地面光伏電站中光伏組件受風(fēng)載荷形變分析

麻程柳，許 巖

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司新能源國外事業(yè)部，上海 200063)

根據(jù)IEC61215要求，光伏組件需要經(jīng)過機械載荷測試，其目的是測試組件承受風(fēng)、雪、靜壓和冰載的能力。機械載荷測試包括靜態(tài)機械載荷試驗和動態(tài)機械載荷試驗。大部分組件廠商均將2 400 Pa靜態(tài)機械載荷測試作為測試標(biāo)準(zhǔn)，但與實際工況下的風(fēng)振動和風(fēng)流動變化有較大區(qū)別。自然界的風(fēng)是不斷流動變化的，且頻率很高；但目前的靜態(tài)機械荷載測試中，風(fēng)荷載變化的頻率很低，不能充分評估力的反復(fù)作用對組件和電池的影響。同時，在自然環(huán)境中，風(fēng)荷載對組件和電池是一個長期的疲勞應(yīng)力的影響，而目前的測試從測試時間上很難充分模擬其影響效果。因此，通過數(shù)值模擬對組件及光伏支架迎風(fēng)受力情況進(jìn)行分析，并有針對性的進(jìn)行光伏組件局部結(jié)構(gòu)強化，調(diào)整優(yōu)化組件排列布局，對降低組件及支架結(jié)構(gòu)長期機械損傷，減少電池片隱裂，增加結(jié)構(gòu)壽命，具有重要意義。

繆宏等[1]通過建立真空平板玻璃在風(fēng)載荷作用下表面繞度變形和應(yīng)力分布模型，發(fā)現(xiàn)在不同風(fēng)載條件下，最大應(yīng)力發(fā)生在距真空平板玻璃中心處最近的支撐處，最大繞度變形在斜線方向兩支撐柱的中點。胡搖等[2]采用計算流體力學(xué)理論建立模型，分析了不同角度、不同風(fēng)速下風(fēng)載荷對板間不同縫隙聚熱器的影響。趙明智等[3]采用風(fēng)洞對單個組件建立了低風(fēng)速試驗，得到了在風(fēng)載荷作用下，光伏組件作用點位置會發(fā)生偏移的結(jié)論。宮博等[4]通過風(fēng)洞試驗對單片光伏板在B類風(fēng)場環(huán)境中的表面風(fēng)壓系數(shù)及體型系數(shù)進(jìn)行研究，并基于頻域方法計算光伏板的風(fēng)振位移響應(yīng)。黃張裕等[5]介紹了中國、日本和美國關(guān)于光伏支架風(fēng)荷載計算的規(guī)范及經(jīng)驗公式，并通過數(shù)值方法分析光伏板傾角及遮擋效應(yīng)對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響。阮輝等[6]采用數(shù)值模擬技術(shù)研究安裝間距對光伏板表面風(fēng)載荷的影響。雖然國內(nèi)外學(xué)者對光伏組件風(fēng)載荷作用進(jìn)行了部分研究，但鮮有針對最新使用210 mm規(guī)格電池片的光伏組件進(jìn)行相關(guān)的分析。隨著光伏組件的機械尺寸越做越大，且電池片越做越薄，對光伏組件結(jié)構(gòu)強度、光伏支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計都提出了更高的要求。光伏電站整體布局設(shè)計規(guī)范也急需新理論注入，以便更好地適應(yīng)日益增大的光伏組件尺寸和增效降本的要求，對光伏系統(tǒng)受風(fēng)載荷影響情況的探索工作仍有很多工作要做。論文采用數(shù)值模擬的方法，模擬了相同間距不同風(fēng)速，相同風(fēng)速不同間距兩種情況下光伏組件偏角頂端的形變情況，分析風(fēng)速和組件間距影響光伏組件形變的規(guī)律，為抵抗極端風(fēng)速下光伏支架系統(tǒng)設(shè)計及光伏電站整體布局設(shè)計提供參考。

1 計算模型

1.1 物理模型

以210 mm電池片組件的常用尺寸和地面光伏電站實際布局為背景，利用COMSOL建立二維模型，分析將多排組件依次排列時固定風(fēng)速不同間距，以及固定間距不同風(fēng)速兩種情況下考慮組件受力和受力位移的計算模型。如圖1所示，計算域V包括流體域Vf和固體域(組件結(jié)構(gòu))Vs，流體域介質(zhì)為空氣，出口為一個大氣壓的壓力出口，流體通道長L=40 m，高H=6 m；固體支架結(jié)構(gòu)為固定支架，材料為鋼，鋼結(jié)構(gòu)高度為1.38 m，支架鋼寬度0.08 m，組件面板材料為玻璃，第一排距速度入口8 m，組件高Hs=2.384 m，組件厚度Ws=0.007 m，傾角45°，其楊氏模量為35×108Pa，泊松比為0.33，材料密度為2 500 kg/m3。

1.2 質(zhì)量守恒方程

流體連續(xù)性方程為

(1)

式中x、y為空間坐標(biāo)系的分解方向；u、v為將整體速度分解為x、y方向的分解速度。

1.3 動量守恒方程

流動過程每一瞬間流體質(zhì)點處于準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)，動量守恒方程為

(2)

(3)

式中，p為流體壓力；ρ0為流體密度；μ為粘度。

1.4 無量綱固體動力學(xué)方程

(4)

(5)

(6)

(7)

2 數(shù)值方法及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用COMSOL建立結(jié)構(gòu)-流體相互耦合的雙向耦合分析模型。雙向流固耦合分析時首先進(jìn)行流場分析，將結(jié)果傳遞給固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，固體結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果又需要反向再傳遞給流場分析中，然后反復(fù)迭代直至收斂。

