基于風洞試驗光伏組件體型系數及遮擋效應研究

秦良忠

（浙江禾邁清潔能源有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著光伏電站規模的不斷擴大，光伏板被風吹毀時有發生，特別是對安裝在屋頂上的分布式光伏電站，其安全性尤為重要。風荷載是反映結構性能和安全的重要指標，合理的風荷載取值對光伏電站的安全和降低工程造價具有重要的意義。GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》[1]或NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規程》[2]給出的體型系數取值主要針對地面的光伏組件，并未考慮屋頂女兒墻對分布式光伏組件遮擋效應的影響，使風荷載取值過于保守。

國內學者對光伏組件風荷載體型系數進行了一定的研究。宮博等[3-4]通過風洞試驗對單片光伏板的風壓系數及體型系數進行研究，并采用頻域方法計算光伏板的風振位移響應；李偉等[5]利用fluent計算平臺，模擬了各種風向角工況下光伏陣列的風荷載分布規律。高亮等[6]通過組件傾角、高度、間距等因素對光伏板風荷載體型系數進行研究，推導出風荷載計算公式。樓文娟[7]通過風洞試驗和數值模擬對超大型光伏陣列風荷載進行研究，對各區域的體型系數取值提出建議。

現有文獻及規范對光伏組件風荷載特性研究主要聚焦在地面上安裝的光伏發電系統，對安裝在屋頂上的光伏陣列風荷載體型系數取值仍不明確。該文以三行十八列的光伏陣列為研究對象，通過有無女兒墻和最不利風向角多種工況，對光伏陣列風荷載體型系數和遮擋效應進行分析。通過研究太陽能光伏組件單元體型系數隨位置的變化規律，為光伏支架和基礎設計提供參考。

1 風洞試驗介紹

1.1 試驗模型及工況

在浙江大學ZD-1風洞實驗室開展光伏組件風洞試驗，該風洞是一座單回流閉口立式鋼結構和混凝土結構相結合的混合結構單試驗段邊界層風洞。試驗風場類別為A類風場，試驗風為8 m/s。每塊光伏組件正反兩面對應布置5×4的風壓測點，雙面共計40個測點。風洞試驗模型如圖1所示。風洞試驗采集儀的采樣頻率為312.5 Hz，每個測點采樣樣本總長為31250個數據（約為100 s），采樣時間間隔約為3.2 ms。通過試驗，對每個測點在每個風向角下都記錄了31250個數據的風壓時程信號。

方陣為十八列三行，原型單排方陣長10.1m，寬1.978m，組件傾角23°，組件最低離地高度0.5m。光伏方陣橫向間距0.7m，縱向間距1.5m。光伏方陣模型由工業塑料制作而成，幾何縮尺比為1/20。

在建筑物屋頂上建設光伏項目，建筑物周圍女兒墻會對光伏陣列產生遮擋效應。試驗分為兩種工況，一種是方陣周圍不設女兒墻，如圖1（a）所示。另一種是在光伏方陣周圍設置女兒墻，女兒墻原型高度為1.5 m，距光伏組件水平距離為3 m，如圖1（b）所示。以23°傾角的光伏陣列為研究對象，選用最不利風向角0°和180°，分析女兒墻及上游組件對光伏陣列風荷載體型系數及遮擋效應的影響。

圖1 風洞試驗模型圖

1.2 體型系數和折減系數定義

壓力系數Cpi定義如公式（1）所示。

式中：Cpi為測點i處的風壓系數；Pi和Ps分別為測點i處上表面和下表面的風壓；ρ為空氣密度；U為參考點的風速。

體型系數如公式（2）和公式（3）所示。

式中：μsi、Zi分別為測點i處的體型系數和高度，μs為光伏板整體體型系數；Ai為測點i所屬面積。

光伏陣列前后遮擋效應通過體型系數的折減來定義，折減系數值越小表示上游組件對下游組件的遮擋越大。以中間列第一排組件為基準，計算第n排組件體型系數的折減系數，如公式（4）所示。

式中：Kn第n排組件折減系數；μ1為第一排組件體型系數；μn為第n排組件體型系數。

2 試驗數據處理與分析

2.1 無女兒墻的光伏陣列風荷載

選用最不利風向角0°、180°進行光伏陣列風荷載體型系數及遮擋效應影響研究。表1為不同位置體型系數和折減系數統計表。圖2為光伏陣列不同位置體型系數變化曲線。從表1和圖2中可知，光伏組件體型系數在0°風向角下為正值，表現為壓力；在180°風向角下為負值，表現為吸力。在0°和180°風向角，陣列的第一排光伏板的體型系數最大，分別為0.98和-1.257。由于上游光伏板的遮擋效應，第二排的光伏組件體型系數大幅下降，后排體型系數波動趨于穩定。

