基于風(fēng)洞試驗光伏組件體型系數(shù)及遮擋效應(yīng)研究

秦良忠

（浙江禾邁清潔能源有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著光伏電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏板被風(fēng)吹毀時有發(fā)生，特別是對安裝在屋頂上的分布式光伏電站，其安全性尤為重要。風(fēng)荷載是反映結(jié)構(gòu)性能和安全的重要指標(biāo)，合理的風(fēng)荷載取值對光伏電站的安全和降低工程造價具有重要的意義。GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[1]或NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[2]給出的體型系數(shù)取值主要針對地面的光伏組件，并未考慮屋頂女兒墻對分布式光伏組件遮擋效應(yīng)的影響，使風(fēng)荷載取值過于保守。

國內(nèi)學(xué)者對光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)進(jìn)行了一定的研究。宮博等[3-4]通過風(fēng)洞試驗對單片光伏板的風(fēng)壓系數(shù)及體型系數(shù)進(jìn)行研究，并采用頻域方法計算光伏板的風(fēng)振位移響應(yīng)；李偉等[5]利用fluent計算平臺，模擬了各種風(fēng)向角工況下光伏陣列的風(fēng)荷載分布規(guī)律。高亮等[6]通過組件傾角、高度、間距等因素對光伏板風(fēng)荷載體型系數(shù)進(jìn)行研究，推導(dǎo)出風(fēng)荷載計算公式。樓文娟[7]通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬對超大型光伏陣列風(fēng)荷載進(jìn)行研究，對各區(qū)域的體型系數(shù)取值提出建議。

現(xiàn)有文獻(xiàn)及規(guī)范對光伏組件風(fēng)荷載特性研究主要聚焦在地面上安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)，對安裝在屋頂上的光伏陣列風(fēng)荷載體型系數(shù)取值仍不明確。該文以三行十八列的光伏陣列為研究對象，通過有無女兒墻和最不利風(fēng)向角多種工況，對光伏陣列風(fēng)荷載體型系數(shù)和遮擋效應(yīng)進(jìn)行分析。通過研究太陽能光伏組件單元體型系數(shù)隨位置的變化規(guī)律，為光伏支架和基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

1 風(fēng)洞試驗介紹

1.1 試驗?zāi)Ｐ图肮r

在浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞實驗室開展光伏組件風(fēng)洞試驗，該風(fēng)洞是一座單回流閉口立式鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)單試驗段邊界層風(fēng)洞。試驗風(fēng)場類別為A類風(fēng)場，試驗風(fēng)為8 m/s。每塊光伏組件正反兩面對應(yīng)布置5×4的風(fēng)壓測點，雙面共計40個測點。風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。風(fēng)洞試驗采集儀的采樣頻率為312.5 Hz，每個測點采樣樣本總長為31250個數(shù)據(jù)（約為100 s），采樣時間間隔約為3.2 ms。通過試驗，對每個測點在每個風(fēng)向角下都記錄了31250個數(shù)據(jù)的風(fēng)壓時程信號。

方陣為十八列三行，原型單排方陣長10.1m，寬1.978m，組件傾角23°，組件最低離地高度0.5m。光伏方陣橫向間距0.7m，縱向間距1.5m。光伏方陣模型由工業(yè)塑料制作而成，幾何縮尺比為1/20。

在建筑物屋頂上建設(shè)光伏項目，建筑物周圍女兒墻會對光伏陣列產(chǎn)生遮擋效應(yīng)。試驗分為兩種工況，一種是方陣周圍不設(shè)女兒墻，如圖1（a）所示。另一種是在光伏方陣周圍設(shè)置女兒墻，女兒墻原型高度為1.5 m，距光伏組件水平距離為3 m，如圖1（b）所示。以23°傾角的光伏陣列為研究對象，選用最不利風(fēng)向角0°和180°，分析女兒墻及上游組件對光伏陣列風(fēng)荷載體型系數(shù)及遮擋效應(yīng)的影響。

圖1 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ蛨D

1.2 體型系數(shù)和折減系數(shù)定義

壓力系數(shù)Cpi定義如公式（1）所示。

式中：Cpi為測點i處的風(fēng)壓系數(shù)；Pi和Ps分別為測點i處上表面和下表面的風(fēng)壓；ρ為空氣密度；U為參考點的風(fēng)速。

體型系數(shù)如公式（2）和公式（3）所示。

式中：μsi、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所屬面積。

光伏陣列前后遮擋效應(yīng)通過體型系數(shù)的折減來定義，折減系數(shù)值越小表示上游組件對下游組件的遮擋越大。以中間列第一排組件為基準(zhǔn)，計算第n排組件體型系數(shù)的折減系數(shù)，如公式（4）所示。

式中：Kn第n排組件折減系數(shù)；μ1為第一排組件體型系數(shù)；μn為第n排組件體型系數(shù)。

2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 無女兒墻的光伏陣列風(fēng)荷載

選用最不利風(fēng)向角0°、180°進(jìn)行光伏陣列風(fēng)荷載體型系數(shù)及遮擋效應(yīng)影響研究。表1為不同位置體型系數(shù)和折減系數(shù)統(tǒng)計表。圖2為光伏陣列不同位置體型系數(shù)變化曲線。從表1和圖2中可知，光伏組件體型系數(shù)在0°風(fēng)向角下為正值，表現(xiàn)為壓力；在180°風(fēng)向角下為負(fù)值，表現(xiàn)為吸力。在0°和180°風(fēng)向角，陣列的第一排光伏板的體型系數(shù)最大，分別為0.98和-1.257。由于上游光伏板的遮擋效應(yīng)，第二排的光伏組件體型系數(shù)大幅下降，后排體型系數(shù)波動趨于穩(wěn)定。

