太陽能光伏板風載的載荷分析

張慶祝,劉志璋,齊曉慧,賈立莊

(內蒙古工業大學能源與動力工程學院,呼和浩特010051)

荒漠地區和沙漠地區的太陽能資源相對比較豐富非常適合建設太陽能光伏電站,但是荒漠的風沙也比較大,當風速很大時無基礎的光伏板支架有可能傾覆,因此光伏電池板的力學計算非常重要。本文將結合一個光伏電池板介紹它的風載性能測定方法,并對測定結果進行分析。

1 風載性能的測定

1.1 測試設備

測定對象為京瓷KC130GH-2p太陽能電池板,尺寸為:1 425 mm×625 mm×36 mm。光伏板支架固定在地面的地角螺栓上,支架中間有兩個法蘭連接,以便光伏板旋轉,可以測得各個方向的風載,如圖1。光伏板上安裝了4個北京航宇華科測控技術有限公司HK-812型拉壓力傳感器,傳感器的精度±0.1%F.S;線性范圍為±0.03%F.S;工作溫度為-20～+60℃。

圖1 試驗臺架示意圖

本實驗所用的風洞是吹氣式B1/K2開路低速臥式風洞,風洞水平布置。風洞結構全長24.6 m,洞體部分長20.8 m,中心線高1.7 m。風扇下游依次為穩定段、收縮段、閉口段和擴壓段,擴壓段出口形成穩定射流,構成開口實驗段,實驗在開口實驗段進行。閉口實驗段直徑1 m,風速60 m/s;開口實驗段直徑2 m,風速15 m/s;閉口實驗段湍流度ζ≤5%;驅動電機功率55 kW。風洞的風速由變頻控制,與頻率相對應;例如變頻機為10 Hz時,風速為3.28 m/s,14 Hz時風速為4.51 m/s。啟動時由較小的頻率開始,即啟動風速較小,頻率的調節從小到大逐步緩慢的進行,這是因為如果風洞的風速變化太大,不易穩定。變頻器調到新的頻率后過幾分鐘再測量風速,因為頻率改變后電機轉速變化較大,轉速需要經過一段時間才能穩定。

1.2 測試方法

光伏板的安裝傾角根據內蒙古呼和浩特市的經緯度取41°。為了測定光伏板的受力大小及光伏板上的受力情況,選擇在光伏板的四個角處各安裝一個拉壓力傳感器,9s00410與9s00409是位于垂直方向上的低端,9s00408與9s00407是位于垂直方向上的高端。拉壓傳感器受力時拉力為正,壓力為負,由于光伏板等本身重力的影響,所以安裝后無風測得數據均為負值,需進行歸零處理。首先連接傳感器與數據采集卡,啟動測試軟件,在無風時測出自重下拉壓力傳感器的數值,然后再程序中減去自重時的數值,再啟動風洞,變頻器的頻率從10 Hz時開始,每次增加4 Hz,一直測到40 Hz。測試完一個方向后調轉圖1中的法蘭,旋轉180°后重新對拉壓力的自重數值進行調零處理,再從10 Hz時的風速開始測量一直測到40 Hz,記錄下測試的數值。

2 測定結果及其驗證

2.1 測定結果

四個傳感器在測定風速范圍內的測得的結果見圖2。從圖中可以看到,同一水平方向上的兩個傳感器測得數值比較接近,但垂直方向兩個傳感器測得數值有差異:正向時低端的410和409所受的力比高端的407和408大;背向時低端的低端的410和409所受的力比高端的407和408小,而且高端和低端的差值隨著風速的增加也會增加。試驗時無論是正向還是背向,拉壓力傳感器數值大的一端都是靠近風洞的一端;以正向為例,傳感器409和410是低端離風洞較近,會先接觸到來流,來流受到遮擋會沿著光伏板斜面平行于光伏板繼續流動,而傳感器407和408就會稍晚接觸到來流,后續的來流就不會直接作用在光伏板上而先作用平行于光伏板的來流,這種來流就抵消一部分作用在407和408上的作用力。

2.2 數據的擬合公式

圖2 四個傳感器分別測得的風載圖

由于風載等于四個傳感器之和,而設計支架強度所需的風載是用最大風速時的風載,但是風洞試驗能夠測定的最大風速僅為13 m/s,這樣只能利用試驗數據作一些估算,根據在風洞所測試出的變頻從10 Hz到40 Hz的風速和風載,采用最小二乘法對曲線進行擬合,利用擬合公式估算60 m/s風速時的風載。

41°正向時的擬合式為:

41°背向時的擬合式為:

式中:x為風速,m/s;y為光伏板所受的風力,N。

2.3 測定結果的驗證

由《陽能光伏發電系統的設計與施工》上的經驗風載公式:

式中:CW為風力系數 ,正壓時取0.65+0.009θ,負壓時取0.71+0.016θ;θ為光伏板的傾角;ρ為空氣密度,kg/m3;Vmax為最大風速,m/s;S為光伏板面積,m2;I為用途系數0.85～1.15;α為高度補正系數;J為環境系數,與地形有關。式中:h為陣列的地面以上的高度;h0為基準地面以上高度10 m;n為表示因高度遞增變化的程度,一般取5。

由于背向的風載大于正向的風載,所以重點研究背向時的風載。根據本文的測定條件,正向時的風力系數C W取1.019,背向時取1.366;空氣密度ρ取1.225 kg/m3;光伏板面積S為0.89 m2;由于風洞出口風速就是來流風速,所以高度補正系數α取1;用途系數I取1;環境系數J取1.15。將數據代入式(3)后可以得到背向時的風載公式:

式(4)與式(2)的結果比較見圖3。

圖3 背向擬合值和風載工程公式的對比

從圖中可以看出擬合值與經驗值基本一致。

3 測定結果的應用

根據圖2可以發現上部和底部的作用力不相同,這將造成作用在光伏板上的作用點偏離幾何中心,正向時向下偏移,背向時而向上偏移。由于背向所受的風載就比正向時大,再加上作用點中心又向上偏移,風載對光伏板的作用力矩增加,見圖4。

圖4 風載作用中心偏移計算圖

風載中心離光伏板下端的距離:

式中:L為風載作用中心離下端的距離,m;F7.8為傳感器407和408所測受力,N;L2為傳感器407和408作用中心離下端的距離,m;F 9.10為傳感器409和410所測受力,N;L1為傳感器409和410作用中心離下端的距離,m;F為傳感器 409,410,408和407所測受力之和,N。

風載作用中心距離底邊的垂直高度為:

式中:L⊥為風載作用中心在垂直方向上的距離,m;a為光伏板與來流的夾角,(°)。

根據圖2所列數據和式(5),結果見圖5的結果。

圖5 41°背向時作用中心偏移與幾何中心對比

從圖5中可以看到,在垂直高度上幾何中心比風載的作用中心低140 mm左右,在計算傾翻力矩時將會帶來很大的影響,而且幾何中心與風載的作用點隨風速的變大而變動較小,可以認為基本保持不變,這時,當風速達到60 m/s時,可以準確推出上下四個點的風載作用力,這樣可以使支架的強度設計更準確。

4 結論

(1)正向風載小于背向風載。

(2)背向風載的作用點位于中心偏上,更容易吹翻光伏板。

(3)用最小二乘法擬合試驗數值推出風載,可以用于指導支架強度的設計。

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