光伏陣列風(fēng)荷載干擾效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究

馬文勇，馬成成，王彩玉，韓曉樂(lè)，高 飛

1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043

2.河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043

3.河北鯤能電力工程咨詢(xún)有限公司，石家莊 053700

0 引 言

光伏板采用的輕質(zhì)板和支架結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致其容易受到風(fēng)荷載的影響發(fā)生破壞。目前我國(guó)光伏板風(fēng)荷載取值的主要依據(jù)是《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（NB/T 10115—2018）[1]，其給出了傾角在55°以?xún)?nèi)的光伏板的風(fēng)荷載取值，但對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載取值的規(guī)定比較簡(jiǎn)單，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

對(duì)于單個(gè)光伏板的體型系數(shù)取值目前已經(jīng)有比較充分的研究[2-6]。研究人員還考慮了阻塞率[7]、端部開(kāi)口[8]對(duì)光伏板風(fēng)荷載取值的影響，并且采用數(shù)值模擬手段獲得了光伏板周?chē)牧鲌?chǎng)特性[9]?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于不同傾角、不同風(fēng)向角下單個(gè)光伏板的體型系數(shù)取值目前已經(jīng)比較明確。

與單個(gè)光伏板不同，由于干擾效應(yīng)，光伏陣列中不同位置光伏板的風(fēng)荷載取值有明顯的差異。高亮等[10]以風(fēng)洞試驗(yàn)為主，并結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究了光伏板傾角、高度、間距、方陣中的位置等對(duì)其風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響規(guī)律，提出了考慮各種影響因素的風(fēng)荷載計(jì)算公式。江繼波等[11]利用數(shù)值模擬方法，分析了風(fēng)向角、光伏板安裝傾角和光伏板縱向間距對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載及其所受彎矩的影響。Jubayer等[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同風(fēng)向角對(duì)地面光伏陣列風(fēng)荷載的影響，發(fā)現(xiàn)在所有風(fēng)向角下第1排光伏板承受風(fēng)荷載最大。Warsido等[13]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同間距參數(shù)對(duì)地面光伏陣列風(fēng)荷載的影響，發(fā)現(xiàn)光伏板上的風(fēng)荷載隨其縱向間距的增大而增大。雖然目前已經(jīng)有了部分光伏陣列風(fēng)荷載的研究，但由于光伏陣列影響參數(shù)比較多，風(fēng)荷載干擾效應(yīng)比較復(fù)雜，關(guān)于光伏陣列風(fēng)荷載的取值規(guī)律仍然不清楚，需要進(jìn)一步的研究。

為明確光伏陣列中風(fēng)荷載的折減效應(yīng)，本文通過(guò)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，分析上游光伏板對(duì)下游光伏板的風(fēng)荷載干擾效應(yīng)，對(duì)比不同位置光伏板的體型系數(shù)及風(fēng)荷載分布規(guī)律，并給出遮擋狀態(tài)下光伏板體型系數(shù)取值建議，為設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室低速試驗(yàn)段進(jìn)行。低速試驗(yàn)段長(zhǎng)為24 m，寬為4.4 m，高為3 m，風(fēng)速范圍為1～30 m/s，背景湍流度小于1%。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

如圖1（a）所示，單塊光伏板模型長(zhǎng)L= 205 mm，寬B= 124 mm，厚T= 7.5 mm，縮尺比為1∶8。單組光伏板由20個(gè)單塊光伏板組成。模型采用ABS板制成，光伏板上下表面對(duì)稱(chēng)布置測(cè)壓點(diǎn)。單塊光伏板有12個(gè)測(cè)壓位置，共24個(gè)測(cè)壓點(diǎn)；單組光伏板有240個(gè)測(cè)壓位置，共480個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。圖1（b）為光伏板立面圖，其中：α為風(fēng)向角，取值范圍為0°～180°，以15°為間隔；β為光伏板傾角，取10°和30°；H為光伏板離地高度，取62.5 mm。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)定義Fig.1 Test model and parameter definition

風(fēng)洞試驗(yàn)以單組光伏板為基本單元，考慮分別有1、2、3、4、5和6組光伏板等6種串列情況下光伏板風(fēng)荷載的變化規(guī)律。圖1（c）給出了3排光伏板時(shí)光伏陣列的布置圖，光伏板縱向間距S= 730 mm。

