光伏電站防風(fēng)設(shè)計(jì)方案分析

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 朱銳 劉剛

0 引言

風(fēng)荷載是大型光伏電站中作用力最大的系統(tǒng)荷載。依據(jù)安裝地點(diǎn)的不同，大型光伏電站可分為大型荒漠電站和BIPV光伏電站兩類。無論是哪種光伏電站，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮風(fēng)荷載的影響，并采取必要的防風(fēng)措施，避免風(fēng)荷載對(duì)光伏電站支架系統(tǒng)的破壞，保證光伏電站的正常運(yùn)行。本文將幾種可行的防風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論分析，研究每種設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，并提出適用條件。

1 擋風(fēng)墻

擋風(fēng)墻是首先想到的防風(fēng)設(shè)計(jì)方案。我國適合建設(shè)大型荒漠光伏電站的地區(qū)主要在西北地區(qū)，一般的主風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西北風(fēng)。組件受力主要是垂直于組件平面的正壓荷載[1]，北風(fēng)對(duì)支架系統(tǒng)的破壞力最大。為了分析擋風(fēng)墻的作用，本文以大型流體仿真計(jì)算軟件Fluent6.3為計(jì)算平臺(tái)，分別建立無擋風(fēng)墻、擋風(fēng)墻高1 m、擋風(fēng)墻高2 m的八陣列組件模型，進(jìn)行CFD仿真計(jì)算[2]。

結(jié)構(gòu)模型為：組件傾角設(shè)為36°[3]，離地高度為0.6 m，組件尺寸為1.58 m×0.8 m×0.05 m，組件豎向兩排排布；以4塊組件(田字組成)為單元陣列建立模型，組件陣列間距為7.5 m；模型均以實(shí)際尺寸建立；計(jì)算模型阻塞比小于3%，滿足CFD仿真計(jì)算要求；以組件受北風(fēng)37 m/s進(jìn)行模擬計(jì)算[4]；擋風(fēng)墻距離第一陣列2 m。

圖1 計(jì)算模型示意圖

由于計(jì)算模型為鈍體低速繞流，計(jì)算模型選擇Fluent6.3中k-eRNG模型。為了使仿真計(jì)算收斂，以及得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，組件近壁面網(wǎng)格加密、尾流區(qū)網(wǎng)格加密。結(jié)果如圖2所示。

圖2 擋風(fēng)墻效果對(duì)比

由仿真計(jì)算可知：在無擋風(fēng)墻時(shí)，第一陣列正壓風(fēng)荷載最大，后續(xù)陣列風(fēng)荷載顯現(xiàn)一定程度波動(dòng)性；擋風(fēng)墻高1 m時(shí)，第一陣列風(fēng)荷載降至無擋風(fēng)墻條件下的80%；擋風(fēng)墻高2 m時(shí)，大幅降低了陣列的風(fēng)荷載。

由此可見，擋風(fēng)墻可提高光伏電站的抗風(fēng)能力。擋風(fēng)墻離第一陣列距離近，擋風(fēng)效果顯著。因此，在以主風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)或西北風(fēng)的大型荒漠光伏電站設(shè)計(jì)中，可在站區(qū)東、西、北3面外圍就近設(shè)計(jì)1～2 m高的擋風(fēng)墻，使電站支架系統(tǒng)所受風(fēng)荷載降低為沒有擋風(fēng)墻條件下的80%，可有效阻擋風(fēng)荷載對(duì)電站的破壞力。

此外，間隔一定距離，應(yīng)設(shè)計(jì)擋風(fēng)墻的側(cè)向支撐，防止擋風(fēng)墻在極大風(fēng)荷載情況下垮塌。青海某光伏電站，由于防風(fēng)墻設(shè)計(jì)欠合理，在風(fēng)口處出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。在光伏電站擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在風(fēng)口處對(duì)擋風(fēng)墻進(jìn)行加固、加側(cè)向支撐或留有導(dǎo)流口，設(shè)計(jì)將更為合理。

2 擋風(fēng)板

擋風(fēng)板是在支架系統(tǒng)的后立柱上加裝帶有大量導(dǎo)流孔的薄板，導(dǎo)流孔一般為圓孔。當(dāng)氣流通過擋風(fēng)板時(shí)，氣流將由擋風(fēng)板的開孔通過，擋風(fēng)板后面出現(xiàn)氣流的分離和附著兩種現(xiàn)象，來流風(fēng)速降低，風(fēng)的動(dòng)能損失較大；同時(shí)避免擋風(fēng)板前風(fēng)的渦流，減少風(fēng)的湍流度。在大風(fēng)情況下，組件所受正壓風(fēng)荷載大幅降低，風(fēng)力導(dǎo)致支架系統(tǒng)橫梁彎曲應(yīng)力大幅降低，基礎(chǔ)所受拉拔力降低。因此，在支架系統(tǒng)后立柱安裝擋風(fēng)板，可提高支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性，保證組件不會(huì)受到很大風(fēng)壓。

