極區(qū)集成式光伏供電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉 政，王兵振，何改云，張?jiān)w，程緒宇

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.中國(guó)極地研究中心，上海 200136）

南極作為地球的兩大冷源之一，對(duì)全球的氣候變化有著至關(guān)重要的影響［1］。為了深入了解南極的氣候特性，須開(kāi)展長(zhǎng)周期的野外觀測(cè)活動(dòng)。野外觀測(cè)無(wú)法依托科學(xué)考察站進(jìn)行，因此電能供給問(wèn)題制約了長(zhǎng)周期野外觀測(cè)活動(dòng)的開(kāi)展。極區(qū)風(fēng)光資源豐富，利用可再生能源是解決長(zhǎng)周期野外觀測(cè)活動(dòng)電能供給問(wèn)題的有效途徑。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量針對(duì)極區(qū)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的研究。如：比利時(shí)在南極建立了全球首座溫室氣體零排放的“伊麗莎白公主”考察站，包括52 kW太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組和54 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組［2］；巴西科考人員研究了混合能源發(fā)電系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以減少科考站全年37%的燃油消耗［3］；日本“昭和”考察站科考人員建立了利用氫載體進(jìn)行能源季節(jié)性需求轉(zhuǎn)移和長(zhǎng)期儲(chǔ)能的獨(dú)立微電網(wǎng)［4］；法國(guó)-意大利南極基地通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電與柴油發(fā)電的配合，在保證全年度供電的同時(shí)減少了污染物的排放［5］；自2011年起，我國(guó)相關(guān)單位相繼開(kāi)展了對(duì)南極天文科考支撐平臺(tái)的光柴發(fā)電系統(tǒng)［6］、科考站可再生能源供電系統(tǒng)［7-8］以及極區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作特性［9］等的研究，在極區(qū)可再生能源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備的研制方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

極區(qū)擁有豐富的光伏資源，能夠有效解決極區(qū)夏季野外數(shù)月獨(dú)立觀測(cè)活動(dòng)的電能供給問(wèn)題。對(duì)于覆蓋極晝/夜的全年獨(dú)立觀測(cè)活動(dòng)的供電需求，采用集成化的風(fēng)光互補(bǔ)小型發(fā)電裝置是較好的技術(shù)方案。目前，極區(qū)現(xiàn)有的光伏發(fā)電裝置主要用于科考站的供電，規(guī)模較大，集成化程度不高，運(yùn)輸和布放工作量較大，并不適用于極區(qū)野外長(zhǎng)周期觀測(cè)活動(dòng)的供電。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于小型標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的光伏組件集成裝置。該裝置具有基于直流母線的電力匯流系統(tǒng)，在3～5 kW風(fēng)力發(fā)電裝置的配合下，可以滿足全年獨(dú)立觀測(cè)活動(dòng)的供電需求。論文重點(diǎn)介紹光伏組件集成裝置的結(jié)構(gòu)，分析光伏組件的輻照特性和最優(yōu)安裝傾角，并基于CFD（computational fluid dynamics，流體動(dòng)力學(xué)）方法分析光伏發(fā)電裝置風(fēng)流場(chǎng)特性和風(fēng)作用面的載荷，最后分析光伏支架的力學(xué)性能，以期為極區(qū)獨(dú)立供電裝置的研究提供參考方案。

1 光伏組件集成裝置

光伏組件集成裝置以6 m長(zhǎng)的集裝箱為依托。集裝箱采用保溫設(shè)計(jì)，用來(lái)放置電控系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元。光伏陣列共有10塊光伏組件，每塊光伏組件的功率為400 W，其通過(guò)光伏支架固定在集裝箱上。

光伏組件集成裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏支架采用C形管和矩形管，壁厚為2.5 mm，材料為304不銹鋼。光伏組件通過(guò)螺栓固定在光伏支架上，2排光伏組件的支架通過(guò)鉸鏈連接，便于光伏組件的展開(kāi)布放與折疊收起。當(dāng)光伏組件展開(kāi)時(shí)，通過(guò)安裝底梁和支撐梁來(lái)提高支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和支承剛度。光伏組件展開(kāi)延伸的一側(cè)通過(guò)地腳法蘭固定于地面。

