大型光伏电站阵列风荷载数值模拟计算

大型光伏电站阵列风荷载数值模拟计算朱锐1，王建勃2，何惧3（1.新疆计量测试研究院，乌鲁木齐830026；2.特变电工新疆新能源股份有限公司，西安710065；3.特变电工新疆新能源股份有限公司，西安710065）摘要：以大型光伏电站组件阵列所受风荷载为研究对象，通过数值模拟的研究方法对不同数量组件阵列风荷载及组件阵列有挡风措施所受风荷载进行大量数值模拟计算，并对结果进行分析研究。结果表明：第一阵列正压风荷载最大，后续阵列风荷载显现波动衰减特性；第一阵列有一定挡风措施时，整体阵列风荷载将有效减少。在结构设计中，可以选择最外侧阵列为标准设计，中间阵列根据荷载情况进行主体结构件优化设计，降低成本。在后支架上设计防风板，或整体电站设计防风墙，都将大大降低整个光伏电站的风荷载，提高光伏电站的抗风能力。关键词：组件阵列；风荷载；衰减特性；模拟计算中图分类号：TK文献标识码：A0引言风荷载是大型光伏电站结构系统中作用力最大的系统荷载。一般来说，电站组件呈规则阵列排布，风荷载分布不均，呈现一定的衰减特性。本文基于Fluent6.3计算平台，进行组件阵列风荷载模拟计算，计算数据修正后进行比对分析；并进行不同阵列间距的风荷载模拟计算，为支架结构优化提供理论依据。1计算模型本文计算中，组件倾角设为36°，组件尺寸1.58m×0.8m×0.05m，组件竖向两排排布。以4块组件（田字组成）为单元阵列建立模型。由于大型电站主要建立在北方荒漠地区，一般西北风为主风向，且组件在逆风条件下所受风荷载较大。因此，在本文中以组件受北风37m/s进行模拟计算。组件坐标系见图1。模型均以实际尺寸建立。所有计算模型阻塞比小于3%，满足数值模拟计算要求。图1组件坐标系图2组件阵列模型示意图模拟计算模型：k-eRNG模型。由于计算模型为钝体低速绕流，k-eRNG模型较为合适，使用基于压力的隐式求解器，求解器控制：SIMPLE耦合，组件单元阵列风场切面风场入口动量二阶差分。组件近壁面网格加密，尾流区网格加密，见图2。风速：37m/s；2不同阵列数量风荷载衰减特性分别以五阵列，八阵列，十六阵列建立模型，组件倾角36°，组件离地高度0.6m，组件阵列间距均为7.5m，组件逆风受力。阵列模型见图3~图5。组件阵列速度分布图见图6~图8（图中风向为从左至右的方向）。组件表面速度矢量见图9。图3五阵列计算模型图（Y=0截面）图4八阵列计算模型图（Y=0截面）图5十六阵列计算模型图（Y=0截面）图6五阵列速度分布图（Y=0截面）图7八阵列速度分布图（Y=0截面）图8十六阵列速度分布图（Y=0截面）图9组件表面速度矢量图（Y=0截面）根据模拟计算数据，可得阵列间距均为7.5m，不同阵列数正压风荷载对比图，见图10。300035004000450050005500600065007000第1排第2排第3排第4排第5排第6排第7排第8排第9排第10排第11排第12排第13排第14排第15排第16排单位：N五排八排十六排图10不同阵列数正压风荷载对比（阵列间距7.5m）根据模拟计算结果，分析如下：1）第一阵列正压风荷载最大，第二阵列正压风荷载最小；2）组件平面方向风荷载较小，可忽略；3）每一单元阵列受一定扭矩Mz，每阵列扭矩相差较小；4）后续阵列数量增加时，风荷载波动性增强；5）阵列间距为7.5m时，除第一阵列、最后阵列外，风荷载不超过第一阵列风荷载的80%；3不同阵列间距风荷载衰减特性建立阵列间距分别为7.5m，8.5m，9.5m的十六阵列模型。组件倾角36°，组件离地高度0.6m，逆风受力。根据模拟计算数据，可得不同间距正压风荷载(单位：归一化处理，单位为1)对比图，见图11。0.40.50.60.70.80.91第1排第2排第3排第4排第5排第6排第7排第8排第9排第10排第11排第12排第13排第14排第15排第16排间距7.5m间距8.5m间距9.5m图11不同间距阵列正压风荷载对比图（十六阵列）根据模拟计算结果，分析如下：1）阵列间距小，则阵列风荷载波动性大；2）理想化阵列模型，间距为7.5m时，后续阵列风荷载最大不超过第一阵列的80%，间距增大到9.5m时，后续阵列风荷载最大不超过第一阵列的90%。4阻挡对风荷载衰减特性影响建立第一阵列前有阻挡的阵列风荷载计算模型。组件倾角36°，组件离地高度0.6m，组件间距均为7.5m。算例1:八阵列，阻挡高度1.2m，距离第一阵列2m。