商用光伏電站面板陣列的風(fēng)荷載CFD模擬

摘 要：為了更好地研究商用光伏電站面板陣列所受到的風(fēng)荷載，該文基于SST湍流模式，采用ICEM CFD（生成流場計(jì)算的網(wǎng)格系統(tǒng)）和Fluent（CFD求解器）軟件，用數(shù)值方法模擬面板陣列所受風(fēng)荷載的規(guī)律。結(jié)果表明，無論是正面還是背面來流，第一行電池面板所受風(fēng)荷載最大，隨后風(fēng)荷載下降較大，最后趨于穩(wěn)定；且同一行面板中位于兩側(cè)邊緣位置的面板較位于中間位置的面板受到上游的影響較小。

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載 面板陣列 CFD SST湍流模式

中圖分類號：TU312文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0060-03

在太陽能光伏電站設(shè)計(jì)中，電池面板陣列所受到的風(fēng)荷載是一項(xiàng)不容忽視的荷載，尤其是在風(fēng)力旺盛區(qū)域。對風(fēng)荷載的考慮在商用光伏電站面板陣列設(shè)計(jì)中非常重要。作者在新疆若羌20MWp光伏電站[1]中采用數(shù)值模擬方法模擬電池面板陣列的風(fēng)荷載，為設(shè)計(jì)光伏支架提供技術(shù)分析以及支持。

1 數(shù)值風(fēng)洞模型建立

本文中使用的軟件包括ICEM CFD[2]（生成流場計(jì)算的網(wǎng)格系統(tǒng)）和Fluent[3]（CFD求解器）。

1.1 幾何和網(wǎng)格模型

為能達(dá)到足夠高的計(jì)算精度，需要在電池面板模型周圍設(shè)置足夠密的網(wǎng)格。但限于計(jì)算服務(wù)器的運(yùn)算能力，有必要簡化太陽能電池面板陣列的模型。同時(shí)為了能獲取上游面板對下游面板的影響系數(shù)，數(shù)值模型中共放置3行太陽能電池面板，每行放置4對面板（上下布置）。最終的幾何模型及計(jì)算域如圖1所示。

由于位于邊緣位置的面板受到上游面板尾流的影響較小，如果每行放置更多的面板，則風(fēng)的阻塞效果會更明顯。同時(shí)，忽略了電池面板與地面連接的支架構(gòu)件，因此其對風(fēng)場的阻礙作用也并未考慮。綜上，采用目前的模型計(jì)算出的結(jié)果是偏保守的。

由于電池面板陣列的簡化模型相對簡單，在整個(gè)計(jì)算域中可以生成質(zhì)量較高的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格的最小尺寸為0.01 m，外圍網(wǎng)格最大尺寸為3 m，網(wǎng)格單元總數(shù)約為500萬。在不同密度網(wǎng)格試算的基礎(chǔ)上，計(jì)算結(jié)果的數(shù)值精度通過了網(wǎng)格獨(dú)立性的檢驗(yàn)。計(jì)算模型的網(wǎng)格如圖2所示。

為了保證面板的壓力求解精度，本項(xiàng)目在電池面板的邊界上設(shè)置了滿足y+≈1的網(wǎng)格邊界層。同時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確的描述大氣邊界層的風(fēng)場特性，在地面邊界上了也設(shè)置較密的網(wǎng)格，通過與入口條件的配合，基本滿足大氣邊界層風(fēng)場的自平衡發(fā)展。

數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)分別計(jì)算正面來流和背面來流兩個(gè)風(fēng)向下的表面風(fēng)壓力。

