一種平坦地形光伏支架風(fēng)荷載優(yōu)化應(yīng)用

荊雷 韓曉亮

摘? 要：建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電工程，符合國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)政策和內(nèi)蒙古地區(qū)電源規(guī)劃原則。開發(fā)新能源是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，我國(guó)政府對(duì)此十分重視。在太陽(yáng)能光伏電站項(xiàng)目中，光伏板支架及基礎(chǔ)是整個(gè)光伏電站項(xiàng)目投資的重要組成部分，而在光伏板支架及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，風(fēng)荷載是光伏板支架設(shè)計(jì)中的控制荷載，對(duì)光伏電站中風(fēng)荷載的取值進(jìn)行更為細(xì)致的研究，對(duì)光伏電站項(xiàng)目而言都具有極為重要的意義。

關(guān)鍵詞：光伏;風(fēng)荷載;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU312.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

2020年12月12日，國(guó)家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會(huì)上通過(guò)視頻發(fā)表題為《繼往開來(lái)，開啟全球應(yīng)對(duì)氣候變化新征程》的重要講話，宣布中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)一系列新舉措。習(xí)近平主席提到：到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。

內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，地域廣袤，光資源充足，適宜建設(shè)大規(guī)模光伏電站，尤其是內(nèi)蒙古西部，有大量荒漠化土地，地勢(shì)較為平坦，近幾年國(guó)家推出相關(guān)光伏治沙和牧（農(nóng)）光互補(bǔ)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，在大力發(fā)展新能源的同時(shí)，兼顧了環(huán)境治理和資源整合。

2光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)

2.1光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在太陽(yáng)能光伏電站項(xiàng)目中，光伏板支架及基礎(chǔ)是整個(gè)光伏電站項(xiàng)目投資的重要組成部分，而在光伏板支架及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于光伏板自身重量較輕，自重及地震工況往往不起控制作用，大多數(shù)情況下風(fēng)荷載是光伏板支架設(shè)計(jì)中的控制荷載，換言之，風(fēng)荷載的取值大小直接決定著光伏電站的投資成本，因此，無(wú)論從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，對(duì)光伏電站中風(fēng)荷載的取值進(jìn)行更為細(xì)致的研究，對(duì)光伏電站項(xiàng)目而言都具有極為重要的意義[1]。

2.2光伏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值

目前光伏支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范要求以基本風(fēng)壓作為支架及基礎(chǔ)計(jì)算的依據(jù)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，基本風(fēng)壓是按當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min平均的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出50年一遇最大值確定的風(fēng)速，再考慮相應(yīng)的空氣密度，按貝努利（Bernoulli）公式確定的風(fēng)壓。根據(jù)《太陽(yáng)能發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》GB51101-2016，基本風(fēng)壓應(yīng)采用重現(xiàn)期不低于支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用年限的值，對(duì)于光伏發(fā)電站支架基礎(chǔ)可取重現(xiàn)期不小于 25 年的值。根據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》NB/T 10115-2018，地面光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按25年重現(xiàn)期確定基本風(fēng)壓[2]。

（1）因?yàn)楣夥l(fā)電場(chǎng)光伏板排列前后間距非常緊密，而且一般都成片的連成若干個(gè)方陣布置，在風(fēng)吹過(guò)光伏方陣時(shí)，與空曠平坦地面的氣流條件是截然不同的，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，作用在光伏板上的風(fēng)荷載不能直接采用基本風(fēng)壓計(jì)算，但是對(duì)于光伏陣列的風(fēng)荷載折減系數(shù)究竟取多少合適，仍然有待商榷;（2）由于上風(fēng)向的光伏板對(duì)下風(fēng)向的光伏板存在著明顯的擋風(fēng)效應(yīng)，位于光伏陣列內(nèi)部光伏板上的的風(fēng)荷載會(huì)明顯小于位于光伏陣列邊緣光伏板上的風(fēng)荷載。因此，在光伏發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果對(duì)所有光伏板都按照同樣的風(fēng)荷載進(jìn)行取值，不僅不符合風(fēng)荷載作用的實(shí)際情況，而且也是十分不經(jīng)濟(jì)的，會(huì)造成大量不必要的投資[3]。

