不同山坡地形下光伏陣列風荷載干擾效應研究

鐘 旻,周啟港,周占學,龍浩楠

(1. 河北建筑工程學院 土木工程學院,河北 張家口 075000; 2. 江蘇開放大學 建筑工程學院,江蘇 南京 210000)

0 引言

太陽能作為綠色清潔能源在我國發電產業中的地位日益提升,太陽能光伏板作為采集太陽能的重要設施常因風荷載而發生破壞。目前對于光伏陣列的研究主要集中在平坦地面或者屋頂環境。

對于單個光伏板研究主要集中于光伏板的傾角、風向角以及光伏板周圍流場。張慶祝等[1]通過風洞試驗對原尺寸光伏板進行了不同風速下的風荷載測定,認為必須考慮其偏心距。賀廣陵等[2]認為風荷載計算時風壓分布形式可能采用梯形分布更合理。馬文勇等[3]通過風洞試驗給出了均勻分布模型、梯形分布模型和偏心距模型及其風荷載取值。CHOWDHURY等[4]采用數值模擬的方法得出了單個光伏板的最不利風向角。SHADEMAN等[5]通過數值模擬對光伏板的離地間隙進行研究,指出在一定范圍內離地間隙的增加會導致平均風壓的增大。馬文勇等[6]通過對底部阻塞率的研究指出,底部阻塞會改變光伏板底部的局部氣流流動從而影響光伏板的體型系數。李壽科等[7]通過改變光伏車棚屋面坡度,指出上半區屋面風壓小于下半區屋面風壓,并指出停車會減小車棚屋面的風吸力。殷梅子等[8]和鄒云峰等[9]對跟蹤式光伏板風荷載進行了討論并與規范進行了對比,認為目前規范所取值偏于保守。

對于平面上的光伏陣列,其研究方向主要圍繞光伏陣列的間距、遮擋效應等影響因素展開討論。WORKAMAW等[10]從陣列間距的角度出發對一大型光伏陣列模型進行風洞試驗研究,試驗表明橫向間距對光伏陣列風荷載影響較小,豎向間距的增加會顯著增加光伏板陣列的傾覆力矩,但間距足夠小時,會產生負傾覆力矩。許寧等[11]通過數值模擬,對0°與180°風向角下的光伏陣列風荷載展開研究,指出光伏陣列迎風側第2排光伏板風荷載最小,并會在第3排之后逐漸增加并趨于穩定。樓文娟等[12]結合風洞試驗與數值模擬對一超大光伏陣列進行研究,通過逐步增加陣列數量的方法將超大型光伏板陣列劃分為多個區域并給出不同區域的體形系數取值建議。馬文勇等[13]、江繼波等[14]對風向角與光伏陣列傾角進行了更細致的討論,認為風向角和傾角都會影響光伏陣列的遮擋效應從而改變光伏板的風荷載體型系數。另外,研究人員還對屋面上的光伏陣列進行了研究[15-17], 研究表明: 光伏陣列的風壓分布受到陣列本身間距與傾角的影響,間距越小, 后排光伏陣列的風荷載體型系數越小。陣列所處的位置、遮擋物以及周圍環境因素都會影響光伏陣列中不同區域的光伏板所受的風荷載。

由于光伏板結構的高度普遍在1.5 m左右,近地風場的變化很容易影響到光伏陣列所受到的風荷載,因此不同地形下光伏陣列所受風荷載情況存在差異。目前存在大量光伏陣列建設于山坡上,但對于不同山坡地形下的光伏陣列風荷載干擾效應的研究鮮有涉及,因此本文通過風洞測壓試驗對山坡地形下的光伏陣列所受風荷載展開研究,為山坡地形下的光伏陣列的設計提供參考建議。

1 試驗概況

1.1 模型數據及測點布置

本次試驗在湖南大學HD-3風洞實驗室進行,該風洞實驗室試驗段截面高3 m,寬2.5 m,試驗段長度10 m,轉盤直徑1.8 m,輸入風速最高可達20 m/s,本試驗的輸入風速為10 m/s。

光伏陣列模型為剛性模型,板面材料為ABS,由于本次試驗主要研究光伏板縱向方向的風荷載分布變化規律,因此單個光伏板板面模型設置為長200 mm,寬100 mm,縮尺比為1∶10。整個模型由板面、轉動軸和立柱三部分組成。陣列由3排2列共6個光伏板組成,每個光伏板正反面布置成對測點,每一個板的每一面有8個測點,全板共16個測點,整個陣列共96個測點。山坡模型采用1200 mm×600 mm的膠合木木板,共10°、20°、30°這3個坡度可調節,試驗模型、模型測點布置、傾角設定、整體模型如圖1所示。

圖1 試驗模型及試驗布置Fig. 1 Test model and test layout

1.2 試驗工況與參數設置

研究主要討論坡度、傾角2個影響因素對光伏陣列中不同位置的光伏板所受風荷載的影響,共設置16個工況。傾角設置為10°、20°、30°、40°共4個傾角,坡度設置為0°、10°、20°、30°共4個坡度。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》[18]要求,光伏陣列中前排光伏板的影子不可遮擋后排光伏板,但實際工程中光伏板的傾角、高度、所處經緯度都會影響其影子長度,因此,為使陣列間的高度差最大化,本試驗擬定日照間距系數為2.86,并根據4種坡度和模型高度,選取4個固定間距,具體工況設置如表1所示。根據規范[18]要求,光伏陣列應盡量節約占地面積。由于坡度改變會同時影響光伏陣列的最小間距與高度差,因此考慮到實際工程需求,試驗對各個坡度下的最小間距的光伏陣列進行對比研究。