圖1 光伏組件集成裝置的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of PV module integration device

2 極區(qū)環(huán)境特性分析

以極區(qū)的中山站為例分析極區(qū)的環(huán)境特性。中山站是我國(guó)第2個(gè)南極科考站，地處南極圈內(nèi)，位于東南極大陸的拉斯曼丘陵沿岸，其地理坐標(biāo)為南緯69°22'24.76"、東經(jīng)76°22'14.28"，海拔高度約為15 m。中山站存在極晝與極夜現(xiàn)象，一年中極晝有55 d，極夜有58 d，極晝期為11月底至第2年的1月中旬。中山站一年的光照時(shí)間可達(dá) 2 117 h［10］。

根據(jù)我國(guó)第34次南極科考數(shù)據(jù)，中山站2018年太陽(yáng)日輻射量如圖2所示。由圖可知：1月、11月、12月這3個(gè)月的月輻射量較大，分別為238.2，208.8，257.0 kWh/m2，達(dá)到了資源豐富帶的標(biāo)準(zhǔn)［11］；在5月份中山站的太陽(yáng)輻射量較小，利用價(jià)值不大；5月底至7月下旬中山站進(jìn)入極夜期，沒(méi)有太陽(yáng)輻射。

圖2 南極中山站2018年太陽(yáng)日輻射量Fig.2 Daily solar radiation at Zhongshan Station in Antarctic in 2018

南極地區(qū)環(huán)境條件惡劣，伴有常年的超低溫和大風(fēng)。中山站的年平均溫度為-9.5℃，最低溫度可達(dá)-46.5℃。中山站所在的普利茲灣受到下降風(fēng)影響，冬季平均風(fēng)速為10.8 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)50.2 m/s，8級(jí)以上的大風(fēng)天氣全年達(dá)174 d；地面風(fēng)向較穩(wěn)定，常年為東南偏東［12］。

3 光伏組件集成結(jié)構(gòu)的載荷面分析

光伏組件集成結(jié)構(gòu)的承受力主要來(lái)源于光伏組件風(fēng)載荷。光伏組件風(fēng)載荷的主要影響因素是風(fēng)速、風(fēng)向和光伏組件的安裝傾角。對(duì)于光伏組件而言，其斜面上太陽(yáng)輻射量是決定安裝傾角的關(guān)鍵因素。本節(jié)結(jié)合光伏組件集成結(jié)構(gòu)的特性，構(gòu)建光伏組件斜面上太陽(yáng)輻射量的計(jì)算模型，確定光伏組件的最優(yōu)安裝傾角，為光伏組件集成結(jié)構(gòu)的載荷計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

3.1 光伏組件斜面上太陽(yáng)輻射量計(jì)算模型

采用Klein等提出的方法計(jì)算光伏組件斜面上太陽(yáng)輻射量［13］。假設(shè)天空散射輻射量均勻分布，光伏組件斜面上太陽(yáng)輻射總量HT由太陽(yáng)直接輻射量HBT、天空散射輻射量HDT和地面反射輻射量HRT三部分組成，即：

式中：Hb為光伏組件水平面上太陽(yáng)直接輻射量；Rb為傾斜面與水平面上太陽(yáng)直接輻射分量的比值；Hd為水平面上天空散射輻射量；γ為光伏組件安裝傾角；η為太陽(yáng)輻射量的地面反射率，一般取η=0.2；H為水平面上太陽(yáng)輻射總量。

由文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［15］可知：

式中：φ為光伏組件所在地的緯度；δ為太陽(yáng)赤緯角；ωS為水平面上日落時(shí)角；ωST為傾斜面上日落時(shí)角。

其中：

式中：n為一年中從元旦算起的天數(shù)。

在南極地區(qū)極晝期間，無(wú)法根據(jù)式（3）計(jì)算水平面上日落時(shí)角，則采用逐小時(shí)考察傾斜面上太陽(yáng)光線入射角的方法，計(jì)算被考察小時(shí)內(nèi)傾斜面與水平面上太陽(yáng)直接輻射分量的比值R′b：

