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    人字形光伏陣列防風(fēng)效果的數(shù)值模擬

    2022-10-17 08:38:50趙文舉劉貴元虎軍宏胡家珍
    排灌機(jī)械工程學(xué)報 2022年10期
    關(guān)鍵詞:防風(fēng)風(fēng)壓導(dǎo)流

    趙文舉,劉貴元,虎軍宏,胡家珍

    (蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

    西北戈壁地區(qū)的有效風(fēng)能密度高于200 W/m2,年可用時數(shù)超過5 000 h,平均年太陽輻射量達(dá)6 500 MJ/m2,風(fēng)、光能資源十分豐富,是中國陸地風(fēng)能開發(fā)潛力最高[1]和光能資源最豐富[2]的地區(qū)之一.但強(qiáng)烈的風(fēng)吹日曬加劇了水的蒸發(fā),限制著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展,常兆豐等[3]的研究指出戈壁光伏電站兼有調(diào)節(jié)地表熱力平衡和防風(fēng)治沙的作用.因此,分析光伏陣列的防風(fēng)效果,對戈壁地區(qū)光伏電站建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有切實的指導(dǎo)意義.

    一方面,國內(nèi)外學(xué)者就光伏陣列的風(fēng)荷載特點進(jìn)行了大量研究.SHADEMAN等[4]指出陣列選擇適宜的縱向間距可以利用遮蔽效果來減小升力;WARSIDO等[5]分析了間距對光伏陣列風(fēng)荷載的影響,研究指出風(fēng)荷載系數(shù)隨著光伏板之間縱向間距的增加而增加;高亮等[6]的研究發(fā)現(xiàn)光伏板風(fēng)荷載對其傾角變化敏感且隨傾角的增大而增大;周煒等[7]針對光伏板正向、背向風(fēng)荷載的極限工況,分析了其在不同高度、傾角、間距布置下的風(fēng)荷載及折減特性.JUBAYER等[8]研究了單列5塊光伏板在不同迎風(fēng)角度下的風(fēng)荷載,結(jié)果表明:在迎風(fēng)角度為0°和180°時,第1排承受最大的升、阻力,而在迎風(fēng)角度為45°和135°時,光伏板承受最大的傾覆力矩.另一方面,國內(nèi)外學(xué)者對常見風(fēng)障的防風(fēng)效果進(jìn)行了大量研究.LI等[9]研究指出圍欄的高度和孔隙率是控制流動結(jié)構(gòu)和遮蔽效果的最重要因素;李家樂等[10]就擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果進(jìn)行了仿真研究,研究表明3 m和5 m擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速分別從0呈三角形和矩形趨勢逐漸增加;沈廣旭等[11]研究了3種孔隙率防風(fēng)柵的擋風(fēng)效果,結(jié)果表明:隨著防風(fēng)柵孔隙率的增加,防風(fēng)柵對風(fēng)壓的減弱效果變差;張凱等[12]用數(shù)值模擬方法分析了三道連續(xù)HDPE板沙障的合理間距問題,研究表明:孔隙率一定時,入口風(fēng)速越大,HDPE板沙障有效防護(hù)距離越小.

    綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者對光伏陣列風(fēng)荷載特點和常見風(fēng)障的防風(fēng)效果進(jìn)行了大量研究,為文中的研究積累了許多借鑒之處,但對于光伏陣列的防風(fēng)效果鮮有研究.為此,文中采用三維數(shù)值模擬的方法,分析人字形光伏陣列的抗風(fēng)載能力和防風(fēng)效果,以期為戈壁光伏陣列布設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論指導(dǎo).