1.2 求解設(shè)置

為了提高模擬精度，本文首先模擬了定常風(fēng)場作用下的風(fēng)場特性，湍流的模擬采用了基于RANS[4]（Reynolds Averaged Navier-Stokes equation）方法，基于模式改進(jìn)的剪應(yīng)力輸運(yùn)（Shear Stress Transport，SST）湍流模式。SST湍流模式綜合了和這種湍流模式的優(yōu)點(diǎn)，在近壁面區(qū)采用求解結(jié)果較好的模式，而在流場核心區(qū)采用模擬更準(zhǔn)確的模式。隨后，以定常場結(jié)果作為初始條件，采用了精度更高但更耗時(shí)的大渦模擬（Large Eddy Simulation）方法，加入了時(shí)間項(xiàng)，計(jì)算了面板陣列的非穩(wěn)態(tài)風(fēng)場。最終的模擬結(jié)果為10 s風(fēng)場的平均。

大氣邊界層風(fēng)場為不可壓縮流，離散方程組的求解適于采用基于解耦思想的SIMPLE （Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）系列求解方法。具體采用了SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）算法，該方法收斂速度快，由于采用了部分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，設(shè)置了網(wǎng)格傾斜校正，提高了計(jì)算的收斂性和健壯性。在數(shù)值離散精度方面，對流項(xiàng)采用了具有三階精度的QUICK（Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics）格式，當(dāng)網(wǎng)格為順流向的六面體網(wǎng)格時(shí)，QUICK格式可以較大的提高計(jì)算精度。

1.3 邊界條件

根據(jù)荷載規(guī)范，該場地的地面粗糙度為A類，數(shù)值風(fēng)洞的來流平均風(fēng)速剖面為：

由于我國荷載規(guī)范中并未給出湍流強(qiáng)度和湍流積分長度的建議公式，因此本文采用了日本AIJ規(guī)范中的建議公式[5]：

2 數(shù)值風(fēng)洞結(jié)果與分析

為了得到荷載規(guī)范中設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下的太陽能面板陣列風(fēng)荷載，將數(shù)值風(fēng)洞中得到的風(fēng)壓歸一化為通用的風(fēng)壓系數(shù)為：

風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)來流風(fēng)速條件為：A類場地指數(shù)率剖面，其中電池面板中心1.628 m高度處的風(fēng)速為34 m/s，對應(yīng)的10 m高度處風(fēng)速為42.27 m/s，則設(shè)計(jì)風(fēng)速下的風(fēng)荷載可由式（6）計(jì)算：

最終得到的兩風(fēng)向下各電池面板合力及與第一行比值列于表1和表2中。

流場中面上的速度和壓力場分布如圖4和圖5所示。

由以上風(fēng)荷載數(shù)據(jù)及流場的速度和壓力場分布可以看出，迎風(fēng)第一行電池面板所受風(fēng)荷載最大，其直接迎擊無干擾來流，其尾流區(qū)沿順風(fēng)向較長，且對第二行面板的影響最大，因此第二行面板的風(fēng)荷載下降較大，而第三行之后應(yīng)當(dāng)趨于穩(wěn)定。在背面來流風(fēng)向下，第三行風(fēng)荷載合力較大，約為第一行的0.73。同時(shí)，位于每一行兩側(cè)邊緣位置的面板較位于中間位置的面板受到上游的影響稍小。

3 結(jié)語

本文采用ICEM CFD和Fluent軟件，基于SST湍流模式，模擬了商用光伏電站面板陣列的風(fēng)荷載，得出如下結(jié)論：

無論是正面還是背面來流，第一行電池面板所受風(fēng)荷載最大，隨后風(fēng)荷載下降較大，最后趨于穩(wěn)定。

同一行面板中位于兩側(cè)邊緣位置的面板較位于中間位置的面板受到上游的影響較小。

基于以上的研究成果，作者所在單位在若羌項(xiàng)目采用此種計(jì)算方法進(jìn)行了光伏電站風(fēng)荷載取用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]新疆水利水電設(shè)計(jì)院.新疆水利水電設(shè)計(jì)院光伏電站風(fēng)速報(bào)告[R].烏魯木齊，2012.

[2]Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute. Photovoltaic power station wind speed report of Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute[R].Urumqi，2012.

[3]李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent流體分析及仿真實(shí)用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5]劉士和，劉江，羅秋實(shí)，等.工程湍流[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[6]日本建筑學(xué)會（AIJ）.房屋荷載建議[S].1995.