式中：τi為被考察的第i小時(shí)內(nèi)某時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)角，i=1，2，…，24；S為被考察時(shí)刻的小時(shí)數(shù)，M為被考察時(shí)刻的分鐘數(shù)，S和M均為真太陽(yáng)時(shí)計(jì)算所需的時(shí)差訂正。

累加每小時(shí)的輻射量，計(jì)算可得極晝期間光伏組件斜面上月太陽(yáng)輻射量HD：

式中：HTk為該月內(nèi)第k小時(shí)的太陽(yáng)輻射量，k=1，2，…，N，N為該月總小時(shí)數(shù)。

3.2 光伏組件最優(yōu)安裝傾角

基于光伏組件斜面上太陽(yáng)輻射量的計(jì)算模型與集成化結(jié)構(gòu)的特征，構(gòu)建集成式光伏組件太陽(yáng)輻射量計(jì)算模型。光伏陣列布放安裝后，上排光伏組件（PV1）安裝傾角為α，下排光伏組件（PV2）安裝傾角為β，如圖3所示。

圖3 光伏組件安裝傾角示意Fig.3 Schematic of inclination angle of PV modules

在集成化結(jié)構(gòu)的約束下，光伏組件安裝傾角與光伏組件寬度b、固定點(diǎn)高度h之間存在如下關(guān)系：b·sinα+b·sinβ=h。

2排光伏組件月太陽(yáng)輻射量的計(jì)算模型為：

式中：j為月份數(shù)。

通過(guò)分析中山站的光伏資源可知，1月、11月、12月的光伏資源充裕，2月、10月的光伏資源較好，3月、9月的光伏資源一般。以光伏組件斜面上月太陽(yáng)輻射量最大為目標(biāo)，計(jì)算得到光伏組件在1—3月、9—12月的最優(yōu)安裝傾角與斜面上最大太陽(yáng)輻射量，如表1所示。由表可知，在1—2月、10—12月，光伏組件最優(yōu)傾角為α=β=33°，在3月和9月，光伏組件最優(yōu)安裝傾角為α=39°，β=29°。為了保證光伏資源較差月份的發(fā)電功率，光伏組件的最優(yōu)傾角確定為在3月、9月光伏組件得到最大太陽(yáng)輻射量時(shí)的角度，即：α=39°，β=29°。

4 光伏組件風(fēng)載荷仿真與支架受力分析

4.1 光伏組件風(fēng)載荷計(jì)算模型

分析光伏板風(fēng)載荷常采用風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法。其中數(shù)值模擬方法的參數(shù)設(shè)置靈活，耗時(shí)較少，在地面光伏板和屋頂光伏板的風(fēng)載荷計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用［16-18］。本文采用數(shù)值模擬方法分析光伏組件風(fēng)載荷。

根據(jù)確定的光伏組件最優(yōu)安裝傾角建立光伏組件流體計(jì)算模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略同一排光伏組件之間的間距以及光伏支架的影響。計(jì)算模型中光伏組件的尺寸為5 m×2 m×0.025 m，α=39°，β=29°，集裝箱的尺寸為6.058 m×2.438 m×2.591 m，外流場(chǎng)域的大小為50 m×25 m×10 m。為提高計(jì)算精度，采用混合網(wǎng)格劃分。光伏組件和集裝箱表面設(shè)置10層壁面邊界層，第1層網(wǎng)格高度為1 mm，增長(zhǎng)率為1.2。光伏組件風(fēng)載荷計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 光伏組件風(fēng)載荷計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分Fig.4 Wind load calculation model and its grid division of PV modules

在低溫條件下，須考慮空氣密度和黏度的變化。根據(jù)測(cè)得的中山站的最低溫度和最大風(fēng)速，流體域參數(shù)設(shè)置：溫度為-50℃，空氣密度為1.584 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.446 Pa·s，入口速度為50.2 m/s。

