光伏陣列風荷載干擾效應風洞試驗研究

馬文勇，馬成成，王彩玉，韓曉樂，高 飛

1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043

2.河北省風工程和風能利用工程技術創(chuàng)新中心，石家莊 050043

3.河北鯤能電力工程咨詢有限公司，石家莊 053700

0 引 言

光伏板采用的輕質(zhì)板和支架結構形式，導致其容易受到風荷載的影響發(fā)生破壞。目前我國光伏板風荷載取值的主要依據(jù)是《光伏支架結構設計規(guī)程》（NB/T 10115—2018）[1]，其給出了傾角在55°以內(nèi)的光伏板的風荷載取值，但對光伏陣列風荷載取值的規(guī)定比較簡單，難以滿足實際應用的需求。

對于單個光伏板的體型系數(shù)取值目前已經(jīng)有比較充分的研究[2-6]。研究人員還考慮了阻塞率[7]、端部開口[8]對光伏板風荷載取值的影響，并且采用數(shù)值模擬手段獲得了光伏板周圍的流場特性[9]?？偟膩碚f，對于不同傾角、不同風向角下單個光伏板的體型系數(shù)取值目前已經(jīng)比較明確。

與單個光伏板不同，由于干擾效應，光伏陣列中不同位置光伏板的風荷載取值有明顯的差異。高亮等[10]以風洞試驗為主，并結合數(shù)值模擬方法，研究了光伏板傾角、高度、間距、方陣中的位置等對其風荷載體型系數(shù)的影響規(guī)律，提出了考慮各種影響因素的風荷載計算公式。江繼波等[11]利用數(shù)值模擬方法，分析了風向角、光伏板安裝傾角和光伏板縱向間距對光伏陣列風荷載及其所受彎矩的影響。Jubayer等[12]通過數(shù)值模擬研究了不同風向角對地面光伏陣列風荷載的影響，發(fā)現(xiàn)在所有風向角下第1排光伏板承受風荷載最大。Warsido等[13]通過風洞試驗研究了不同間距參數(shù)對地面光伏陣列風荷載的影響，發(fā)現(xiàn)光伏板上的風荷載隨其縱向間距的增大而增大。雖然目前已經(jīng)有了部分光伏陣列風荷載的研究，但由于光伏陣列影響參數(shù)比較多，風荷載干擾效應比較復雜，關于光伏陣列風荷載的取值規(guī)律仍然不清楚，需要進一步的研究。

為明確光伏陣列中風荷載的折減效應，本文通過剛性模型測壓試驗，分析上游光伏板對下游光伏板的風荷載干擾效應，對比不同位置光伏板的體型系數(shù)及風荷載分布規(guī)律，并給出遮擋狀態(tài)下光伏板體型系數(shù)取值建議，為設計人員提供參考。

1 風洞試驗介紹

試驗在石家莊鐵道大學風洞實驗室低速試驗段進行。低速試驗段長為24 m，寬為4.4 m，高為3 m，風速范圍為1～30 m/s，背景湍流度小于1%。

1.1 試驗模型

如圖1（a）所示，單塊光伏板模型長L= 205 mm，寬B= 124 mm，厚T= 7.5 mm，縮尺比為1∶8。單組光伏板由20個單塊光伏板組成。模型采用ABS板制成，光伏板上下表面對稱布置測壓點。單塊光伏板有12個測壓位置，共24個測壓點；單組光伏板有240個測壓位置，共480個測壓點。圖1（b）為光伏板立面圖，其中：α為風向角，取值范圍為0°～180°，以15°為間隔；β為光伏板傾角，取10°和30°；H為光伏板離地高度，取62.5 mm。

圖1 試驗模型及參數(shù)定義Fig.1 Test model and parameter definition

風洞試驗以單組光伏板為基本單元，考慮分別有1、2、3、4、5和6組光伏板等6種串列情況下光伏板風荷載的變化規(guī)律。圖1（c）給出了3排光伏板時光伏陣列的布置圖，光伏板縱向間距S= 730 mm。