    1 方法

    1.1 幾何模型

    根據(jù)ALY[13]的研究,尺縮效應(yīng)會造成試驗與模擬得到的光伏板峰值荷載不一致,故文中采用原型尺寸建模.借鑒某型號光伏板的尺寸及布置參數(shù),用UG 10.0建立由9塊長(l)×寬(b)×厚(t)為2 m×1 m×0.05 m的光伏板組成離地高度M為0.20 m、陣列距離D為2 m、安裝傾角a為30°、陣列角度A為30°布置的人字形光伏陣列模型.根據(jù)FRANKE等[14]創(chuàng)建的《建筑物環(huán)境中CFD模擬指南》,確定計算域尺寸:記光伏板頂緣高度為H,則陣列前緣5H處為入口邊界,后緣15H處為出口邊界,兩側(cè)5H處為壁面邊界,頂部5H處為頂部邊界,計算并用SpaceClaim軟件創(chuàng)建的計算域尺寸為21.82 m×17.00 m×4.24 m,計算域及參數(shù)示意圖見圖1.

    1.2 網(wǎng)格劃分

    為了提高網(wǎng)格質(zhì)量,采用了以下方法:為較好捕捉到尺寸漸進(jìn)和局部特征,全局網(wǎng)格的尺寸控制函數(shù)選用逼近與曲率函數(shù);為減少四面體網(wǎng)格的數(shù)量,組件網(wǎng)格采用Cut Cell劃分方法;使用邊界層網(wǎng)格與局部尺寸函數(shù)對光伏板和底面附近網(wǎng)格進(jìn)行局部優(yōu)化[15].劃分得到5 838 369個網(wǎng)格節(jié)點,5 431 865個計算單元.計算域網(wǎng)格剖視圖見圖2.

    1.3 數(shù)值模型

    使用Fluent非定常求解器進(jìn)行三維原型仿真分析.有研究表明,SSTk-ω湍流模型在研究傾斜板附近流場方面優(yōu)于Realizablek-ε模型[5],且RANS比LES更能準(zhǔn)確描述流動分離和遮蔽效應(yīng)[16],故采用SSTk-ω湍流模型求解基于雷諾平均的Navier-Stokes方程的方法.趙文舉等[17]指出,當(dāng)粒徑超過10 mm后削弱度基本不變,文中取底面邊界為10 mm的無滑移固定邊界;根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,速度入口分別取10 m/s和15 m/s,自由壓力出口;指定材料屬性,監(jiān)控光伏板上表面升、阻力系數(shù),使用Hybrid方法初始化.時間步長取0.2 s,迭代50步,每步最大迭代次數(shù)為40次.

    2 結(jié)果與分析

    首先通過分析光伏板上表面壓力和計算域特征高度的風(fēng)速分布,定性描述該陣列光伏板風(fēng)壓承載狀況和計算域特征高度風(fēng)速特點;然后分別對光伏板承受的風(fēng)壓力和特征高度的風(fēng)速值進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,以定量表征該布置下光伏陣列的抗風(fēng)載能力和防風(fēng)效果.

    2.1 風(fēng)壓和風(fēng)速分布

    由于模型和來流條件均具有嚴(yán)格的對稱性,故只需取陣列一側(cè)作為研究對象;且此來流條件下光伏板最可能從上表面開始破壞,故只需研究其上表面的風(fēng)壓分布特點.圖3a,3b分別為10 m/s和15 m/s風(fēng)速下,第1—5排光伏板上表面壓力p云圖.可以發(fā)現(xiàn):最大正壓均出現(xiàn)在光伏板前緣偏外側(cè)區(qū)域,即陣列底部翼型連線上,最大負(fù)壓出現(xiàn)在光伏板左側(cè)區(qū)域,即陣列內(nèi)側(cè)翼型連線上;極端正壓和極端負(fù)壓區(qū)域面積均隨著排數(shù)的增加而減小;首排光伏板承受較高風(fēng)壓力,起到保護(hù)其他排的作用,即出現(xiàn)“雁陣效應(yīng)”.