表1 工況設置Table 1 Working condition settings

本試驗模型最大投影面積為0.36 m2,該風洞試驗室允許最大投影面積為0.375 m2,符合GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[19]規定的小于5%的最大阻塞率的要求。本試驗共用2個電子掃描閥共96個測點,掃描閥采樣頻率為312.5 Hz,每個測點采集32 s共10000個數據。

測點風壓系數與測點風壓平均系數按式(1)～式(2)計算:

(1)

(2)

式中:CPi為模型上測點i的風壓系數;Pi為該測點的壓力值;P0為參考靜壓;ρ為空氣密度;V0為參考點的試驗風速。本次試驗,參考點高度取0.6 m,對應原型結構高度6 m,參考點風速為7.6 m/s。

迎風面風壓平均系數、背風面風壓平均系數、凈風壓平均系數分別按式(3)～式(5)計算:

(3)

(4)

(5)

1.3 風場模擬

依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[19],丘陵按B類風場考慮。由于過大的模型會影響風洞內流場,因此試驗將山坡地形作為模型的一部分考慮,在山坡及光伏陣列前方,采用擋板、粗糙等元裝置模擬了B類風場,風洞試驗現場布置與風剖面及湍流度如圖2所示。

圖2 風場模擬Fig. 2 Wind field simulation

2 試驗結果分析

2.1 傾角與坡度對光伏板風荷載的影響

為了消除山坡和傾角以外其他因素的影響,試驗首先對單排光伏板進行研究,試驗過程中光伏板始終放置于山坡最前端。

圖3 光伏板風壓平均系數Fig. 3 Average wind pressure coefficient of photovoltaic panels

不同坡度時,光伏板背風面風壓系數等值線圖如圖4所示。為方便討論,將板面以中軸為界分成上半區與下半區進行討論。由圖4可知,同坡度下,隨著光伏板傾角增加,光伏板背風面風壓系數整體呈下降趨勢。當坡度為0°時,上半區風壓停滯區的風壓系數由10°傾角時的-0.38降低至40°傾角時的-0.43,下半區風壓停滯區的風壓系數由10°時的-0.25降低至40°傾角時的-0.93,下半區變化幅度大于上半區,最終導致上半區風壓系數大于下半區風壓系數,其他坡度下,也出現相同變化趨勢。同傾角的光伏陣列,坡度越大,背風面風壓系數逐漸增大,但上半區風壓系數與下半區風壓系數的大小關系并未發生變化。

圖4 光伏板背風面風壓系數等值線圖Fig. 4 Contour diagram of wind pressure coefficient on the leeward side of photovoltaic panels

平地光伏板中,由于來流風在光伏板四周產生氣流分離,使得光伏板周圍的風速更大、背風面風速較小,最終因壓力差在板背面產生旋渦,使得背風面在多數情況下表現為負壓。與平地不同,由于山坡地形為斜面,來流風在接觸山坡后會在山坡表面產生繞流。光伏板結構高度較小,其最高點離地高度普遍在2 m以下,這導致山坡上的繞流很容易對光伏板的背風面產生影響,使得背風面風壓表現為正壓。

背風面出現正壓工況分別為10°坡度、10°傾角時的下半區,20°坡度時的10°傾角與20°傾角、30°坡度時所有傾角下的整個背風面。由此可見,山坡坡度越大,繞流對背風面的影響越大,當坡度到達一定角度時,繞流對光伏板背風面的影響范圍會逐漸由下半區擴張至整個板面。低傾角工況時,背風面因山坡上繞流使得下半區表現為正壓,但漩渦對背風面的影響并未消失,當傾角增大時,下半區風壓的減少幅度大于上半區,最終導致30°坡度40°傾角的工況下,上半區為正壓,下半區為負壓。

試驗表明,光伏板背風面會因山坡上繞流的影響而表現為正壓。同坡度下,傾角越小,繞流對背風面的影響越大。同傾角下,坡度越大,繞流對背風面的影響越大。

2.2 光伏陣列

由于測點對稱布置,兩列光伏板的風壓分布情況與變化規律基本對稱且一致,因此為便于討論,選擇右列光伏板進行對比分析。將右列板第1、2、3排板分別編為A、B、C,如圖5所示。

圖5 編號示例Fig. 5 Numbering example

圖6 光伏陣列凈風壓平均系數Fig. 6 Average coefficient of net wind pressure of PV array

圖7 光伏陣列迎風面風壓平均系數Fig. 7 Average wind pressure coefficient on the windward side of the PV array

圖8 光伏陣列背面風壓平均系數Fig. 8 Average wind pressure coefficient at the back of photovoltaic array

為直觀地反應后排光伏板風荷載與第一排光伏板風荷載的大小關系,表2給出了各個工況下B、C兩板的折減系數,折減系數按式(6)計算:

表2 折減系數Table 2 Reduction coefficients

(6)

3 結論

本文通過風洞試驗,對山坡地形下光伏板與光伏陣列模型進行了風荷載分析,得出以下結論:

1)由于山坡上繞流的影響,光伏板背風面會表現為正壓,并且隨著坡度增加,繞流對背風面的影響會逐漸由下半區擴張至整個板面。相比于上半區,傾角增加對下半區的影響更大,導致傾角較大的工況下,背風面上半區為正壓,下半區為負壓。

2)山坡坡度的增加使得光伏陣列中后排光伏板的凈風壓接近第一排光伏板,甚至在30°坡度、10°傾角的工況下第二、三排光伏板風荷載約為第一排光伏板風荷載的2.5倍,此時各板的風荷載方向與平地下的光伏陣列相反。

3)山坡地形使得光伏陣列的遮擋效應減弱,導致第二、三排光伏板所受來流風風速增加,迎風面風壓增大,但山坡上繞流對背風面的影響更大,導致各位置光伏板凈風壓均小于平地光伏陣列,在設計支架強度時可適當降低支架強度要求。