1.2 試驗(yàn)工況

光伏陣列常建造在空曠平坦的地區(qū)，地面粗糙度處于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[14]中的A類(lèi)地貌和B類(lèi)地貌之間。本研究偏于保守，選用A類(lèi)風(fēng)場(chǎng)。自由來(lái)流風(fēng)速為12 m/s，采樣頻率為330 Hz，采樣時(shí)間為30 s，來(lái)流風(fēng)場(chǎng)參數(shù)與文獻(xiàn)[15]相同。單組光伏板風(fēng)洞試驗(yàn)，傾角β為10°和30°，風(fēng)向角α范圍為0°～180°，以15°為間隔。單列光伏板風(fēng)洞試驗(yàn)，傾角β為10°和30°，風(fēng)向角α范圍為0°～30°和150°～180°，以15°為間隔，光伏板組數(shù)分別為2、3、4、5和6。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?jiàn)圖2，A類(lèi)風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，地面粗糙度指數(shù)γ= 0.12，試驗(yàn)?zāi)M得到的風(fēng)速剖面與我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的理論風(fēng)速剖面吻合較好。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Photos in wind tunnel test

圖3 平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面Fig.3 Mean wind speed profile and turbulence intensity profile

1.3 參數(shù)定義

風(fēng)壓系數(shù)定義：

式中，Cpi為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)，pwi和pni分別為測(cè)點(diǎn)i處上表面和下表面的風(fēng)壓，pt為參考點(diǎn)處總壓，p0為參考點(diǎn)處?kù)o壓，ρ為空氣密度，U為參考點(diǎn)處風(fēng)速，參考點(diǎn)高度Z= 10 m。

體型系數(shù)定義：

式中，μsi和Zi分別為測(cè)點(diǎn)i處的體型系數(shù)和高度；μs為光伏板整體體型系數(shù)；Ai為測(cè)點(diǎn)i的所屬面積。

整體體型系數(shù)μs（簡(jiǎn)稱(chēng)體型系數(shù)）的正負(fù)值規(guī)定如下：正值表示風(fēng)壓沿光伏板上表面法線方向向里，此時(shí)光伏板承受風(fēng)壓力；負(fù)值表示風(fēng)壓沿光伏板上表面法線方向向外，此時(shí)光伏板承受風(fēng)吸力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單組光伏板風(fēng)荷載分布

圖4給出了當(dāng)傾角β= 10°和30°時(shí)，單組光伏板體型系數(shù)隨風(fēng)向角α的變化情況。由圖4可知，當(dāng)β= 10°時(shí)，光伏板的體型系數(shù)隨著風(fēng)向角的增大不斷減小，其取值范圍為–0.85～0.31。當(dāng)α= 0°時(shí)，體型系數(shù)取得最大正值0.31；當(dāng)α= 180°時(shí)，體型系數(shù)取得最大負(fù)值–0.85。當(dāng)β= 30°時(shí)，光伏板體型系數(shù)的變化規(guī)律與β= 10°類(lèi)似，但與β= 10°時(shí)相比，光伏板的體型系數(shù)顯著增大，其取值范圍為–1.33～1.07。當(dāng)α= 15°時(shí)，體型系數(shù)取得最大正值1.07；當(dāng)α=150°時(shí)，體型系數(shù)取得最大負(fù)值–1.33。雖然不同傾角下光伏板體型系數(shù)最大值和最小值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角不同，但是其取值與0°和180°風(fēng)向角下的取值接近，因此α= 0°和180°可近似作為其風(fēng)荷載取值的最不利工況。

圖4 體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化情況Fig.4 Variation of pressure coefficient to wind angle

圖5給出了傾角β= 10°、30°和風(fēng)向角α= 0°、180°時(shí)的光伏板風(fēng)壓分布情況。由圖5可以看出，當(dāng)β= 10°、α= 0°時(shí)，光伏板體型系數(shù)上半部分最小為0.2，中部為0.4，下部最大為0.8。當(dāng)β= 10°、α=180°時(shí)，光伏板體型系數(shù)上部為–2.0，中部為–1.0，下部為0，上部與下部的差距較大。此時(shí)，由于存在強(qiáng)烈的氣流分離作用，板上部?jī)啥梭w型系數(shù)的梯度變化幅度明顯，體型系數(shù)等值線分布密集。當(dāng)β= 30°、α= 0°時(shí)，光伏板體型系數(shù)從上到下呈現(xiàn)明顯的梯度變化，體型系數(shù)分布均勻，從上部的0.2漸變到下部的2.0。當(dāng)β= 30°、α= 180°時(shí)，光伏板體型系數(shù)上半部分最大為–1.6，中部為–1.4，下部最小為–0.6，光伏板兩側(cè)的體型系數(shù)絕對(duì)值小于中間區(qū)域。當(dāng)α=0°時(shí)，光伏板下部體型系數(shù)絕對(duì)值大于上部體型系數(shù)；當(dāng)α= 180°時(shí)，光伏板上部體型系數(shù)絕對(duì)值大于下部體型系數(shù)。由此可知，光伏板近風(fēng)端承受的風(fēng)荷載大于遠(yuǎn)風(fēng)端。

