山地大型柔性支架光伏陣列風場特性的數值模擬研究

摘 要：為了探究山地光伏電站場址地形與大型光伏陣列對風場特性的影響，以廣東省恩平市100 m大跨度柔性光伏支架示范項目為研究對象，采用計算流體力學（CFD）方法開展3D數值風洞模擬計算，建立了山地光伏場區的山地表面地形模型與大型光伏陣列模型，開展了光伏場區的風場環境與采用柔性光伏支架的光伏陣列風荷載特性的分析研究。研究結果表明：1）項目場址來流方向的山地地形會阻擋風場來流，導致風速明顯降低，山體遮擋效應明顯；2） 正南方向0°與180°來流方向下光伏組件的風荷載體型系數顯著大于45°與135°來流方向下光伏組件的值，來流方向對光伏組件風荷載體型系數的影響較大。3）光伏陣列迎風面第1排（列）光伏組件的風荷載體型系數最大，1～3排（列）急劇衰減，往后緩慢減小并趨于穩定；光伏陣列外圍光伏組件對其內部光伏組件的遮擋效應顯著。研究結果可為光伏電站柔性光伏支架結構及基礎的工程設計提供指導，有利于節約項目中柔性光伏支架與其基礎的工程量，并且可為大風災害的防治提供理論基礎，有利于減少光伏電站的風致災害隱患。

關鍵詞：山地光伏電站；大型光伏陣列；CFD方法；風場模擬；柔性光伏支架；風荷載；遮擋效應

中圖分類號：TU399/TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

在中國實現“雙碳”目標的大背景下，光伏發電以可再生、綠色、易推廣等諸多優勢得到了迅速發展，裝機容量持續增長。但隨著光伏發電總裝機容量的擴大，土地資源日益緊張，光伏用地不斷向山地、沙漠、魚塘、近海灘涂等復雜地形地貌與高風壓地區拓展，這對光伏支架的要求越來越高。光伏組件自身重量輕但受風面積大，因此風荷載是光伏支架及其基礎設計時的控制性荷載。近年來快速推廣的柔性光伏支架屬于風敏感結構[1-2]，風荷載更是其結構安全的決定性因素。因此，近年來光伏電站的風荷載情況日益受到其工程設計人員的關注和重視。

國內外專家學者針對光伏電站中的單塊光伏組件及光伏陣列（本文1個光伏支架僅安裝1排光伏組件，單個光伏陣列由多排光伏組件及其支架組成）的風荷載進行了大量研究，主要采用風洞試驗與計算流體力學（CFD）數值模擬的方法。張慶祝等[3]、Abiola-Ogedengbe等[4]以單塊光伏組件為例進行了不同風向角下的風洞試驗，提出了針對單塊光伏組件的風壓、風速擬合公式，試驗結果表明：光伏組件背面的迎風風荷載大于順向風荷載，且背向風的合力點位于光伏組件中心，形成彎矩，導致光伏組件容易傾覆。竇珍珍[5]、李曉娜[6]通過剛性模型測壓風洞試驗研究了光伏組件離地高度與其安裝傾角對光伏組件風壓的影響規律，試驗結果表明：光伏組件風荷載體型系數隨著光伏組件安裝傾角的增加而明顯增大，而光伏組件離地高度導致的風荷載差異很小。馬文勇等[7]通過數值風洞模擬與風洞試驗，針對小型光伏陣列的陣列間距對光伏組件風荷載的影響規律進行了研究，研究結果表明：增大光伏陣列縱向間距會明顯增大光伏組件的風荷載，而光伏組件之間的橫向間距對風荷載的影響很小。牛斌等[8]采用CFD數值模擬方法分析了在平均風與脈動風作用下多排光伏組件的流場和氣動力特性，分析結果表明：迎風側第1排光伏組件的風荷載最大，其后各排光伏組件的風荷載存在折減。屋面光伏電站的女兒墻與地面光伏電站的圍墻都對光伏組件風荷載存在不同程度的影響。V?sie?等[9]應用數值風洞模擬與風洞試驗研究了女兒墻對屋面光伏電站中光伏組件的遮擋效應，研究結果表明：女兒墻的遮擋對屋面邊緣位置光伏組件的風荷載折減較大，對屋面中間區域光伏組件風荷載的影響較小。張大千等[10]通過數值模擬，研究了地面光伏電站的圍墻與最外側光伏陣列之間的距離及圍墻自身高度對光伏陣列風荷載的影響，研究結果表明：當圍墻高度高于光伏組件的高度時，光伏組件的風荷載開始下降；圍墻與光伏陣列之間的間距主要影響光伏陣列前排光伏組件的風荷載。針對采用柔性光伏支架的光伏組件，馬文勇等[11]建立了單排與多排光伏組件模型，并開展了風洞試驗研究，研究結果表明：光伏組件風荷載計算要考慮風向角、光伏組件安裝傾角、間距比（即光伏組件之間的間距占整排光伏組件寬度的比例）和光伏組件安裝位置等因素的影響。