圖2為計算域網(wǎng)格示意圖。其中，圖2(a)為流體域和固體域網(wǎng)格分布圖；圖2(b)為組件網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖。在20 m/s風(fēng)速下5.5 m間距條件下進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。結(jié)果表明，當(dāng)流體域網(wǎng)格數(shù)量為54.4萬時，與網(wǎng)格密度更高的69.8萬流體域網(wǎng)格相比，相對誤差不超過1%，考慮到計算開銷等因素，最終選定的網(wǎng)格數(shù)為54.4萬。

3 計算結(jié)果與分析

1)不同風(fēng)速下組件等距排列的組件頂端位移對比

根據(jù)不同風(fēng)速下組件間距5.5 m的速度圖，迎風(fēng)方向第一排組件頂端是整個光伏電站模型中風(fēng)速變化率最高的區(qū)域，且靠近風(fēng)速最高的區(qū)域；第二排組件頂端是整個光伏電站模型中頂端風(fēng)速最低的區(qū)域，但組件面板組件底端風(fēng)速大于頂端風(fēng)速，并導(dǎo)致了第二排組件向上翹起(見圖3)。組件表面整體風(fēng)速較后三排組件要高，展示了光伏電站邊緣支架結(jié)構(gòu)加固的必要性。以上結(jié)果與高亮等[7]的研究成果“光伏組件所受風(fēng)荷載對其傾角變化敏感，隨著傾角的增大而增大；光伏組件所受風(fēng)荷載(正、負(fù)壓差值)在靠近來流上游處最大，方陣邊緣處較大，向下游發(fā)展逐漸變小”完全一致。

圖4顯示了隨著風(fēng)速的提高，各排組件頂端X方向變形情況。結(jié)果表明，光伏電站整體風(fēng)速除第一排和第二排組件受風(fēng)形變較大，從第三排開始逐漸趨于平穩(wěn)。圖4中組件固定方式為中心軸U型固定的方式，實際以檁條固定的安裝方式居多，相比中心軸U型固定組件形變幅度要小，論文主要探究極端風(fēng)速下組件變形趨勢和規(guī)律。如果不對光伏發(fā)電系統(tǒng)邊排組件和支架部分采取加固措施，勢必會增大電池片隱裂風(fēng)險。

2)20 m/s風(fēng)速下組件間距不同時的組件頂端位移對比

20 m/s風(fēng)速組件間距變化時，整體速度分布趨勢與前面不同風(fēng)速下組件間距5.5 m的速度圖大致相同。圖5表明，當(dāng)組件間距為5.5～6 m時，第三排組件頂端形變量開始趨于平穩(wěn)，且形變量最小，組件間距為5 m的組件頂端形變量反而最大，6.5 m時組件頂端形變量在第四排后才趨于平穩(wěn)，并與6 m間距時相差不大。因此組件排列間距具有最優(yōu)值，間距不宜過大和過小，且應(yīng)考慮陰影分布、土地成本和整體布局的協(xié)調(diào)性。

3)25 m/s風(fēng)速下組件間距不同時的組件頂端位移對比

25 m/s風(fēng)速時第一、第二排組件頂端X方向位移幅度較大，組件間距變化時，整體速度分布趨勢與前面兩種情況大致相同。圖6表明，當(dāng)組件間距為6 m時，第三排開始組件頂端形變量即趨于平穩(wěn)，且形變量最小；組件間距為5 m的組件頂端形變量最大，5.5 m和6.5 m時組件頂端形變量在第四排后才趨于平穩(wěn)，且相差不大。這顯示了組件排列間距最優(yōu)值隨風(fēng)速變化而變化，25 m/s風(fēng)速的氣象條件為10級風(fēng)速，屬極端氣象，在光伏電站整體布局設(shè)計時應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件的歷史情況進(jìn)行分析，并重新計算，以適應(yīng)場地環(huán)境因素。

4 結(jié) 論

該文以使用210 mm規(guī)格電池片組件的地面光伏電站實際布局為背景，將固定風(fēng)速通道內(nèi)光伏電站5排組件的流固耦合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了組件形變量、流場及應(yīng)力分布隨風(fēng)速及組件間距的變化情況，展示了風(fēng)流過各排組件的流動情況，得到了通道內(nèi)組件布局影響因素機理。

a.在整個光伏電站布局中，迎風(fēng)方向第一排組件頂端是整個光伏電站模型中風(fēng)速變化率最高的點，且靠近風(fēng)速最高的區(qū)域，第二排組件頂端是整個光伏電站模型中頂端風(fēng)速最低的點，但組件面板組件底端風(fēng)速大于頂端風(fēng)速，并導(dǎo)致了第二排組件向上翹起。組件表面整體風(fēng)速較后三排組件要高。

b.風(fēng)速變化時，組件間距具有最優(yōu)值。一般在第三排組件頂端形變量開始趨于平穩(wěn)，且形變量最小，組件間距設(shè)計同時應(yīng)考慮土地成本和整體布局的協(xié)調(diào)性。

c.在整個光伏電站中，大風(fēng)速下(8級以上)前兩排組件波動較大，如不進(jìn)行組件加固、支架加固等設(shè)計考慮，會對組件壽命造成影響。因此應(yīng)考慮進(jìn)行光伏電站邊緣支架結(jié)構(gòu)加固，如加裝額外檁條、優(yōu)化結(jié)構(gòu)固定位置等，以減少組件隱裂。