基于以上原因，《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》NB/T 10115-2018規(guī)定，在進(jìn)行大范圍集群光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，雖然沒(méi)有對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行折減，但在具體支架體型系數(shù)采取時(shí)，進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，其實(shí)也是考慮了風(fēng)荷載在光伏支架上產(chǎn)生的效應(yīng)的不同。

本文直接對(duì)大范圍平坦地形光伏支架不同區(qū)域的風(fēng)荷載基本值進(jìn)行了研究，給出更明確的一種取值算法。

2.3風(fēng)荷載實(shí)測(cè)和理論計(jì)算

本次研究以已建成的內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特旗境內(nèi)某大型光伏發(fā)電場(chǎng)為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬方法相結(jié)合的方式對(duì)低層氣流流經(jīng)大型集中式光伏發(fā)電場(chǎng)產(chǎn)生的衰減現(xiàn)象進(jìn)行研究[4]。

這里關(guān)于項(xiàng)目當(dāng)?shù)鼐唧w氣象條件不詳細(xì)論述。

如圖1所示為測(cè)風(fēng)設(shè)備安裝位置示意圖。本次試驗(yàn)共安裝3套風(fēng)速和風(fēng)向儀，其中2套安裝于陣列中（如圖2所示的現(xiàn)場(chǎng)編號(hào)1、2號(hào)氣象站），測(cè)風(fēng)儀高于光伏陣列1米;1套測(cè)風(fēng)塔安裝于陣列外（如圖3所示的3號(hào)氣象站），海拔高度與1、2號(hào)氣象站基本一致，周圍無(wú)任何障礙物，以3號(hào)氣象站的數(shù)據(jù)作為場(chǎng)地風(fēng)壓計(jì)算的基本數(shù)據(jù)，與以1/2號(hào)氣象站的數(shù)據(jù)計(jì)算的基本風(fēng)壓做對(duì)比。

本次截取2018年11月至2019年10月數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出各段風(fēng)速如表1所示：

根據(jù)上表2可知對(duì)于N向來(lái)風(fēng)，根據(jù)光伏區(qū)內(nèi)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1#、2#計(jì)算的各風(fēng)速段基本風(fēng)壓與光伏區(qū)外控制點(diǎn)3#計(jì)算出的各風(fēng)速段基本風(fēng)壓比最大為0.38，且根據(jù)1#計(jì)算的結(jié)果與根據(jù)2#計(jì)算的結(jié)果相差不大。因此根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于N向來(lái)風(fēng)，光伏區(qū)內(nèi)部風(fēng)壓折減系最小可取0.38。

筆者還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)S、E、W、WS、WN、NE、NS向來(lái)風(fēng)不同角度進(jìn)行分析，W向來(lái)風(fēng)，根據(jù)光伏區(qū)內(nèi)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1#、2#計(jì)算的各風(fēng)速段基本風(fēng)壓與光伏區(qū)外控制點(diǎn)3#計(jì)算出的各風(fēng)速段基本風(fēng)壓比最大為0.83，其他方向，根據(jù)光伏區(qū)內(nèi)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1#、2#計(jì)算的各風(fēng)速段基本風(fēng)壓與光伏區(qū)外控制點(diǎn)3#計(jì)算出的各風(fēng)速段基本風(fēng)壓比最大為0.73[5]。

2.4光伏場(chǎng)風(fēng)荷載的CFD數(shù)值模擬

2.4.1 邊界條件

場(chǎng)地地形：水平狀態(tài)。

光伏板朝向：正南方向，與水平方向夾角39°。

來(lái)流風(fēng)速：17.1m/s（水平風(fēng)速，即垂直風(fēng)向角為零度），屬于七級(jí)與八級(jí)風(fēng)。

來(lái)流風(fēng)向：正北、正南、北偏西30°、西北風(fēng)45°、西偏北30°、西南風(fēng)45°、西風(fēng)、東風(fēng)等8個(gè)風(fēng)向。