1.2 試驗工況

光伏陣列常建造在空曠平坦的地區(qū)，地面粗糙度處于《建筑結構荷載規(guī)范》[14]中的A類地貌和B類地貌之間。本研究偏于保守，選用A類風場。自由來流風速為12 m/s，采樣頻率為330 Hz，采樣時間為30 s，來流風場參數(shù)與文獻[15]相同。單組光伏板風洞試驗，傾角β為10°和30°，風向角α范圍為0°～180°，以15°為間隔。單列光伏板風洞試驗，傾角β為10°和30°，風向角α范圍為0°～30°和150°～180°，以15°為間隔，光伏板組數(shù)分別為2、3、4、5和6。試驗模型照片見圖2，A類風場平均風速剖面和湍流度剖面見圖3。由圖3可以看出，地面粗糙度指數(shù)γ= 0.12，試驗模擬得到的風速剖面與我國《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定的理論風速剖面吻合較好。

圖2 風洞試驗照片F(xiàn)ig.2 Photos in wind tunnel test

圖3 平均風速剖面和湍流度剖面Fig.3 Mean wind speed profile and turbulence intensity profile

1.3 參數(shù)定義

風壓系數(shù)定義：

式中，Cpi為測點i處的風壓系數(shù)，pwi和pni分別為測點i處上表面和下表面的風壓，pt為參考點處總壓，p0為參考點處靜壓，ρ為空氣密度，U為參考點處風速，參考點高度Z= 10 m。

體型系數(shù)定義：

式中，μsi和Zi分別為測點i處的體型系數(shù)和高度；μs為光伏板整體體型系數(shù)；Ai為測點i的所屬面積。

整體體型系數(shù)μs（簡稱體型系數(shù)）的正負值規(guī)定如下：正值表示風壓沿光伏板上表面法線方向向里，此時光伏板承受風壓力；負值表示風壓沿光伏板上表面法線方向向外，此時光伏板承受風吸力。

2 試驗結果

2.1 單組光伏板風荷載分布

圖4給出了當傾角β= 10°和30°時，單組光伏板體型系數(shù)隨風向角α的變化情況。由圖4可知，當β= 10°時，光伏板的體型系數(shù)隨著風向角的增大不斷減小，其取值范圍為–0.85～0.31。當α= 0°時，體型系數(shù)取得最大正值0.31；當α= 180°時，體型系數(shù)取得最大負值–0.85。當β= 30°時，光伏板體型系數(shù)的變化規(guī)律與β= 10°類似，但與β= 10°時相比，光伏板的體型系數(shù)顯著增大，其取值范圍為–1.33～1.07。當α= 15°時，體型系數(shù)取得最大正值1.07；當α=150°時，體型系數(shù)取得最大負值–1.33。雖然不同傾角下光伏板體型系數(shù)最大值和最小值對應的風向角不同，但是其取值與0°和180°風向角下的取值接近，因此α= 0°和180°可近似作為其風荷載取值的最不利工況。

圖4 體型系數(shù)隨風向角變化情況Fig.4 Variation of pressure coefficient to wind angle

圖5給出了傾角β= 10°、30°和風向角α= 0°、180°時的光伏板風壓分布情況。由圖5可以看出，當β= 10°、α= 0°時，光伏板體型系數(shù)上半部分最小為0.2，中部為0.4，下部最大為0.8。當β= 10°、α=180°時，光伏板體型系數(shù)上部為–2.0，中部為–1.0，下部為0，上部與下部的差距較大。此時，由于存在強烈的氣流分離作用，板上部兩端體型系數(shù)的梯度變化幅度明顯，體型系數(shù)等值線分布密集。當β= 30°、α= 0°時，光伏板體型系數(shù)從上到下呈現(xiàn)明顯的梯度變化，體型系數(shù)分布均勻，從上部的0.2漸變到下部的2.0。當β= 30°、α= 180°時，光伏板體型系數(shù)上半部分最大為–1.6，中部為–1.4，下部最小為–0.6，光伏板兩側的體型系數(shù)絕對值小于中間區(qū)域。當α=0°時，光伏板下部體型系數(shù)絕對值大于上部體型系數(shù)；當α= 180°時，光伏板上部體型系數(shù)絕對值大于下部體型系數(shù)。由此可知，光伏板近風端承受的風荷載大于遠風端。

