，但要考慮重力g=9.81 m/s2的影響。設置模型左側為速度入口邊界，右側采用自由流動出口，地面與光伏陣列表面采用無滑移壁面條件，計算域的側面及頂面設定為對稱的邊界，等同于自由滑移壁面。速度入口采用對數率形式風廓曲線公式進行擬合，如圖3 所示，流體由空氣和沙粒組成，其中空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.781 954×10-5Pa·s，沙粒密度為2 600 kg/m3，黏度為0.047 Pa·s。本文模擬采用歐拉雙流體模型，并選取可實現k-ε 湍流模型，對流項和壓力項采用二階格式，體積分數項采用QUICK 格式，選取適當的松弛因子，其余值采用默認值，保證數值模擬結果精度高且易收斂。

圖3 邊界條件的設定

2 不同濃度對陣列各板上表面壓力的影響

圖4 給出了地面光伏陣列在不同含沙率的攜沙風工況下的光伏板上表面壓力變化云圖。風沙流從左側沖擊光伏陣列且風向角為0°，將流場域中光伏按風沙流向從左到右依次命名為板1、板2、板3 和板4。光伏陣列各列的板1 首先受到風沙流的沖擊，則每種工況下的各列板1 所承受的風沙壓力最大。從圖4 可知，光伏板上表面的壓力最大值均出現在光伏板的尾端，而且隨著光伏板y方向高度的增加，光伏板上表面的風沙壓力呈現明顯降低的趨勢。隨著入口處沙粒體積分數的增大，光伏板上表面同一區域的風沙壓力不斷增大。當入口處沙粒體積分數為0.000 1、0.000 3、0.000 5時，光伏板上表面風沙壓力最大值分別為344.2 Pa，458.7Pa，574.4 Pa，且最大值均出現在板1 上表面的尾端。

圖4 光伏板上表面的風沙壓力變化

光伏板上表面的風沙壓力變化分布情況不隨入口處沙粒體積分數的改變發生顯著變化，并且風沙壓力變化分布沿各板中線對稱分布。從各列板1 來看，光伏板上表面風沙壓力從下到上逐漸均勻等值減小；從各列板2 來看，光伏板上表面壓力呈現雙T 型分布; 從各列板3、板4 來看，光伏板上表面壓力呈現T 型分布。而且隨著入口處沙粒體積分數的增大，板2、板3、板4 的T 型分布現象越來越明顯。沿風沙流速方向來看，板3、板4的風沙壓力變化分布基本一致，但是板4 的兩端低壓區域比板3 有所擴張，風沙流呈現往光伏板中間區域擠壓趨勢且板4 擠壓劇烈，所以板4 上表面的壓力最大值比板3 要大，而且隨著入口處沙粒體積分數的增大，板4上表面壓力增長的速率比板3 還大。

綜上所述，風沙流首先沖擊光伏陣列各列的板1，板1 更容易受到風沙的沖擊破壞，壓力最大，隨著入口處沙粒體積分數的增大，光伏板上表面同一區域的風沙壓力不斷增大。在設計風沙環境下地面光伏陣列時，應該合理設計迎風面第一塊光伏板的壓載結構，可以考慮在板1 前設立防風擋沙結構，防止風沙壓力過大導致光伏板受到沖蝕破壞，甚至發生傾覆現象。

3 不同濃度對陣列各板傾覆力矩系數的影響

圖5 為不同入口處沙粒體積分數下光伏陣列第四列陣列各板的傾覆力矩分布圖，傾覆力矩越小則結構越安全。從圖4 來看，板1 與板4 的傾覆力矩在不同沙粒體積分數工況下都比板2、板3 要大，其中，板1 因為直接受到風沙流的嚴重沖擊，所以傾覆力矩較大。風沙流流到后排時，會使最后兩排光伏板受到沙粒堆積的影響，所以板3、板4 的傾覆力矩會較大。板3 的傾覆力矩總體略小于板4，但相差不大，兩者差值隨著沙粒體積分數的增大而增大。由圖4 可知，板4 的兩端低壓區域范圍大于板3 是影響傾覆力矩的主要原因，隨著入口處沙粒體積分數的增大，板4 上表面壓力增長的速率比板3 還大，則兩者傾覆力矩之差也在增大。板2 是因為受到前排光伏板的遮擋作用，板1 對風沙流的遮擋效果最好，風沙流對板2 的沖擊較少，所以傾覆力矩較小。從圖5 看，板2 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分數的增大呈現先減小后增大的趨勢，但受板1 遮擋作用，板2 的傾覆力矩變化較小。板1、板3、板4 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分數的增大而增大，而且受遮擋效應影響，板1 的傾覆力矩增大速率快于板3、板4。

圖5 陣列各板的傾覆力矩變化圖

所以，光伏板在風沙環境中安裝時需要考慮板1與板4 的支撐結構可靠性與抗壓強度以及材料要求，防止風沙流的沖擊載荷過大導致光伏電站停用，從而提高光伏板在西北風沙工況下的利用率，緩解西北地區電力短缺問題。

4 結論

本文通過對比不同入口處沙粒體積分數下地面光伏陣列的風沙載荷進行研究，得出以下結論。

1）隨著入口處沙粒體積分數的增大，光伏板上表面同一區域的風沙壓力不斷增大，而且風沙壓力最大值均出現在板1 處，所以各列板1 的承載結構需要著重考慮。光伏板上表面的風沙壓力變化分布情況不隨入口處沙粒體積分數的改變發生顯著變化。

2）板1、板3、板4 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分數的增大而增大，其中板1 的增長速率快于板4，板3 再次之。板2 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分數的增大呈現先減小后增大的趨勢。