算例2:八阵列，阻挡高度0.6m，距离第一阵列2m。算例3:十六排阵列，阻挡高度0.6m，距离第一阵列2m。200025003000350040004500500055006000第1排第2排第3排第4排第5排第6排第7排第8排第9排第10排第11排第12排第13排第14排第15排第16排单位：N八排1.2m八排0.6m十六排0.6m图12不同阻挡阵列正压风荷载对比图010002000300040005000600070008000第1列第2列第3列第4列第5列第6列第7列第8列第9列第10列第11列第12列第13列第14列第15列第16列单位：N十六阵列无阻挡十六阵列阻挡0.6m图13不同十六阵列正压风荷载对比图根据模拟计算结果，分析如下：1）阵列前阻挡，将降低第一阵列风荷载；2）阵列前阻挡，对后续阵列风荷载影响较小；3）阵列前阻挡为0.6m高时，第一阵列风荷载为无阻挡条件下的75%到80%。注：图表中计算结果偏大是由于以下几点原因造成的，对阵列分析影响不大，可忽略：1）模型的简化，省去支架系统；2）地面的自保持性，即地面的阻力；3）迭代运算收敛不完全。5结语阵列风荷载显现以下特性：1）阵列无阻挡条件下，第一阵列正压风荷载最大，第二阵列正压风荷载最小，后续阵列风荷载显现一定波动性；2）组件平面方向风荷载较小，可忽略；3）后续阵列数量增加，则风荷载波动性增强；4）阵列间距减小，则阵列风荷载波动性增强；5）理想化阵列模型计算结果显示：间距为7.5m时，后续阵列风荷载最大不超过第一阵列的80%，间距增大到9.5m时，后续阵列风荷载最大不超过第一阵列的90%；6）阵列前有阻挡条件下，第一阵列风荷载显著减少，后续阵列风荷载变化较小；7）阵列前阻挡为0.6m高时，第一阵列风荷载为无阻挡条件下的75%左右。根据以上模拟计算结果，大型光伏电站的整体结构设计，可进行整体设计优化。1）阵列间距小于9.5m时，后续阵列风荷载衰减较为明显。计算模型省去支架系统，光伏电站中由于支架系统对流场的扰动，后续阵列风荷载比模拟计算数值要小。因此，在实际设计中，可以选择最外侧阵列为标准设计，中间阵列根据荷载情况，可进行主体结构件优化选型，降低成本。2）根据阵列前有阻挡的模拟计算结果，南北方向最外侧有一定防风措施，且阵列间距小于9.5m时，整个阵列风荷载不超过无阻挡条件下的80%，可对整个电站结构系统进行主体结构件优化选型。在实际设计中，在后支架上设计防风板，或整体电站设计防风墙，都将大大降低整个光伏电站的风荷载，提高光伏电站的抗风能力。[参考文献][1](日)太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社,2006,13-72.[2]韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2008,14-150.[3]张庆祝,刘志璋,齐晓慧,贾立庄.太阳能光伏板风载的荷载分析[J].能源技术.2010(02).[4]杨刚,陈鸣,陈卓武.固定式光伏阵列最佳倾角的CAD计算方法[J].中山大学学报(自然科学版).2008(S2).[5]顾超,崔容强.独立光伏系统最佳倾角计算新方法[J].电源技术.2005(01)5]顾超,崔容强.独立光伏系统最佳倾角计算新方法[J].电源技术.2005(01).[6]杜梅芳,刘忠厚.太阳能电池的工作点[J].电站系统工程.1993(06).[7]韩斐,潘玉良,苏忠贤.固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究[J].工程设计学报.2009(05).主要作者简介：朱锐（1981—），男，新疆乌鲁木齐人，中国科技大学硕士研究生毕业，现就职于新疆计量测试研究院。曾在2010—2011年就职于特变电工新能源公司，在此期间主要从事光伏电站结构设计工作。通讯地址：陕西西安唐延路35号旺座现代城2904室，邮编：710065，电话：[phone]，手机：[phone]，E-mail：[e-mail]。王建勃（1984—），男，陕西咸阳人，长安大学本科毕业，现就职于特变电工新疆新能源股份有限公司。主要从事光伏电站设计工作。何惧（1986—），男，陕西渭南人，西安建筑科技大学硕士研究生毕业，现就职于特变电工新疆新能源股份有限公司。主要从事光伏电站设计工作。