圖5 光伏板體型系數(shù)分布Fig.5 Distribution of solar panels pressure coefficient

通過(guò)對(duì)比不同傾角下光伏板體型系數(shù)的變化情況發(fā)現(xiàn)：最不利風(fēng)向角出現(xiàn)在α= 0°和180°附近；光伏板近風(fēng)端承受的風(fēng)荷載大于遠(yuǎn)風(fēng)端；傾角越大，體型系數(shù)也越大。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，單組光伏板體型系數(shù)為：當(dāng)傾角β= 10°時(shí)，正壓取值為0.35，負(fù)壓取值為–0.90；當(dāng)傾角β= 30°時(shí)，正壓取值為1.10，負(fù)壓取值為–1.35。與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》相比，傾角β= 10°時(shí)，正壓取值遠(yuǎn)小于規(guī)范的0.80，其余情況與規(guī)范差距較小。

2.2 光伏陣列風(fēng)荷載分布

為了研究光伏陣列的干擾效應(yīng)，以最不利風(fēng)向角α= 0°和180°為例，圖6給出了在不同傾角和風(fēng)向角下不同位置光伏板的體型系數(shù)的變化情況。橫坐標(biāo)代表光伏板所在的排數(shù)。

由圖6可以看出，不同工況下不同位置光伏板體型系數(shù)的變化趨勢(shì)類(lèi)似，第1排光伏板的體型系數(shù)絕對(duì)值最大，其后各排光伏板的體型系數(shù)絕對(duì)值均有不同程度的減小。以β= 30°、α= 0°為例：第1排光伏板體型系數(shù)最大，值為1.01；第2排光伏板體型系數(shù)最小，值為0.26；第3排到第6排光伏板的體型系數(shù)在0.36左右波動(dòng)，幾乎沒(méi)有差異。

圖6 不同位置光伏板的體型系數(shù)Fig.6 Pressure coefficients of solar panels at different positions

為更好地表達(dá)不同位置光伏板受干擾的程度，以第1排光伏板為參考，引入折減系數(shù)Iμ：

式中：μ1為第1排光伏板的體型系數(shù)；μi為第i排光伏板的體型系數(shù)，i= 1～6。

由折減系數(shù)定義可知，折減系數(shù)越小干擾效應(yīng)越強(qiáng)。圖7給出了傾角β= 10°和30°時(shí)折減系數(shù)的變化情況。由圖7可知，各工況下折減系數(shù)變化趨勢(shì)大致相同，但在數(shù)值上差距較大，且在不同光伏板位置取得極值。當(dāng)β= 10°、α= 180°時(shí)，第4排光伏板折減系數(shù)最小，為0.78；當(dāng)β= 30°、α= 0°時(shí)，第2排光伏板折減系數(shù)最小，為0.26。由圖7還可以看出，隨著上游光伏板數(shù)量的增加，折減系數(shù)逐漸減小，第3～6排折減系數(shù)的變化幅度較小，由折減系數(shù)的定義可知，第3～6排光伏板的體型系數(shù)大致相當(dāng)。綜上所述，可以說(shuō)明當(dāng)上游光伏板數(shù)量增加時(shí)，下游光伏板的體型系數(shù)不再隨之而發(fā)生明顯的變化，即上游光伏板對(duì)下游光伏板的干擾趨于穩(wěn)定。

圖7 折減系數(shù)隨著光伏板位置的變化Fig.7 The reduction coefficient changes with the position of the solar panels

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在不同傾角和風(fēng)向角下，上游光伏板對(duì)下游光伏板的干擾程度差異明顯。當(dāng)光伏板傾角β= 30°時(shí)，光伏陣列干擾效應(yīng)明顯大于β= 10°的情況，這是因?yàn)榇髢A角光伏板對(duì)流場(chǎng)的影響程度更大，使得上游光伏板對(duì)下游光伏板的干擾效應(yīng)更加顯著；當(dāng)風(fēng)向角α= 0°時(shí)，上游光伏板對(duì)下游光伏板的干擾效應(yīng)明顯大于α= 180°時(shí)的情況。