圖5 光伏板體型系數(shù)分布Fig.5 Distribution of solar panels pressure coefficient

通過對比不同傾角下光伏板體型系數(shù)的變化情況發(fā)現(xiàn)：最不利風向角出現(xiàn)在α= 0°和180°附近；光伏板近風端承受的風荷載大于遠風端；傾角越大，體型系數(shù)也越大。

根據(jù)試驗結果，單組光伏板體型系數(shù)為：當傾角β= 10°時，正壓取值為0.35，負壓取值為–0.90；當傾角β= 30°時，正壓取值為1.10，負壓取值為–1.35。與《光伏支架結構設計規(guī)程》相比，傾角β= 10°時，正壓取值遠小于規(guī)范的0.80，其余情況與規(guī)范差距較小。

2.2 光伏陣列風荷載分布

為了研究光伏陣列的干擾效應，以最不利風向角α= 0°和180°為例，圖6給出了在不同傾角和風向角下不同位置光伏板的體型系數(shù)的變化情況。橫坐標代表光伏板所在的排數(shù)。

由圖6可以看出，不同工況下不同位置光伏板體型系數(shù)的變化趨勢類似，第1排光伏板的體型系數(shù)絕對值最大，其后各排光伏板的體型系數(shù)絕對值均有不同程度的減小。以β= 30°、α= 0°為例：第1排光伏板體型系數(shù)最大，值為1.01；第2排光伏板體型系數(shù)最小，值為0.26；第3排到第6排光伏板的體型系數(shù)在0.36左右波動，幾乎沒有差異。

圖6 不同位置光伏板的體型系數(shù)Fig.6 Pressure coefficients of solar panels at different positions

為更好地表達不同位置光伏板受干擾的程度，以第1排光伏板為參考，引入折減系數(shù)Iμ：

式中：μ1為第1排光伏板的體型系數(shù)；μi為第i排光伏板的體型系數(shù)，i= 1～6。

由折減系數(shù)定義可知，折減系數(shù)越小干擾效應越強。圖7給出了傾角β= 10°和30°時折減系數(shù)的變化情況。由圖7可知，各工況下折減系數(shù)變化趨勢大致相同，但在數(shù)值上差距較大，且在不同光伏板位置取得極值。當β= 10°、α= 180°時，第4排光伏板折減系數(shù)最小，為0.78；當β= 30°、α= 0°時，第2排光伏板折減系數(shù)最小，為0.26。由圖7還可以看出，隨著上游光伏板數(shù)量的增加，折減系數(shù)逐漸減小，第3～6排折減系數(shù)的變化幅度較小，由折減系數(shù)的定義可知，第3～6排光伏板的體型系數(shù)大致相當。綜上所述，可以說明當上游光伏板數(shù)量增加時，下游光伏板的體型系數(shù)不再隨之而發(fā)生明顯的變化，即上游光伏板對下游光伏板的干擾趨于穩(wěn)定。

圖7 折減系數(shù)隨著光伏板位置的變化Fig.7 The reduction coefficient changes with the position of the solar panels

通過對比發(fā)現(xiàn)，在不同傾角和風向角下，上游光伏板對下游光伏板的干擾程度差異明顯。當光伏板傾角β= 30°時，光伏陣列干擾效應明顯大于β= 10°的情況，這是因為大傾角光伏板對流場的影響程度更大，使得上游光伏板對下游光伏板的干擾效應更加顯著；當風向角α= 0°時，上游光伏板對下游光伏板的干擾效應明顯大于α= 180°時的情況。