由防風(fēng)墻陣列風(fēng)荷載仿真計(jì)算可得，第一陣列正壓風(fēng)荷載最大。因此，在大型光伏電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，第一陣列的后立柱加裝擋風(fēng)板，可有效降低組件所受到的風(fēng)荷載，提高整個(gè)光伏電站的抗風(fēng)強(qiáng)度。需要注意的是，支架系統(tǒng)后立柱安裝擋風(fēng)板，在大風(fēng)條件下，后立柱的徑向剪切力增大、基礎(chǔ)所受水平剪切力增大，需重新校核后立柱的抗彎強(qiáng)度和基礎(chǔ)的水平剪切強(qiáng)度。

大型荒漠電站和屋頂式BIPV光伏電站均可使用擋風(fēng)板提高電站抗風(fēng)能力，屋頂式BIPV光伏電站使用更為廣泛。

圖3 擋風(fēng)板示意圖

3 防風(fēng)抑塵網(wǎng)

防風(fēng)抑塵網(wǎng)是利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，將開有大量圓孔的防風(fēng)板，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在整個(gè)光伏電站外圍組合成網(wǎng)狀墻。強(qiáng)風(fēng)從外通過防風(fēng)網(wǎng)時(shí)，形成上、下干擾的氣流，達(dá)到外側(cè)強(qiáng)風(fēng)、內(nèi)側(cè)弱風(fēng)，或外側(cè)小風(fēng)、內(nèi)側(cè)無風(fēng)的效果。通過防風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)會(huì)形成湍流和旋渦氣流，但此時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)壓衰減幅度很大。風(fēng)速越大，防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)效果越好。同時(shí)，由于防風(fēng)網(wǎng)上有無數(shù)圓孔，能起到阻擋沙塵顆粒、減少對(duì)組件表面磨損的作用，所以，防風(fēng)網(wǎng)一般也稱為防風(fēng)抑塵網(wǎng)。防風(fēng)抑塵網(wǎng)在大型荒漠光伏電站中使用廣泛。

圖4 防風(fēng)抑塵網(wǎng)

4 結(jié)論

綜上所述，擋風(fēng)墻、擋風(fēng)板、防風(fēng)抑塵網(wǎng)的特點(diǎn)和適用范圍總結(jié)如下：

1)擋風(fēng)墻：一般可在荒漠電站的主風(fēng)向上設(shè)計(jì)擋風(fēng)墻。在強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，組件整個(gè)支架受力、基礎(chǔ)拉拔力大幅減少，有一定的抑制沙塵作用。主要用于主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)的大型荒漠光伏電站。

2)擋風(fēng)板：固定安裝在支架系統(tǒng)后立柱上，擋風(fēng)板上開有若干導(dǎo)流口，具有導(dǎo)流和降低組件風(fēng)壓的作用。支架系統(tǒng)的橫梁受力降低，基礎(chǔ)所受拉拔力降低，光伏電站結(jié)構(gòu)安全系數(shù)提高。但后立柱受力增大，基礎(chǔ)所受軸向剪切力增大，需對(duì)基礎(chǔ)受力進(jìn)行校核。主要用于荒漠電站和屋頂式BIPV光伏電站。

3)防風(fēng)抑塵網(wǎng)：在荒漠光伏電站外圍，將大量開有小圓孔的防風(fēng)板組裝成一面透風(fēng)的網(wǎng)狀墻。一個(gè)個(gè)小孔對(duì)通過的風(fēng)有導(dǎo)流、衰減風(fēng)壓的作用。較強(qiáng)陣風(fēng)作用時(shí)，通過防風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)速降低，風(fēng)的動(dòng)能大幅降低。防風(fēng)抑塵網(wǎng)具有較好的降低風(fēng)速、抑制沙塵、保護(hù)組件的作用，一般用于環(huán)境條件較為惡劣的大型荒漠光伏電站。

本文深入分析了3種光伏電站防風(fēng)設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和適用范圍，在光伏電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可根據(jù)實(shí)際情況，從抗風(fēng)效果和成本的角度綜合考慮，選擇適合的光伏電站防風(fēng)設(shè)計(jì)方案。

[1](日)太陽光發(fā)電協(xié)會(huì). 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006, 13-72.

[2] 韓占忠. FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2008, 14-150.

[3] 韓斐, 潘玉良, 蘇忠賢. 固定式太陽能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2009, (5) :350-352.

[4] 王建勃, 朱銳, 何懼. 光伏電站陣列風(fēng)荷載衰減特性數(shù)值模擬[J]. 太陽能, 2013, (15):20-22.