山地復雜地形對風場的影響較大，主要表現為陣風強烈、風切變頻繁、湍流強度大、非平穩特性[12]。大量學者研究了山區復雜風場對橋梁與輸電塔的影響[13-14]，但針對山地風場對光伏電站影響的研究較少。一般光伏組件離地高度不超過10 m，近地面光伏組件風荷載受地形的影響更大，且通常單個光伏方陣會延伸幾百米甚至上千米，光伏陣列之間的干擾效應明顯。

2023年，中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司在廣東省恩平市打造了全球最大光伏支架跨度的100 m大跨度柔性光伏支架示范項目，項目現場如圖1所示。該示范項目位于廣東省沿海臺風區的丘陵山地，設計風荷載較大，風場環境復雜，風場環境與光伏支架結構的抗風能力備受業內學者關注。因此，本文以該示范項目為研究對象，建立光伏場區的山地表面地形模型與200 m×100 m的大型光伏陣列（后文分析提到的光伏陣列均為采用柔性光伏支架的光伏陣列）模型，基于CFD方法開展3D數值風洞模擬計算，對光伏場區的風場環境與大型光伏陣列的風荷載特性進行研究。以期可為柔性光伏支架結構及其基礎設計，以及相似地形光伏電站的大風災害防治提供參考和指導。

1" 數值計算

1.1" 計算原理和方法

本文采用的流體力學求解計算模型為Realizable k-epsilon兩方程湍流模型，利用有限體積法，在流體力學計算軟件Fluent上實現該模型方程的數值求解。湍流計算模型的基本方程如式（1）～式（4）所示。

湍流動能方程為：

（1）

式中：ρ為空氣密度；k為湍流動能；t為時間；Ui為速度的分量；xi、xj均為空間坐標，代表物理量的空間分布；k為湍流動能的普朗特數；Pk為由速度梯度產生的湍流動能；Pb為由浮力產生的湍流動能；μ1為空氣的層流粘性系數；μt為湍流粘性系數；ε為湍流動能耗散率；YM為由于空氣擴散產生的氣流波動；Sk為模擬計算時自定義的外部源項，根據具體問題添加，本文取值為零。

湍流動能耗散方程為：

（2）

式中：C1ε、C2ε、C3ε均為湍流動能耗散方程的常數；Sε為模擬計算時自定義的外部源項，根據具體問題添加，本文取值為零。

連續方程為：

（3）

式中：為速度向量。

動量守恒方程為：

（4）

式中：P為流體微元上的壓力；μ為空氣的動力粘度系數；u、v、w分別為x、y、z方向上流體的速度分量；Su、Sv、Sw均為動量守恒方程的廣義源項。

1.2" 建立模型

建立本100 m大跨度柔性光伏支架示范項目光伏場區的山地表面地形模型與大型光伏陣列模型。首先，在實測地形圖上以整個光伏方陣的中心位置為基準，向外擴展裁剪出1個2 km×2 km的區域；在該區域每間隔4 m提取1個坐標點，一共提取了251001個坐標點；然后將各坐標點導入Fluent軟件的前處理軟件Gambit中，利用點陣建面的方式，建立山地表面地形模型。為了消除模型邊緣斷面導致的地形突變問題對風場的影響，把原始模型計算區域邊緣向外擴展成統一高程的平坦地形作為過渡區域。拓展方法為：以地形曲面中心為圓點，裁剪出1個直徑為2 km的圓形地形曲面；再使用Rhino軟件混接曲面，將該圓形地形曲面的邊緣連接至直徑為3 km的圓形平面上，這樣就形成了環形寬度約500 m的過渡區域，如圖2所示。

根據該示范項目中光伏陣列的排布特征建立大型光伏陣列模型，其排布特征為：東西向單列布置70塊光伏組件，由索桁架結構將其分為10個列單元，每個列單元為7塊光伏組件，列單元之間的間距為0.3 m；南北向共布置69排光伏組件，每排光伏組件之間的間距（為光伏組件中心點間距）為2.9 m。由于柔性光伏支架主要由鋼索構成支撐結構，鋼索的截面面積小，其受風面積基本可以忽略，因此建模時忽略了柔性光伏支架結構，僅對光伏陣列進行建模。以7塊光伏組件組成的列單元（南北向2172 mm×東西向9121 mm）為最小模型單元，建立整體光伏陣列模型，如圖3所示。其中，光伏組件安裝傾角為13°，光伏陣列東西向的寬度約為100 m，南北向的長度約為200 m。