標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)：大氣壓（101千帕）、空氣密度（1.25㎏/m3）。

分析中空氣設(shè)定為恒密度，忽略空氣隨氣壓變化而產(chǎn)生的密度變化。

風(fēng)速風(fēng)壓對(duì)照表，是當(dāng)風(fēng)向垂直物體表面時(shí)所產(chǎn)生的最大風(fēng)壓，當(dāng)風(fēng)向與物體表面夾角變小時(shí)，在相同風(fēng)速狀態(tài)下，表面風(fēng)壓隨之變小。由于光伏板設(shè)置水平夾角為39°，因此水平風(fēng)速與太陽(yáng)能板夾角也為39°[6]。

2.4.2 模擬分析

正北風(fēng)向：

如圖4所示，從正北風(fēng)向模擬圖中可以看出受第一排太陽(yáng)能板的阻擋，光伏陣列內(nèi)部風(fēng)速明顯衰減。

北偏西30°風(fēng)向：

如圖5所示，從北偏西30°風(fēng)向的模擬圖中可以看出布局內(nèi)部風(fēng)速較小，但在30°斜向風(fēng)的影響下，在內(nèi)部出現(xiàn)一條約45°斜向較高風(fēng)速帶。

3研究結(jié)論

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果以及CFD數(shù)值分析可以得出如下結(jié)論[7]：

（1）結(jié)果均表明，不論風(fēng)速風(fēng)向如何，低層氣流流經(jīng)大型集中式光伏發(fā)電場(chǎng)均會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減現(xiàn)象;

（2）在垂直于光伏陣列的氣流吹過(guò)時(shí)，迎風(fēng)的第一排光伏板承受的風(fēng)壓最大，經(jīng)過(guò)第一排光伏板后，在光伏陣列內(nèi)部的風(fēng)壓明顯衰減，在與光伏陣列斜交的氣流吹過(guò)時(shí)，在光伏陣列內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)斜向的較高風(fēng)速帶，此時(shí)，光伏陣列中迎著斜向風(fēng)的兩個(gè)邊緣的第一排光伏板承受的風(fēng)壓最大，經(jīng)過(guò)這兩排光伏板后，在光伏陣列內(nèi)部的風(fēng)壓明顯衰減。

（3）對(duì)于同一方向來(lái)風(fēng)，風(fēng)速越大，風(fēng)壓折減系數(shù)有變小的趨勢(shì)。

（4）對(duì)于N、NE、E、W這四個(gè)方向來(lái)風(fēng)，風(fēng)壓折減系數(shù)在1#與2#計(jì)算的結(jié)果相差較小;對(duì)于NW、S、SE、SW這四個(gè)方向來(lái)風(fēng)，風(fēng)壓折減系數(shù)在1#與2#計(jì)算的結(jié)果相差較較大，說(shuō)明風(fēng)流過(guò)光伏陣列時(shí)，在光伏陣列內(nèi)部的風(fēng)壓折減系數(shù)與風(fēng)向有關(guān)。

（5）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，密集光伏支架區(qū)域中心位置，最小的風(fēng)荷載折減系數(shù)為0.83。

（6）在進(jìn)行光伏支架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人往往取值垂直于光伏支架方向的風(fēng)荷載，即N向來(lái)風(fēng)，其他方向最為校核計(jì)算使用。在采用N向來(lái)風(fēng)轉(zhuǎn)換為基本風(fēng)壓時(shí)，密集光伏核心區(qū)支架核算時(shí)，按實(shí)測(cè)和研究結(jié)果可以采用極限0.38的折減系數(shù)。

（7）本研究結(jié)果僅限于平坦地形，單個(gè)集群?jiǎn)卧?，相?duì)空氣密度情況。研究結(jié)論，未考慮各種偶發(fā)工況，故相關(guān)參數(shù)冊(cè)采用，僅供交流jiq參考，相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，仍需按規(guī)范執(zhí)行。

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收稿日期：2021-08-05

作者簡(jiǎn)介：荊雷（1980—），男，河北保定人，碩士，工程師，研究方向：發(fā)電、新能源設(shè)計(jì)。