圖8給出了干擾程度最大工況下（β= 30°、α=0°）不同位置光伏板的風壓分布情況。其中，第5和6排光伏板風壓分布與第4排類似，限于篇幅未給出。

由圖8可知，第2排光伏板上部、中部和下部中間區(qū)域體型系數(shù)均為0.2，下部兩端體型系數(shù)為1.4；與第1排光伏板相比，其體型系數(shù)明顯減小，且分布形式發(fā)生了顯著變化，不再符合梯度分布，而是在下部兩端出現(xiàn)了強正壓區(qū)。這是由于上游光伏板的干擾，使得下游光伏板下部兩端氣流分離現(xiàn)象遠大于其他區(qū)域，體型系數(shù)等值線分布密集。第3排光伏板上部和中部的體型系數(shù)呈現(xiàn)梯度變化，由0.2漸變到0.6，在下部兩端出現(xiàn)強負壓區(qū)，體型系數(shù)為1.6。第4排光伏板體型系數(shù)的大小和分布形式與第3排相似。通過對比不同位置光伏板的風壓分布情況，發(fā)現(xiàn)光伏板上部（遠風端）的體型系數(shù)變化較小，上游光伏板對下游光伏板的干擾效應主要作用在下部（近風端）。

圖8 光伏板體型系數(shù)分布Fig.8 Distribution of solar panels pressure coefficient

綜上可知，上游光伏板對下游光伏板存在干擾效應，傾角越大，這種干擾效應越明顯，隨著上游光伏板數(shù)量的增加，這種干擾效應趨于穩(wěn)定。

3 試驗結果與規(guī)范

表1給出了光伏板體型系數(shù)試驗結果與各國光伏板風荷載取值規(guī)范的比較，表中ASCE 7-10代表美國規(guī)范[16]，AN/NZS 1170代表澳洲規(guī)范[17]。當傾角β= 10°時，順風向風荷載試驗值與《光伏支架結構設計規(guī)程》相比約小56%，其余情況差距較??；與美國規(guī)范取值差距較大。當傾角β= 10°，順風向風荷載試驗值與澳洲規(guī)范值相比較??；背風向風荷載試驗值與澳洲規(guī)范值相比較大。

表1 光伏板體型系數(shù)試驗值與規(guī)范值對比Table 1 Comparison between the test value and the standard value of the solar panel pressure coefficient

4 結 論

通過剛性模型測壓風洞試驗，研究了單組光伏板體型系數(shù)的變化規(guī)律，并對光伏陣列的干擾效應進行了分析，得到以下結論：

1）單組光伏板體型系數(shù)分布較為均勻，最不利風向角出現(xiàn)在0°和180°附近，傾角越大，光伏板體型系數(shù)也越大；同一工況下，光伏板近風端的體型系數(shù)大于遠風端。根據(jù)試驗結果給出光伏板體型系數(shù)：當傾角β= 10°時，正壓取值為0.35，負壓取值為–0.90；當傾角β= 30°時，正壓取值為1.10，負壓取值為–1.35。該取值與《光伏支架結構設計規(guī)程》相比，傾角β= 10°時，正壓取值遠小于規(guī)范的0.80，其余情況與規(guī)范差距較小。

2）在光伏陣列中，上游光伏板對下游光伏板有明顯的干擾效應，使得下游光伏板所受風荷載顯著減小。其中，前3排風荷載變化明顯，第4排以后的風荷載取值趨于穩(wěn)定。

3）板面迎風（正壓）和板面背風（負壓）時的折減效應不同，光伏板傾角越大，折減效應越明顯。板面迎風時，正壓的折減系數(shù)更小，本文10°和30°傾角對應的折減系數(shù)均小于0.5；板面背風時，負壓的折減系數(shù)較大，10°和30°傾角對應的折減系數(shù)分別小于0.9和0.6。