圖2 不同位置光伏板體型系數(shù)變化曲線圖

圖3為光伏陣列不同位置折減系數(shù)變化曲線。由圖3和表1可知，對0°和180°風(fēng)向角來說，兩者的折減系數(shù)值差較大，0°風(fēng)向角上游組件對下游組件的遮擋效應(yīng)大于180°風(fēng)向角。0°和180°風(fēng)向角第一排組件對二排組件產(chǎn)生了較大的遮擋效應(yīng)，折減系數(shù)下降明顯，下降比例分別達(dá)77.2%和58.2%。第二排之后組件的折減系數(shù)波動范圍不大，趨于穩(wěn)定。0°風(fēng)向角第二排之后的組件折減系數(shù)范圍在0.202至0.323，平均值為0.233，最大值出現(xiàn)在最后排。180°風(fēng)向角第二排之后的組件折減系數(shù)為0.373～0.532，平均值為0.455，最大值同樣出現(xiàn)在最后排。

圖3 不同位置光伏板折減系數(shù)變化曲線圖

表1 不同位置體型系數(shù)和折減系數(shù)統(tǒng)計表

2.2 有女兒墻的光伏陣列風(fēng)荷載

為研究女兒墻對光伏陣列的遮擋效應(yīng)，在光伏陣列四周圍加設(shè)女兒墻。圖4為有無女兒墻光伏板體型系數(shù)變化曲線圖。從圖4可以看出，與無女兒墻相比，有女兒墻的光伏板各位置的體型系數(shù)變化曲線較為平緩，波動范圍較小。表2為有無女兒墻光伏板體型系數(shù)對比，從表2可知，0°風(fēng)向角，有女兒墻的光伏陣列體型系數(shù)范圍為0.156～0.321，平均值為0.234；180°風(fēng)向角，有女兒墻的光伏陣列體型系數(shù)范圍為-0.216～-0.613，平均值為-0.426；0°風(fēng)向角時，有女兒墻的光伏陣列體型系數(shù)的最大值和平均值均小于無女兒墻的光伏陣列。尤其是第一排的光伏板，0.98降至0.321，下降幅度為67.2%；180°風(fēng)向角時，其體型系數(shù)由原來的-1.257降至-0.216，下降幅度達(dá)82.82%。綜上可知，女兒墻對內(nèi)部光伏陣列產(chǎn)生明顯的遮擋效應(yīng)，尤其是對第一排光伏板影響較大，第二排及后排的光伏組件影響趨于平緩。

表2 有無女兒墻光伏板體型系數(shù)對比

圖4 有無女兒墻光伏板體型系數(shù)變化曲線圖

2.3 試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有規(guī)范對比

光伏陣列周圍無女兒墻，第一排的體型系數(shù)較大，第二排之后的體型系數(shù)基本呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。光伏陣列周圍有女兒墻時，女兒墻內(nèi)部陣列體型系數(shù)差異不大。為了合理、安全地對光伏電站進(jìn)行設(shè)計，分別對各種工況下的光伏板的體型系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一歸類。

表3為23°傾角光伏板體型系數(shù)試驗結(jié)果與國內(nèi)光伏相關(guān)規(guī)范的對比，無女兒墻的光伏陣列，0°方位角第一排光伏板體型系數(shù)為0.98，與《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》相比約小24.6%，與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》的0.9較為接近。180°方位角第一排光伏板體型系數(shù)為-1.26，與《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》的-1.3較為接近，而與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》差距較大。上游光伏對下游光伏板的遮擋效應(yīng)，《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》并未涉及。《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》考慮了這個遮擋效應(yīng)，對第四排后的組件體型系數(shù)進(jìn)行折減，但折減后的體型系數(shù)大于試驗值。

表3 光伏板體型系數(shù)試驗值與規(guī)范值對比

上述兩個規(guī)范對有女兒墻內(nèi)的光伏陣列體型系數(shù)取值沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過對有女兒墻的光伏陣列進(jìn)行風(fēng)洞試驗，試驗結(jié)果顯示，女兒墻對光伏陣列的有明顯的遮擋效應(yīng)，0°和180°方位角時，內(nèi)部光伏板體型系數(shù)最大值分別為0.32和0.61。該試驗結(jié)果可為屋頂上的分布式光伏電站項目抗風(fēng)設(shè)計提供參考。

3 結(jié)論

通過風(fēng)洞試驗，分析了傾角為23°光伏陣列在最不利風(fēng)向角、有無女兒墻等工況下風(fēng)荷載特性，總結(jié)了各因素對光伏板體型系數(shù)和遮擋效應(yīng)的影響。試驗數(shù)據(jù)分析得到如下3個結(jié)論：1）對無女兒墻的光伏陣列，上游光伏板對下游光伏板產(chǎn)生顯著的遮擋效應(yīng)。第一排的風(fēng)荷載體型系數(shù)最大，第二排光伏板體型系數(shù)大幅下降，后排體型系數(shù)波動趨于穩(wěn)定。2）無女兒墻的光伏陣列，在0°方位角時，第一排光伏板體型系數(shù)為0.98，與《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》相比約小24.6%，與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》的0.9較為接近。180°方位角時，第一排光伏板體型系數(shù)為-1.26，與《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》較為接近，而與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》差距較大。3）女兒墻對內(nèi)部光伏陣列產(chǎn)生了遮擋效應(yīng)，尤其是對第一排光伏板的影響較大，第二排及后排的光伏組件影響趨于平緩。0°和180°方位角時，內(nèi)部光伏板體型系數(shù)最大值分別為0.32和0.61。該試驗結(jié)果可為屋頂上的分布式光伏電站項目抗風(fēng)設(shè)計提供參考。