風向角變化對外墻光伏陣列風載荷影響研究

張文龍，來永斌，王龍，賴家祥

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南，236001）

0 引言

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝并不只局限于屋頂，隨著新能源應用的普及[1]，在很多的建筑物的外墻上同樣安裝，與屋頂光伏系統(tǒng)的安裝有所不同，建筑物外墻光伏系統(tǒng)的安裝應用較其他安裝位置應用較少，但是建筑物的南墻安裝面積較大，外墻光伏發(fā)電的潛力巨大，本章通過對外墻光伏陣列風載荷影響因素進行研究，為外墻光伏系統(tǒng)的安裝提供一定的技術(shù)指導，隨著國家對新能源技術(shù)的大力推廣[2]，更多的光伏電站安裝方式被發(fā)掘，目前在新開發(fā)的小區(qū)外墻上光伏系統(tǒng)隨處可見。

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

圖1和圖2為光伏建筑尺寸以及外墻光伏安裝位置示意圖，本節(jié)光伏建筑樓層設置為8層樓，仍采用全尺寸模型進行探究。為簡化有限元模型，在模型設置時簡化外墻光伏安裝支架。其中建筑寬度b=16m，建筑的長度c=16m，光伏建筑的高度為h=32m，光伏板的長度設置為14m，各板之間間距保持不變?yōu)?m。

圖1 外墻光伏系統(tǒng)安裝示意圖

圖2 外墻光伏建筑尺寸

光伏系統(tǒng)所受到的不同風向會使光伏板所受風載荷發(fā)生變化，為更加全面的對外墻光伏陣列所受風載荷做進一步的研究，不同風向的研究必不可少，風向角的改變將直接影響氣流在光伏陣列中的流動[3]。在對風向的研究時，光伏板的其他參數(shù)保持相同，僅對光伏建筑所受風向進行改變。本節(jié)風向角設置為從0°～ 180°，每隔15°為一個間隔，通過對不同風向角下升力及體型系數(shù)做對比，確定外墻光伏在所受到的最危險風角。圖3為網(wǎng)格劃分圖，模型劃分采用六面體和四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，其中中心部分為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量近400萬。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2 不同風向角對陣列各板升力及體型系數(shù)的影響

圖4為不同風向角下外墻光伏陣列各板所受升力分布情況，板8～ 板1是按照8樓～ 1樓的先后順序命名。由圖4可知：在風向角小于60°，陣列各板升力受風向影響的程度較大，整體來看陣列各板所受升力均隨著風向角的增大而逐漸減小，其原因在于風角的增大使陣列各板對氣流的阻擋作用減弱，氣流在風角較大時，各板對氣流的阻擋面積減少，所受升力隨之減弱。但各板的升力方向確有所不同，體現(xiàn)在：處于光伏建筑高層的8樓和7樓，其安裝的光伏板所受升力均為正值，表明光伏板所受載荷為垂直地面向上，隨著風角的增大兩板所受升力均處于下降的趨勢，其中板8升力衰減速度較快，由最大值1500N減少至接近0N；此外處于中低層的板6～ 板1所受升力均小于0，表明這些板所受載荷均為垂直地面向下，升力處于上升的趨勢。在風向角為75°左右時：板1所受升力接近于0，表明板1此時上下表面氣流速度接近，使得光伏板所受載荷較弱[4]。其余板升力均為負值且都接近于負200N。風向角在由75°改變至90°時，各板所受升力方向由垂直地面向下改變至向上。在風向角大于90°時，隨著風向角的增大，板8和板7升力逐漸減弱，其余板升力逐漸增大。整體而言，光伏建筑高層的板8在風向角較小時升力與其余板相比較大。隨著風角的增大各板升力的大小均發(fā)生改變，在0°風角下，即氣流垂直光伏板流過時光伏陣列各板所受升力均最大，由升力的變化可以看出0°風角是最危險風向。

圖4 不同風向角下外墻陣列各板升力變化圖

3 不同風向角對光伏陣列流場分布的影響

圖5～ 圖6為不同截面下光伏建筑周邊流場分布圖，不同方向的氣流導致陣列中各板所受升力及凈載荷發(fā)生變化[5]?？梢钥闯鲈?°風向角下氣流在光伏建筑周圍形成對稱的流場分布，氣流由出口流入，經(jīng)由光伏建筑后，速度發(fā)生強烈的衰減，較多氣流在建筑物周圍發(fā)生繞流，氣流在經(jīng)過屋頂及建筑兩側(cè)時會有氣體分離現(xiàn)象產(chǎn)生，屋頂區(qū)域和建筑物兩側(cè)及屋后由于氣流繞流形成局部的渦旋狀態(tài)。來流經(jīng)過匯合繼續(xù)往出口方向繼續(xù)流動[6]。0°風向角時來流正對光伏陣列，陣列各板對氣流的阻擋面積最大，陣列各板的受力與其他風向角相比較大， 由圖5和圖6可以看出隨著風向角的增大，各板對氣流的阻擋面積隨之減弱[7]，

圖5 0°風向角流場圖

圖6 0°風向角建筑16m橫截面流場圖

4 結(jié)論

本文通過對不同風角下外墻光陣陣列的風載荷進行研究，通過對比得出以下結(jié)論：

（1）在風向角小于60°，陣列各板升力受風向影響的程度較大，整體來看陣列各板所受升力均隨著風向角的增大而逐漸減小，在0°風角下，即氣流垂直光伏板流過時光伏陣列各板所受升力均最大，由升力的變化可以看出0°風角是最危險風向，陣列內(nèi)部各板中板1所受風載荷最大，其安全性較差。

（2）在0°風向角下氣流在光伏建筑周圍形成對稱的流場分布，0°風向角時來流正對光伏陣列，陣列各板對氣流的阻擋面積最大，陣列各板的受力與其他風向角相比較大。