1.3" 計算域與網格

計算域相當于1個虛擬的數值風洞，其尺寸大小的確定十分重要，既要保證流體有足夠的空間充分發展，使流場尾流自由出流，以保證模擬精度；又要避免計算域過大導致的網格數量過多，造成計算時間過長和資源浪費。因此，綜合考慮計算效率與模擬精度后，確定的計算域尺寸為：入口高度為2000 m，底面海拔高度為0 m；寬度為5000 m，上游長度為3000 m，下游長度為6000 m；地形中心位于計算域入口1/3處；過渡區域外側圓環的半徑為1500 m。計算域的平面和立面示意圖如圖4所示。

采用CFD方法進行流場計算時，首先要將計算域離散化（即劃分網格），數值計算是在離散網格點上滿足流體動力學基本方程，因此網格分辨率對數值結果有重大影響。由于計算域的選取比較大，為了減少網格劃分的數量和計算時間，同時保證模擬精度，本文采用分塊網格劃分方法，將計算域分區，并分別進行網格劃分。

針對山地表面地形模型進行劃分。山體區域的水平方向最大網格間距為15 m，計算域底部的水平方向最大網格間距為60 m，其余區域最大網格間距為100 m；并且在山體的上下游區域創建1個加密區域，該區域的水平方向最大網格間距為40 m；近地面需要劃分邊界層網格，首層邊界層網格高度為0.05 m，從上至下網格高度的增長率為1.1，共劃分30層。山地表面地形模型的網格劃分結果如圖5所示。

針對光伏陣列模型進行劃分。光伏陣列的最小網格尺寸為0.2 m，最大網格尺寸為3.0 m，最小網格間距到最大網格間距的增長率為1.2；外層區域的最大網格尺寸設置為8.0 m；在光伏組件壁面表面劃分邊界層網格，共劃分40層。光伏陣列模型的網格劃分結果如圖6所示。

1.4" 邊界條件與求解格式

流場入口采用指數風速形式，根據周圍地形的實際情況，取為B類地形，即風速剖面指數α為0.15；湍流強度設置為5%，粘度比取10（為默認值）；參考高度取10 m，根據項目所在地的氣象資料，以近10年最大風速（33.787 m/s）為參考風速。

高度Z處對應的入口風速Uz的表達式為：

（5）

設置流場的出口為自由出流條件，頂部與兩個側面均設定為對稱邊界條件，計算域底部和地形的表面均為無滑移壁面。

本文在仿真計算過程中，設定空氣為不可壓縮流體，計算中采用Fluent軟件中的k-epsilon模型，對流項的離散采用了二階迎風格式，速度壓力耦合采用了SIMPLEC算法。迭代的收斂標準為所有控制方程的相對迭代殘余量均小于1×10-3，且同時監測到各測點的風速基本不發生變化時，認為所得流場進入了穩態。

1.5" 計算工況

為了研究山地地形對風場環境的影響，在山地表面地形模型計算中，設置正東來流方向為第1工況（即地形模型工況①），之后每個工況的來流方向逆時針偏轉45°，共8個工況（即地形模型工況①～地形模型工況⑧），如圖7所示。

由于光伏陣列是對稱分布的，因此只需計算一半的風向角即可。光伏陣列模型計算中，設置4個工況，以正南方向0°來流方向作為工況1（即陣列模型工況1），然后順時針45°、135°、180°來流方向分別為陣列模型工況2～陣列模型工況4，具體如圖8所示。

2" 光伏場區風場環境的數值模擬結果與分析

2.1" 測點布置與參數定義

為了反映光伏場區的風場環境特征，在山地表面地形模型內部，光伏陣列區域的光伏組件所在高程平面上均勻布置了15個測點（測點編號規則為：從北到南為A、B、C，從西到東為1～5），測點布置示意圖如圖9所示。

為了探究光伏場區風場環境受山地地形的影響規律，本文以平均風速放大系數與風向轉向角作為光伏場區風場環境的特征參數，其可根據風場監測得到的測點處的風速、風向數據計算得出。

