剛察扎蘇合光伏電站風場分布討論

尹雙越， 畢金鋒， 羅先啟

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

近年來，隨著化石能源不斷消耗且可開采年限不斷降低，如何開發利用新能源已經成為當今時代的熱議話題，而太陽能以其儲量大、存在廣和清潔性被公認為最有希望的替代能源[1-5]。太陽能電站設計中，支架和基礎設計是光伏電站土建工程的主要內容。我國的太陽能光伏發電還處于產業初步階段，如何降低支架重量，優化基礎形式是節約光伏電站建設成本的主要工作之一[6-11]。

青海省大部分地區的風荷載大于雪荷載，除了太陽能電池板的自重外，支架和基礎承受的主要活荷載為風荷載。《建筑結構荷載規范》中對風荷載的規定主要用于高層建筑和高聳結構，而光伏電站中的太陽能電池板及其支架結構與常規建筑物的結構形式并不相同。以規范中規定的基本風壓為依據，計算出風場的入口風速，對光伏電站及其周圍的風場進行數值模擬，能夠更加真實地反映光伏電站中電池板上的風壓分布情況。本文以青海省剛察10 MW并網光伏發電項目為例，對光伏發電站的風場風速和風壓分布進行數值模擬，分析8個風向角下的風壓及風速的分布情況，為支架及基礎的設計提供參考。

1 光伏電站風場計算

1.1 平均風速

在風剖面中，風速的大小與高度呈指數關系，表達示為[12]：

(1)

式中：zb為參考高度，在我國的規范中取為10 m；z為計算高度；v(z)為對應z高度處的平均風速；vb為zb高度處的100 min內的平均風速;α為地面粗糙度指數。

1.2 基本風壓與基本風速的關系

《光伏發電站設計規范》GB50797-2012中規定，在支架荷載和荷載效應計算過程中，風荷載、雪荷載和溫度荷載按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB5009中25年一遇的荷載數值取值，不同時考慮風荷載和雪荷載的組合效應。地面和樓頂支架風荷載的體形系數取1.3[13]。

《建筑結構荷載規范》中規定地表建筑物表面的風荷載標準值按下式計算[12]：

p=βzμsμzω0

(2)

式中：p為基本風壓;βz為高度z處的風振系數;μs為風荷載體形系數;μz為風壓高度變化系數。

風振系數一般用于高層建筑及高聳結構，對于光伏電站支架而言，雖然其高度一般不高于5 m，但由于其結構自身的特點與建筑結構有所差異，與圍護結構相似，所以風振系數可按圍護結構取值，對于A類地面取為1.65，B類地面取為1.7。體形系數取為1.3，風壓高度變化系數按5 m高度取值，A類地面取為1.09，B類地面取為1.0。以青海省剛察10 MW并網光伏發電項目為例，取場地類型為B類，按《建筑結構荷載規范》計算得到的25年一遇的基本風壓為0.3 kPa，從而計算出風荷載標準值為：

p=1.7×1.3×1.0×0.3=0.663 kPa

(3)

一般工程中將風速數據轉換成風壓數據進行結構設計，風速與風壓存在著一定的換算關系。在不可壓縮的低速氣流中，不考慮氣體黏性和體力作用，在任一流線上各點作為標準高度伯努利方程為：

(4)

在標準大氣壓下，流體容重γ=0.012 018 kN/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，則可以計算出：

(5)

為方便起見，一般取為1/1 600。由此得到基本風壓與基本風速的關系為：

(6)

1.3 湍流流動的控制方程

一般采用湍流模型來描述自然風的流動，采用二方程模型k-ε來描述湍流運動[14]。以下各式是描述湍流運動的k-ε模型：

式中：ρ為流體密度；u為速度；p為壓力；I為單位矩陣；uT為湍流黏度；k為湍流動能；F為外力項；pk為生成項；ε為湍流耗散率；μk、με、cε1和cε2為湍流系數。式(7)和(8)是主方程，通過上述方程的求解可以得到空氣流動的詳細情況，并且可以計算出氣流在電池板表面的壓力分布情況。

2 剛察扎蘇合光伏電站布置

2.1 工程概況

扎蘇合10 MW光伏發電工程位于剛察縣泉吉鄉，其地理坐標為東經99°44′～99°52′，北緯37°12′～37°18′之間，距剛察縣城45 km。電站設光伏陣列區、匯集站和生產生活綜合區。整個地塊南北長744.2 m、東西寬359.6 m，平均海拔3 310 m，總占地面積為0.267 614 km2，場區地勢平緩，地形開闊，多為草場區[15]。