圖8給出了干擾程度最大工況下（β= 30°、α=0°）不同位置光伏板的風(fēng)壓分布情況。其中，第5和6排光伏板風(fēng)壓分布與第4排類(lèi)似，限于篇幅未給出。

由圖8可知，第2排光伏板上部、中部和下部中間區(qū)域體型系數(shù)均為0.2，下部?jī)啥梭w型系數(shù)為1.4；與第1排光伏板相比，其體型系數(shù)明顯減小，且分布形式發(fā)生了顯著變化，不再符合梯度分布，而是在下部?jī)啥顺霈F(xiàn)了強(qiáng)正壓區(qū)。這是由于上游光伏板的干擾，使得下游光伏板下部?jī)啥藲饬鞣蛛x現(xiàn)象遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，體型系數(shù)等值線分布密集。第3排光伏板上部和中部的體型系數(shù)呈現(xiàn)梯度變化，由0.2漸變到0.6，在下部?jī)啥顺霈F(xiàn)強(qiáng)負(fù)壓區(qū)，體型系數(shù)為1.6。第4排光伏板體型系數(shù)的大小和分布形式與第3排相似。通過(guò)對(duì)比不同位置光伏板的風(fēng)壓分布情況，發(fā)現(xiàn)光伏板上部（遠(yuǎn)風(fēng)端）的體型系數(shù)變化較小，上游光伏板對(duì)下游光伏板的干擾效應(yīng)主要作用在下部（近風(fēng)端）。

圖8 光伏板體型系數(shù)分布Fig.8 Distribution of solar panels pressure coefficient

綜上可知，上游光伏板對(duì)下游光伏板存在干擾效應(yīng)，傾角越大，這種干擾效應(yīng)越明顯，隨著上游光伏板數(shù)量的增加，這種干擾效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范

表1給出了光伏板體型系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與各國(guó)光伏板風(fēng)荷載取值規(guī)范的比較，表中ASCE 7-10代表美國(guó)規(guī)范[16]，AN/NZS 1170代表澳洲規(guī)范[17]。當(dāng)傾角β= 10°時(shí)，順風(fēng)向風(fēng)荷載試驗(yàn)值與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》相比約小56%，其余情況差距較小；與美國(guó)規(guī)范取值差距較大。當(dāng)傾角β= 10°，順風(fēng)向風(fēng)荷載試驗(yàn)值與澳洲規(guī)范值相比較??；背風(fēng)向風(fēng)荷載試驗(yàn)值與澳洲規(guī)范值相比較大。

表1 光伏板體型系數(shù)試驗(yàn)值與規(guī)范值對(duì)比Table 1 Comparison between the test value and the standard value of the solar panel pressure coefficient

4 結(jié) 論

通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了單組光伏板體型系數(shù)的變化規(guī)律，并對(duì)光伏陣列的干擾效應(yīng)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）單組光伏板體型系數(shù)分布較為均勻，最不利風(fēng)向角出現(xiàn)在0°和180°附近，傾角越大，光伏板體型系數(shù)也越大；同一工況下，光伏板近風(fēng)端的體型系數(shù)大于遠(yuǎn)風(fēng)端。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出光伏板體型系數(shù)：當(dāng)傾角β= 10°時(shí)，正壓取值為0.35，負(fù)壓取值為–0.90；當(dāng)傾角β= 30°時(shí)，正壓取值為1.10，負(fù)壓取值為–1.35。該取值與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》相比，傾角β= 10°時(shí)，正壓取值遠(yuǎn)小于規(guī)范的0.80，其余情況與規(guī)范差距較小。

2）在光伏陣列中，上游光伏板對(duì)下游光伏板有明顯的干擾效應(yīng)，使得下游光伏板所受風(fēng)荷載顯著減小。其中，前3排風(fēng)荷載變化明顯，第4排以后的風(fēng)荷載取值趨于穩(wěn)定。

3）板面迎風(fēng)（正壓）和板面背風(fēng)（負(fù)壓）時(shí)的折減效應(yīng)不同，光伏板傾角越大，折減效應(yīng)越明顯。板面迎風(fēng)時(shí)，正壓的折減系數(shù)更小，本文10°和30°傾角對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)均小于0.5；板面背風(fēng)時(shí)，負(fù)壓的折減系數(shù)較大，10°和30°傾角對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)分別小于0.9和0.6。