平均風速放大系數Cu反映了山地地形影響導致的測點處風速的放大或衰減，其計算式為：

（6）

式中：vb為測點處的實際風速（即已放入山地表面地形模型后）；v0為未放入山地表面地形模型時該測點處的風速。

當計算域中無山地表面地形模型時，測點處的風向與來流方向一致，夾角為零；當計算域中存在山地表面地形模型時，可能導致測點處的風向角發生偏轉。由山地地形導致的風向的偏轉角度被稱為風向轉向角β，其計算式為：

（7）

式中：u、v分別為測點處風速矢量的順來流方向的風速分量、橫來流方向的風速分量（即x、y方向上的速度分量）。

2.2" 計算結果與分析

項目場址的地形數值計算模擬了以光伏場區為中心、360°全方位的各個方向的來流，得出了8個地形模型工況下15個測點的風速數據。經過數據整理和計算，得到各地形模型工況下15個測點的平均風速放大系數和風向轉向角，分別如表1、表2所示。

為了更直觀表達山地地形對各個來流方向風速的影響情況，根據各地形模型工況的平均風速放大系數數據繪制出平均風速放大系數玫瑰圖，如圖10所示。

綜合表1、表2、圖10可以看出：

1）大部分地形模型工況下各測點的風向角變化不大，風向轉向角的值主要分布在-15°～15°之間。地形模型工況③下，15個測點處的風向角均出現了大角度的轉向變化，此時風向轉向角的值主要分布在40°～60°之間，這是因為北側高大山體使風向產生了復雜的大偏角轉向。

2）光伏場區的風場環境基本呈現出“風向轉向角越大，平均風速放大系數越小”的規律，這說明山體導致風向的偏轉越大，對風場能量的耗散越多。

3）在單一工況下所有測點的平均風速放大系數最大值中，地形模型工況② 的值最大，為0.81，此時為北偏東45°來流方向；地形模型工況③的值最小，為0.38，此時為正北來流方向。地形模型工況③還出現了最大的風向轉向角，由于風是正北來流方向，而北側山體最大、地勢最高，導致來流風產生了大偏角轉向，且對山體后方的光伏場區產生了明顯的阻擋。正北來流方向的風場流線圖如圖11所示。

根據項目場址的地形數值計算結果可知：無論風從任何1個角度吹過來，其平均風速放大系數都小于1.0。這意味著該山地地形總體上對光伏場區存在明顯遮擋效應。

3" 光伏陣列風荷載特性的模擬結果與分析

3.1 參數定義

為了探究光伏電站中光伏陣列之間對風荷載的影響規律，本文通過光伏組件上測壓點的風壓數據計算得出風壓系數，并進一步整理數據得出光伏陣列分區（即外圍與內部）的風荷載體型系數。

測壓點的風壓系數Cpi的計算式為：

（8）

式中：Pfi為光伏組件上表面的靜壓；Pbi為光伏組件下表面的靜壓；V0為模型前方來流未擾動區、相當于光伏組件中心高度處的平均風速。

根據風壓系數，可計算得到光伏組件表面各區域（分塊）的風荷載體型系數μs，其計算式為：

（9）

式中：An為一定區域范圍內第n個測壓點所覆蓋的面積。

3.2" 計算結果與分析

經過計算可得出各工況下光伏陣列的風速矢量分布圖，限于篇幅，本文僅列出正南方向0°來流方向下（即陣列模型工況1）光伏陣列的風速矢量分布圖，如圖12所示。

光伏陣列有69排10列，共690個列單元。為了方便表示每塊光伏組件的風荷載體型系數，首先對這690塊光伏組件進行編號，正南方向為第1排，從南往北編號為1～69排，從東往西編號為1～10列。為了直觀表示每個列單元的風荷載體型系數，將不同來流方向下的數據繪制成直方圖，具體如圖13所示。

從圖13可以看出：1）迎風面前排（列）光伏組件的風荷載體型系數最大，180°來流方向下，迎風面第1排（即光伏陣列第69排）光伏組件的風荷載體型系數最大值為1.001，平均值為0.945；迎風面第2排（即光伏陣列第68排）光伏組件的風荷載體型系數平均值為0.44，與迎風面第1排相比急劇下降，衰減了約53%。2） 0°與180°來流方向下，迎風面前排光伏組件的風荷載體型系數顯著大于45°與135°來流方向下迎風面前排光伏組件的值，垂直于光伏組件排布方向的來流風在光伏組件上產生的風壓更大。3） 0°與180°來流方向下，上游光伏組件對下游光伏組件的遮擋效應也大于45°與135°來流方向下的情況；考慮所有來流方向，則光伏陣列外圍光伏組件對其內部光伏組件的遮擋效應顯著。