    分別取安裝高度一半、安裝高度、光伏板中心高度和光伏板頂緣高度的特征截面,即離地0.10,0.20,0.45,0.70 m處的風(fēng)速為研究對象,以特征截面的風(fēng)速反映計算域空間上的風(fēng)速分布特點.圖4為10 m/s和15 m/s下各截面的風(fēng)速等值線圖.一方面,等值線的疏密程度能夠反映風(fēng)速在空間上的變化情況:在光伏板附近等值線密集,風(fēng)速急劇變化;另一方面,等值線的值反映各級風(fēng)在空間上的分布情況:來風(fēng)在通過人字形陣列時銳減,在陣列后形成近金字塔形的風(fēng)速衰減區(qū),證實了此布置方式具有較好的防風(fēng)效果;在陣列外側(cè)形成局部風(fēng)速激增區(qū),可能是由于出現(xiàn)雁陣效應(yīng)后,光伏板的導(dǎo)流作用加速了陣列外側(cè)區(qū)域的空氣流動.

    2.2 抗風(fēng)載能力

    為進(jìn)一步量化分析陣列抗風(fēng)載能力,在每塊光伏板上用矩形網(wǎng)格法按0.4 m的等間距取3×5個監(jiān)測點,分別用風(fēng)壓承載率和風(fēng)壓區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)直觀表示光伏板整體和局部的風(fēng)壓承載狀況,以反映該光伏陣列不同位置的抗風(fēng)載能力.

    其中,風(fēng)壓承載率計算方法見式(1),風(fēng)壓承載率越小,表明該排光伏板的承載狀況越好,即該處的抗風(fēng)載能力越小.

    (1)

    式中:ηi為第i排的風(fēng)壓承載率;Pi為第i排的平均壓力.

    現(xiàn)將各排光伏板的風(fēng)壓力描述性統(tǒng)計特征列入表1,其中v為風(fēng)速,i為排數(shù),SP為壓力標(biāo)準(zhǔn)差,e為變異系數(shù).可以發(fā)現(xiàn):第1排承受最大的風(fēng)壓力,第2—5排需要的抗風(fēng)載能力顯著小于第1排且逐排減?。寒?dāng)風(fēng)速為10 m/s時,第2—5排的抗風(fēng)載能力分別僅是第1排的51.09%,46.52%,36.56%和29.90%;當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時,第2—5排的抗風(fēng)載能力分別僅是第1排的49.44%,44.71%,37.09%和29.26%.風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時,第1—5排變異系數(shù)均逐漸增大,光伏板表面的風(fēng)壓不均勻度逐排增加,故有必要進(jìn)一步分析光伏板表面風(fēng)壓的局部特點.

    表1 各排光伏板的風(fēng)壓力描述性統(tǒng)計特征

    為分析光伏板表面風(fēng)壓的局部差異性,將各排光伏板上監(jiān)測點|P|按20 Pa的間隔劃分為不同的風(fēng)壓區(qū).統(tǒng)計各風(fēng)壓區(qū)的監(jiān)測點數(shù),得到如圖5a,5b的各排風(fēng)壓區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)統(tǒng)計圖.可以發(fā)現(xiàn):風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時,第1排0~20 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)均遠(yuǎn)小于其他排,承受較大的風(fēng)壓力.當(dāng)風(fēng)速為10 m/s,第1排40~60 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)大于其他排;當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時,第1排120~140 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)大于其他排.首排光伏板對后排光伏板均起到保護(hù)作用,且極大壓力區(qū)均隨排數(shù)的增加而顯著減小,故實際建設(shè)中只需采取局部加固的方法即可提高光伏陣列整體的抗風(fēng)載能力.

    2.3 防風(fēng)效果

    (2)

    式中:ηd為風(fēng)速殘余系數(shù);v計算為風(fēng)場中任意點處風(fēng)速;v初始為入口風(fēng)速,此例為10 m/s.