圖2 不同位置光伏板體型系數變化曲線圖

圖3為光伏陣列不同位置折減系數變化曲線。由圖3和表1可知，對0°和180°風向角來說，兩者的折減系數值差較大，0°風向角上游組件對下游組件的遮擋效應大于180°風向角。0°和180°風向角第一排組件對二排組件產生了較大的遮擋效應，折減系數下降明顯，下降比例分別達77.2%和58.2%。第二排之后組件的折減系數波動范圍不大，趨于穩定。0°風向角第二排之后的組件折減系數范圍在0.202至0.323，平均值為0.233，最大值出現在最后排。180°風向角第二排之后的組件折減系數為0.373～0.532，平均值為0.455，最大值同樣出現在最后排。

圖3 不同位置光伏板折減系數變化曲線圖

表1 不同位置體型系數和折減系數統計表

2.2 有女兒墻的光伏陣列風荷載

為研究女兒墻對光伏陣列的遮擋效應，在光伏陣列四周圍加設女兒墻。圖4為有無女兒墻光伏板體型系數變化曲線圖。從圖4可以看出，與無女兒墻相比，有女兒墻的光伏板各位置的體型系數變化曲線較為平緩，波動范圍較小。表2為有無女兒墻光伏板體型系數對比，從表2可知，0°風向角，有女兒墻的光伏陣列體型系數范圍為0.156～0.321，平均值為0.234；180°風向角，有女兒墻的光伏陣列體型系數范圍為-0.216～-0.613，平均值為-0.426；0°風向角時，有女兒墻的光伏陣列體型系數的最大值和平均值均小于無女兒墻的光伏陣列。尤其是第一排的光伏板，0.98降至0.321，下降幅度為67.2%；180°風向角時，其體型系數由原來的-1.257降至-0.216，下降幅度達82.82%。綜上可知，女兒墻對內部光伏陣列產生明顯的遮擋效應，尤其是對第一排光伏板影響較大，第二排及后排的光伏組件影響趨于平緩。

表2 有無女兒墻光伏板體型系數對比

圖4 有無女兒墻光伏板體型系數變化曲線圖

2.3 試驗數據與現有規范對比

光伏陣列周圍無女兒墻，第一排的體型系數較大，第二排之后的體型系數基本呈現較為穩定的狀態。光伏陣列周圍有女兒墻時，女兒墻內部陣列體型系數差異不大。為了合理、安全地對光伏電站進行設計，分別對各種工況下的光伏板的體型系數進行統一歸類。

表3為23°傾角光伏板體型系數試驗結果與國內光伏相關規范的對比，無女兒墻的光伏陣列，0°方位角第一排光伏板體型系數為0.98，與《光伏發電站設計規范》相比約小24.6%，與《光伏支架結構設計規程》的0.9較為接近。180°方位角第一排光伏板體型系數為-1.26，與《光伏發電站設計規范》的-1.3較為接近，而與《光伏支架結構設計規程》差距較大。上游光伏對下游光伏板的遮擋效應，《光伏發電站設計規范》并未涉及。《光伏支架結構設計規程》考慮了這個遮擋效應，對第四排后的組件體型系數進行折減，但折減后的體型系數大于試驗值。

表3 光伏板體型系數試驗值與規范值對比

上述兩個規范對有女兒墻內的光伏陣列體型系數取值沒有統一的標準。通過對有女兒墻的光伏陣列進行風洞試驗，試驗結果顯示，女兒墻對光伏陣列的有明顯的遮擋效應，0°和180°方位角時，內部光伏板體型系數最大值分別為0.32和0.61。該試驗結果可為屋頂上的分布式光伏電站項目抗風設計提供參考。

3 結論

通過風洞試驗，分析了傾角為23°光伏陣列在最不利風向角、有無女兒墻等工況下風荷載特性，總結了各因素對光伏板體型系數和遮擋效應的影響。試驗數據分析得到如下3個結論：1）對無女兒墻的光伏陣列，上游光伏板對下游光伏板產生顯著的遮擋效應。第一排的風荷載體型系數最大，第二排光伏板體型系數大幅下降，后排體型系數波動趨于穩定。2）無女兒墻的光伏陣列，在0°方位角時，第一排光伏板體型系數為0.98，與《光伏發電站設計規范》相比約小24.6%，與《光伏支架結構設計規程》的0.9較為接近。180°方位角時，第一排光伏板體型系數為-1.26，與《光伏發電站設計規范》較為接近，而與《光伏支架結構設計規程》差距較大。3）女兒墻對內部光伏陣列產生了遮擋效應，尤其是對第一排光伏板的影響較大，第二排及后排的光伏組件影響趨于平緩。0°和180°方位角時，內部光伏板體型系數最大值分別為0.32和0.61。該試驗結果可為屋頂上的分布式光伏電站項目抗風設計提供參考。