4.2 不同風(fēng)向角時(shí)光伏組件的風(fēng)載荷

利用所建立的計(jì)算模型對(duì)光伏組件的風(fēng)載荷進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)光伏發(fā)電裝置風(fēng)流場(chǎng)的局部流線圖如圖5所示。由圖可知：自然風(fēng)經(jīng)過(guò)光伏組件后，在PV1與PV2之間的空隙內(nèi)形成了一個(gè)小的漩渦；此外，一部分風(fēng)通過(guò)PV2與地面的縫隙進(jìn)入光伏組件與集裝箱之間，并與通過(guò)PV1與集裝箱的間隙流入的氣流相互影響，形成了2個(gè)大的漩渦?？梢?jiàn)，由于集裝箱箱體的遮擋作用，光伏組件的流場(chǎng)非常復(fù)雜，與地面光伏陣列的流場(chǎng)［19］有很大不同，且不同風(fēng)向角會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)變化劇烈，光伏組件風(fēng)載荷變化較大。

圖5 風(fēng)向角為0°時(shí)光伏發(fā)電裝置風(fēng)流場(chǎng)的局部流線圖Fig.5 Local streamline diagram of wind flow field of PV power generation device with wind direction angle of 0°

當(dāng)風(fēng)向角為0°～180°時(shí)，以20°為間隔，利用CFD方法分析光伏組件風(fēng)載荷的變化情況，計(jì)算光伏組件上下表面壓力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)Cp［20］來(lái)分析光伏組件風(fēng)載荷的變化特性。

無(wú)量綱的風(fēng)壓系數(shù)Cp為：

式中：p為光伏組件壁面壓力；ph為參考高度h處的壓力；ρ為空氣密度；vˉh為參考高度h處的平均風(fēng)速。

定義光伏組件表面受到正壓時(shí)風(fēng)壓系數(shù)為正，受到負(fù)壓時(shí)風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)。光伏組件的凈風(fēng)壓系數(shù)CpN為：

式中：CpT為光伏組件上壁面的風(fēng)壓系數(shù)；CpB為光伏組件下壁面的風(fēng)壓系數(shù)。

將式（10）代入式（11），則光伏組件的凈風(fēng)壓系數(shù)可表示為：

式中：FN為光伏組件受到的凈壓力，為光伏組件上壁面受到的壓力pT與下壁面受到的壓力pB之差。

在不同風(fēng)向角時(shí)光伏組件的CpN值如圖6所示。由圖可知：當(dāng)風(fēng)向角為0°～90°時(shí)，隨著風(fēng)向角增大，光伏組件有效受風(fēng)面積逐漸減小，PV1、PV2的CpN值均總體上呈逐漸減小的趨勢(shì)，且PV2的CpN值較大；當(dāng)風(fēng)向角達(dá)為90°時(shí)，PV1、PV2的CpN值均接近于0°；當(dāng)風(fēng)向角為140°～170°時(shí)，PV1、PV2的CpN值均為負(fù)值，即光伏組件受到了向上抬升的作用力；此外，當(dāng)風(fēng)向角為90°～180°時(shí)，由于集裝箱的遮擋作用，2排光伏組件的CpN絕對(duì)值均較小。

圖6 不同風(fēng)向角時(shí)光伏組件的CpN值Fig.6 CpNvalue of PV modules at different wind direction angles

當(dāng)風(fēng)向角為20°時(shí)，2排光伏組件的凈風(fēng)壓系數(shù)之和達(dá)到最大值，為0.865；當(dāng)風(fēng)向角為120°時(shí)，PV1的凈風(fēng)壓系數(shù)為正，PV2的凈風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)，且為上、下排光伏組件分別受到正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓時(shí)兩凈風(fēng)壓系數(shù)的最大差值；當(dāng)風(fēng)向角為140°時(shí)，2排光伏組件的CpN值相同且為負(fù)。因此，對(duì)光伏支架的受力分析中應(yīng)重點(diǎn)考慮風(fēng)向角為20°、120°、140°這3種工況。

4.3 光伏支架的受力及變形

通過(guò)有限元方法分析光伏支架在3種典型工況下的受力及變形。光伏支架與光伏組件的材料參數(shù)如下：光伏支架的密度為7 930 kg/m3，楊氏模量為190 GPa，泊松比為0.265，屈服強(qiáng)度為310 MPa；光伏組件玻璃的密度為2 500 kg/m3，楊氏模量為72 GPa，泊松比為0.2。