迎風面前排（列）對后排（列）的遮擋效應在前幾排（列）最為顯著，隨后風荷載體型系數會隨著上游光伏組件數量的增加而趨于穩定。以正南方向0°來流方向下每排光伏組件的平均風荷載體型系數的分布為例，如圖14所示。

從圖14可以看出：正南方向0°來流方向下，迎風面前1～3排光伏組件的平均風荷載體型系數急劇衰減；3～8排的衰減速度略有下降，但仍為快速衰減；8～35排稍平穩緩慢衰減；35排以后趨于平穩。

4" 結論及建議

本文以廣東省恩平市100 m大跨度柔性光伏支架示范項目為研究對象，通過建立山地光伏場區的山地表面地形模型與大型光伏陣列模型，基于CFD方法開展3D數值風洞模擬計算，開展了光伏場區的風場環境與采用柔性光伏支架的光伏陣列風荷載特性分析研究。基于模擬計算結果，得出以下結論：

1）項目場址來流方向的山地地形會阻擋風場來流，使風向角發生偏轉，導致風速明顯降低，山體遮擋效應明顯；山地光伏電站的柔性光伏支架結構設計應考慮山體遮擋，減小設計風荷載取值，節約工程量。

2） 正南方向0°與180°來流方向下光伏組件的風荷載體型系數顯著大于45°與135°來流方向下光伏組件的值，來流方向對光伏組件風荷載體型系數的影響較大；垂直于光伏組件排布方向的來流風在光伏組件上產生的風壓更大，光伏場區的光伏陣列布置應避免光伏組件排布方向與項目場址最大來流風的風向垂直，并考慮光伏組件排布方向與來流風非垂直布置導致的風荷載體型系數降低（即風向折減），以減小工程量，降低光伏電站的風災隱患。

3）光伏陣列迎風面第1排（列）光伏組件的風荷載體型系數最大，1～3排（列）急劇衰減，往后緩慢減小并趨于穩定。光伏陣列外圍光伏組件對其內部光伏組件的遮擋效應顯著，因此大型光伏陣列應分區域設計，光伏陣列外圍的風荷載較大，其柔性光伏支架結構應適當加強；光伏陣列內部的風荷載顯著減小，應相應減少此區域柔性光伏支架結構與其基礎的工程量。

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STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF WIND FIELD CHARACTERISTICS OF LARGE-SCALE FLEXIBLE

BRACKET PV ARRAYS IN MOUNTAINOUS AREAS

Fan Xinling1，2，Zhang Dongdong1，2，Zhang Bin1，2，Zeng Shuyuan1，2，

Xiao Hong1，2，Gao Yinggang1，2

（1. PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited，Guiyang 550000，China；

2. HydroChina Guiyang Engineering Corporation Geotechnical Engineering Company Limited，Guiyang 550081，China）

Abstract：In order to explore the influence of site terrain and large-scale PV arrays on the wind field characteristics of mountainous PV power stations，this paper takes the 100 m large-span flexible PV bracket demonstration project in Enping City，Guangdong Province as the research object. CFD method is used to carry out 3D numerical wind tunnel simulation calculations，establish mountain surface terrain models and large-scale PV array models of mountainous PV fields，and analyze the wind field environment of PV fields and the wind load characteristics of PV arrays using flexible PV brackets. The research results show that： 1） The mountainous terrain in the direction of the incoming flow of the project site will block the incoming flow of the wind field，resulting in a significant decrease in wind speed and obvious mountain shielding effect. 2） The wind load shape coefficient of PV modules under incoming flow direction of 0° and 180° in the south is significantly higher than that under incoming flow direction of 45° and 135°，indicating that the incoming flow direction has a significant impact on the wind load shape coefficient of PV modules. 3） The wind load shape coefficient of the PV modules in the first row （column） on the windward side of the PV array is the highest，with a sharp decline in rows （columns） 1～3，followed by a slow decrease and stabilization. The peripheral PV modules of the PV array have a significant shielding effect on the internal PV modules. The research results can provide guidance for the engineering design of flexible PV bracket structures and foundations in PV power stations，which is conducive to saving the engineering quantity of flexible PV brackets and its foundations in projects，and can provide a theoretical basis for the prevention and control of wind disasters，which is conducive to reducing the hidden dangers of wind-induced disasters in PV power stations.

Keywords：mountain PV power stations；large-scale PV array；CFD method；wind field simulation；flexible PV bracket；wind load；shielding effect