光伏電池板風荷載數值模擬計算

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 何懼 朱銳 王建勃

一 前言

光伏電站支架結構設計時的假想荷載，主要包括持久作用的固定荷載和自然界外力的風壓荷載、積雪荷載及地震荷載等。電池板陣列的損壞多數在強風中發生，計算太陽電池板陣列支架結構時，最大的荷載一般是風壓荷載。

本文基于Fluent6.3計算平臺，對一種常見的電池板進行數值模擬計算，分析電池板在38m/s風速條件下，不同風向角條件下的受力情況，模擬計算結果將對支架的選型設計提供依據。

二 計算模型

FLUENT軟件包含基于壓力的分離求解器、耦合求解器，基于密度的隱式求解器、顯式求解器，多求解器技術使FLUENT軟件可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的各種復雜流場。

FLUENT軟件包含非常豐富、經過工程確認的物理模型，可以模擬高超音速流場、轉捩、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網格、噪聲、材料加工等復雜機理的流動問題。

在本文計算中，電池板風向角為a(如水平順風方向，則風向角a為90?)，電池板傾角為b。取a=30?、45?、60?、90?，b=45?，進行電池板風荷載數值模擬計算。風向角a、電池板傾角b如圖1、2所示。

幾何模型：電池板尺寸1.58m×0.8m×0.05m，離地高度1m，電池板中心離入口3m。流場截面滿足阻塞比小于3%的數值計算要求。

計算模型：k-e RNG模型。鈍體低速繞流，此模型較為合適，使用基于壓力的隱式求解器。計算流場見圖3。為了得到較好的計算結果，電池板邊界層網格加密，流場尾流區網格加密，見圖4。

計算風速：38m/s。

本文計算中，為了模擬計算具有普適性，引入了風向角的概念。對于數值模擬計算的結果，需要變換為電池板坐標系，見圖5。在電池板坐標系下，便于分析電池板受力。

表1 流場坐標系下模擬計算結果

坐標轉換公式

表2 電池板坐標系下模擬計算結果

三 結果分析

1 電池板受力主要是垂直于電池板面的正壓荷載。相同風速條件下，電池板3個方向受力大小由3個方向上的受風面積決定。電池板面所受正壓荷載最大，基本可忽略平行于電池板的風荷載。

2 相同風速條件下，逆風時電池板風荷載明顯比順風時大。在支架設計時，主要考慮電池板在逆風條件下的風荷載。

3 風向角a的影響。根據計算結果，電池板正面受風(即風向角為90?)所受風荷載最大；風向角為30?時，電池板正壓荷載是風向角90?時的70%左右。

4 電池板側面電池板側向荷載較小，為脈動沖擊荷載。經過模擬計算，風向角分別為30?、45?、60?，單塊電池板側向荷載小于正壓荷載的10%。

5 由于地面自保持性、模型計算結果收斂不完全等原因，數值模擬結果比實際值偏大。實際過程中荷載有一定的脈動性，破壞力比穩定荷載大，要考慮支架的振動穩定性。

6 電池板陣列中，電池板間距對荷載影響很小。數值計算的結果表明：4塊電池板以田字形分布，間隙為50mm時的正壓風荷載為電池板間沒有間隙時的95%左右。

7 在電站實際應用中，電站的支架系統對空間氣流有擾動，將減小電池板面所受風荷載。

8 風向角較小情況下，支架將增大組件的側向風荷載。在簡化模型中，只計算電池板的受力，而在風向角較小情況下，支架迎風面積相對比重增大，電池板組件側向受力將增大。

四 結 語

本文針對一種光伏電站常用電池板，在45?傾角、不同風向角的工況下進行大量風荷載數值模擬計算，所得結果有助于光伏電站結構設計人員了解電池板所受風荷載，對光伏電站支架結構強度設計提供設計參考依據。

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