    表2 計算域不同高度風(fēng)速的描述性統(tǒng)計特征

    由表2可知,各工況下計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)ηd均隨離地高度的增加而增大:當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時,在離地0.10 m處,計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)最小,隨著高度的增加,計算域內(nèi)平均風(fēng)速殘余系數(shù)分別增加3.75%,3.77%和3.18%;當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時,在離地0.10 m處,計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)最小,隨著高度的增加,計算域內(nèi)平均風(fēng)速殘余系數(shù)分別增加4.46%,5.79%和3.76%.可能是由于陣列的防風(fēng)效果由遮蔽效果和導(dǎo)流效果構(gòu)成,隨著高度的增加,導(dǎo)流效果逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致光伏陣列計算域內(nèi)的防風(fēng)效果隨著高程的增加而減弱.在離地0.10 m處,平均風(fēng)速殘余系數(shù)均是最小的,說明此布置對光伏板安裝高度以下空間具有良好的防風(fēng)效果.在離地高度從0.20 m增加到0.45 m的過程中,平均風(fēng)速殘余系數(shù)增量最大,這是因為光伏板沿陣列方向的導(dǎo)流效果驟增,本計算方法將陣列兩側(cè)區(qū)域的風(fēng)速值也考慮在內(nèi),故計算域平均風(fēng)速會有顯著提高.在離地高度從0.45 m增加到0.70 m的過程中,陣列計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)增量較小,這是因為光伏板沿陣列方向的導(dǎo)流效果變化不顯著.

    各工況下風(fēng)速分布均表現(xiàn)出中等變異性.當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時,變異程度從大到小依次為0.20,0.45,0.70,0.10 m;當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時,變異程度從大到小依次為0.20,0.45,0.10,0.70 m.分析認(rèn)為是由于在0.20 m處,出現(xiàn)“雁陣效應(yīng)”,在陣列外側(cè)形成風(fēng)速激增區(qū),導(dǎo)致計算域風(fēng)速分布的差異性驟增;在離地高度從0.20 m增加到0.70 m的過程中,由于導(dǎo)流效果增強(qiáng),防風(fēng)效果減弱,計算域風(fēng)速均有所提高,故變異系數(shù)逐漸減小.

    3 結(jié) 論

    通過基于雷諾平均的三維非定常數(shù)值模擬試驗,分析了安裝傾角、高度、陣列角度和間距分別為30°,0.20 m,30°和2 m人字形光伏陣列在10 m/s和15 m/s的迎風(fēng)條件下的抗風(fēng)載能力和防風(fēng)效果,得到以下結(jié)論:

    1) 最大正壓和最大負(fù)壓區(qū)分別位于陣列底部、內(nèi)側(cè)翼型連線上,且面積均隨著排數(shù)的增加而減小;首排光伏板相較于后排承受較高風(fēng)壓力,陣列出現(xiàn)“雁陣效應(yīng)”.在人字形陣列后形成近金字塔形的風(fēng)速衰減區(qū),具有較好的防風(fēng)效果;在陣列外側(cè)形成局部風(fēng)速激增區(qū),光伏板的導(dǎo)流作用加劇了陣列外側(cè)區(qū)域的空氣流動.

    2) 當(dāng)風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時,首排光伏板均承受最大的風(fēng)壓力,第2—5排需要的抗風(fēng)載能力顯著小于首排且實現(xiàn)逐排減小趨勢;第1—5排變異系數(shù)均逐漸增大.將|P|以20 Pa的間隔劃分為不同風(fēng)壓區(qū),可以發(fā)現(xiàn):第1排極小壓力區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)小于其他排,而極大壓力區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)大于其他排,首排光伏板對后排光伏板均起到保護(hù)效果,且極大壓力區(qū)均隨排數(shù)的增加顯著減小,故實際建設(shè)中只需采取局部加固的方法即可提高光伏陣列整體的抗風(fēng)載能力.

    3) 當(dāng)風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時,計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)均隨離地高度的增加而增大,風(fēng)速分布均表現(xiàn)出中等變異性的特征.在離地高度從0.20 m增加到0.45 m的過程中,風(fēng)速殘余系數(shù)增量分別達(dá)到極大值3.77%和5.79%;當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時,變異程度從大到小依次為0.20,0.45,0.70,0.10 m;當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時,變異程度從大到小依次為0.20,0.45,0.10,0.70 m.分析得出是由于陣列的防風(fēng)效果由遮蔽效果和導(dǎo)流效果構(gòu)成,在離地高度從0.20 m增加到0.70 m的過程中,導(dǎo)流效果隨著高度的增加而增強(qiáng),使得陣列整體防風(fēng)效果隨著高程的增加而減弱.

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