在不同風(fēng)向角時(shí)光伏支架所受最大應(yīng)力及最大變形如表2所示。由表可知；當(dāng)風(fēng)向角為20°時(shí)，光伏支架所受最大應(yīng)力最大，為103.93 MPa，低于304不銹鋼的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)可達(dá)2.98；風(fēng)向角為120°和140°時(shí)的最大應(yīng)力相差較?。划?dāng)風(fēng)向角為140°時(shí)，2排光伏組件的凈風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值之和為0.365，比風(fēng)向角為20°時(shí)的0.865減小了57.8%，但最大應(yīng)力僅減小15.1%；當(dāng)2排光伏組件所受風(fēng)壓方向相反時(shí)，會(huì)造成光伏支架局部應(yīng)力過(guò)大；光伏支架的最大變形量不超過(guò)4.33 mm，且凈風(fēng)壓系數(shù)之和越大，最大變形量越大，風(fēng)載荷大小是影響光伏支架變形量大小的主要因素。

表2 不同風(fēng)向角時(shí)光伏支架所受最大應(yīng)力及最大變形Table 2 Maximum stress and deformation of PV bracket at different wind direction angles

當(dāng)風(fēng)向角為20°時(shí)光伏支架的應(yīng)力分布云圖如圖7所示。由圖可知：光伏支架整體應(yīng)力較小，在固定點(diǎn)處（A）和鉸接處（B）出現(xiàn)了應(yīng)力集中，且底梁和支撐梁出現(xiàn)了局部應(yīng)力增大的現(xiàn)象。

圖7 風(fēng)向角為20°時(shí)光伏支架的應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud diagram of stress distribution of PV bracket with wind direction angle of 20°

當(dāng)風(fēng)向角為120°時(shí)光伏支架的變形云圖如圖8所示。由圖可知：光伏支架中間部分的變形較大；來(lái)風(fēng)方向?qū)χЪ芟到y(tǒng)的整體變形有較大影響，來(lái)風(fēng)一側(cè)的光伏支架、底梁、支撐梁的變形較大，最大變形位于來(lái)風(fēng)側(cè)2排光伏支架的鉸接處，為3.7 mm，另一側(cè)的變形量相對(duì)較小，變形量均在1 mm以下。

圖8 風(fēng)向角為120°時(shí)光伏支架的變形云圖Fig.8 Cloud diagram of deformation of PV bracket with wind direction angle of 120°

5 結(jié) 論

針對(duì)南極野外長(zhǎng)周期獨(dú)立觀測(cè)活動(dòng)的電能供給問(wèn)題，提出了一種基于集裝箱便于機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場(chǎng)的光伏供電裝置。仿真分析了集成式光伏組件在不同風(fēng)向角時(shí)的風(fēng)載荷特性，并分析了光伏支架在3種典型工況下的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：

1）集裝箱單側(cè)集成了2排光伏組件，通過(guò)鉸鏈連接的方式實(shí)現(xiàn)光伏組件的展開(kāi)與折疊，并通過(guò)地腳法蘭固定于地面，提高了施工效率及便捷性。光伏組件集成裝置適用于極區(qū)施工環(huán)境較差和施工能力有限的場(chǎng)景。

2）由于集裝箱的遮擋作用，光伏發(fā)電裝置的風(fēng)流場(chǎng)較為復(fù)雜，來(lái)風(fēng)方向?qū)︼L(fēng)載荷的影響很大。正面來(lái)風(fēng)時(shí)，支架以受壓為主，風(fēng)向角為20°時(shí)風(fēng)載荷最大；側(cè)后方來(lái)風(fēng)時(shí)，支架受力狀態(tài)由受壓逐漸過(guò)渡到拉壓混合，風(fēng)載荷絕對(duì)值較小。對(duì)于高度集成化的光伏結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)分析時(shí)應(yīng)考察全方位來(lái)風(fēng)條件下的風(fēng)載荷情況。

3）在極端風(fēng)速下光伏支架的最大應(yīng)力位于地面固定點(diǎn)處，達(dá)到103.93 MPa，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.98，強(qiáng)度滿足要求；2排光伏支架鉸接處的變形較大，最大值為4.33 mm，且支架變形分布受風(fēng)向角的影響較大。對(duì)于可折疊光伏結(jié)構(gòu)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地面固定點(diǎn)及2排光伏支架鉸接處的力學(xué)性能。