2.2 太陽能電池板支架形式及其分布

扎蘇合10 MW光伏發電工程中，太陽能電池板共有17列，每一列電池板的寬度約為19 m，每一排電池板的間距為11～13 m。整個光伏電站的區域尺寸為340 m×720 m。采用的支架為固定式支架，太陽能電池板的傾角為39°，每個太陽能電池板所處的支架單元長度為4.085 m，支架中的立柱、支撐與橫梁均采用槽鋼[16]，單個太陽能電池板支架側視圖如圖1所示。

圖1 太陽能電池板及其支架側視圖(m)

3 剛察扎蘇合光伏電站風場分析

3.1 風場計算模型的建立

按規范以及剛察縣扎蘇合村的地形特點，選用B類地面粗糙度，粗糙系數取為α=0.15，計算得到剛察地區基本風壓p=0.305 kPa，對應的基本風速為v0=22.09 m/s。k-ε模型中各參數取值如下：cε1=1.44，cε2=1.92，cμ=0.09，σk=1，σε=1.3，κv=0.41，Β=2.5；流體(空氣)參數取值如下：密度為1.293 g/L，動力黏滯系數為18.5 μPa·s。

光伏電站周圍建立風場范圍，如圖2所示，以S向風為例，在電站前方及兩側風場范圍為對應方向電站尺寸的2倍左右，后方為4倍左右，高度為3倍左右。模型邊界條件入口為速度入口，風速方向與入口邊界垂直，大小根據支架高度按風剖面速度式(1)取值，出口為0壓強出口。模型底面為地面，左右兩側為對稱面，上面為自由邊界。為了消除邊界效應，模型計算域取研究對象的3倍左右。

3.2 風場數值模擬結果

取8個風向角進行計算，其中S向風時光伏電站及其周圍的風壓如圖3所示，在電站左側風壓達到最大值88.1 Pa，最大負壓達到-40.5 Pa；風速分布如圖4所示，在電站上下邊界處風速達到最大值23 m/s，電站內部風速為最小值0.29 m/s。

圖2 數值模擬模型中太陽能電池板分布

圖3 S向風時電站及其周圍風壓分布

圖4 S向風時電站及其周圍風速分布

從模擬結果各圖中可以看出，風向的變化對光伏電站不同區域的影響也不盡相同，下面根據不同風向角對模型結果進行分析(見表1)。

數值模擬過程中，考慮了風速分布沿高度的變化，考慮了當地地面的粗糙程度和電池板體形特點，與現實中的風作用效果相近，結果顯示，按25年一遇的風速進行模擬，電池板受到的最大風壓也不超過0.1 kPa，遠小于按規范計算的風荷載標準值0.663 kPa，由此在設計過程中按規范計算風壓力過于保守。

從數值模擬結果中風壓分布情況也可以看出，最外側的太陽能電池板在不同風向角的風荷載作用下受到的風壓最大。無論風向怎樣變化，在中間區域的電池板的壓力均遠小于外圍電池板所受的風壓。對于整個太陽能電站而言，在結構設計過程中，對風荷載的取值可根據不同風向角下整個太陽能電站內的風壓分布規律取值，為了方便計算，可將整個電站按風壓的不同分區計算作用在電池板上的風荷載。以剛察扎蘇合10 MW光伏發電工程為例，以風壓大于30 Pa和風壓小于30 Pa為界線將整個電站分為兩部分，如圖5所示。無論風向角怎么變化，淺藍色區域內的風壓均小于30 Pa。在支架設計過程中，可按《建筑結構荷載規范》的規定適當降低基本風壓取值，由此達到節省材料、控制成本的目標。

表1 不同風向角下的風壓及風速分布特點

圖5 太陽能電池板壓強小于30 Pa的區域(藍色陰影部分)

4 結 論

(1) 《光伏發電站設計規范》中規定對風荷載的取值按《建筑結構荷載規范》中25年一遇的風載取值，而光伏電站的結構特點與建筑結構并不相同，光伏電站結構簡單，高度低、質量小、占地面積廣，按《建筑結構荷載規范》取值并不能準確地體現光伏電站風荷載的特點。從模擬結果來看，由于光伏電站中支架結構高度較低，風速較小，計算得到的風壓比按《建筑結構荷載規范》計算得到的風荷載設計值小得多。

(2) 在整個光伏電站分布范圍內，風荷載的大小與太陽能電池板所處的位置有關。無論風向如何，整個光伏電站中間區域的電池板的壓力均遠小于外圍電池板所受的風壓，可按風壓分布的不同，將整個光伏電站分區域對太陽能電池板支架結構及基礎形式進行設計，能夠有效降低部分支架自重，從而達到節約成本的效果。

(3) 在得到電站所在地區的全年風向及風速分布數據后，可根據真實情況對電站及其周圍風場分布進行模擬，同時考慮風場及支架的流固耦合作用，能夠更加真實地反映光伏電站的風場分布特點，同時可以得到支架的內力分布情況，為支架及基礎的設計提供有效參考。

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