陈昌宏 ,张小霞,肖 斌,柏松林,黄 莺,朱彦飞
(1.西北工业大学 力学与土木建筑学院,西安 710012；
2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；
3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安 710068；
4.西安建筑科技大学土木工程学院,西安 710055；
5.教育部结构工程与抗震重点实验室,西安 710055)
随着不可再生能源储量的减少和清洁能源需求的增加，绿色建筑和低碳节能的理念越来越受到关注，推动了光伏产业的兴起。光伏组件是增长最快、最受欢迎的可再生能源系统，中国在太阳能光伏、风能和水电方面的海外投资首次占“一带一路”计划海外能源投资总额的一半以上，并超过化石能源投资[1]。目前除了日本的JIS-8955规范(JPEA 2019)[2]外，光伏结构设计没有规范，而采用其他建筑规范用于粗略估算荷载，其设计结果可能会导致保守或不安全。因此，缺乏具体的风荷载设计指南成为降低光伏成本和推广其应用的阻碍因素[3]。近几十年来，研究大气边界层下光伏系统的气动特性主要有两种方法。一是风洞实验。自20世纪80年代以来，人们广泛开展了风洞试验，Warsido[4]等人研究了间距参数对太阳能光伏板风荷载的影响。Bogdan和Creu[5]将罗马尼亚、德国、欧洲和美国的风设计规范与光伏结构风洞试验数据进行了比较。二是基于计算流体力学(CFD)的数值分析技术[6-7]。丁晓勇[8]等人研究了太阳能光伏跟踪系统中的驱动方式对结构的影响。Jubayer和Hangan[9]研究了在不同风向下风对地面安装独立光伏系统的影响。Reina和De Stefano[10]对高展弦比地面安装光伏板的风荷载进行了CFD研究。王迎春[11]等人研发设计了一种装配式铝合金光伏支架。Li等人采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法研究了安装在建筑物屋顶上光伏阵列的风压分布[12-15]。
本文基于CFD数值分析技术，建立15个数值计算模型来描述双轴太阳能光伏板阵列结构的气动特性，通过设置光伏板的旋转角度和风向等参数，研究风场对双轴太阳能跟踪系统的影响，分析光伏支架纵向和水平间距对风场的干扰效应，以确定面板承受最小风荷载的最佳距离。
1.1 模型参数
本文基于CFD数值分析，全比例1∶1几何建模，由25个双轴太阳能跟踪系统组成，分为5行5列，共采用40块光伏板，长10 200 mm，宽7 884 mm，光伏组件的规格如表1所示。风场尺寸为长180 m，宽200 m，高40 m(见图1(a))，第一排与入口边界距离为20 m，当纵向间距为20 m时，出口边界设置在最后一排后面80 m(见图1(b))。
表1 光伏组件的规格
光伏板倾角随太阳位置的变化而变化，倾角的旋转范围通常在-70°～70°。为了确定最不利风向，对倾角45°，风速22 m/s，风向分别为0°、45°、90°、135°和180°进行了CFD数值模拟。考虑到不同建筑场地各种因素的影响，CFD数值模型中设置了3个水平间距(1、2、3 m)和3个纵向间距(10、15、20 m)，以考虑不同间距对光伏板阵列气动特性的影响。CFD模拟案例见表2。
表2 CFD模拟案例
1.2 边界条件和假设
如图2所示，入口边界采用V=22 m/s的均匀恒定流入速度，出口边界采用零压出口，光伏板壁面和风场底部均采用无滑移光滑边界条件，风场上部和侧面采用对称边界条件。
图2 面板倾斜和风向示意
由于风场假设为不可压缩材料，采用k-ωSST数值模型研究湍流模式下双轴太阳能跟踪系统的气动特性，在k-ωSST中引入了湍流动能k与湍流耗散率ω方程：
(1)
(2)
公式(2)中:Gk为平均速度梯度产生的湍流动能，m2/s2；
Gb为浮力产生的湍流动能，m2/s2。
(3)
(4)
(5)
在本CFD模拟中，默认常数为：cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σe=1.3模型中风场参数如表3所示。
表3 风场参数
雷诺数：
(6)
湍流强度：
I=0.16×(Re)-1/8=0.024
(7)
湍流粘度比：
μ/v=1.225
(8)
2.1 风压测量
当风吹向光伏板时，风场在光伏板前缘分离并绕其流动，从而导致面板上下表面压力不平衡。将CFD分析得到的压力数据通过参考动压力进行归一化，以获得如下无量纲压力系数[16]：
(9)
公式(9)中:Cpi为位置i处的无量纲压力系数；
pi为光伏板表面位置i处测得的压力；
p0为参考高度处的平均静压；
ρ为空气密度，V为光伏板平均高度测得的平均风速，光伏板平均高度等于双轴跟踪光伏支架的柱高。总净压力系数Cpi,tot为同一位置上顶部表面的Cpi和底部表面的Cpi之间的差值：
Cpi,tot=Cpi,top-Cpi,bottom
(10)
方程式(11)和(12)采用了阻力系数(CD)和升力系数(CL)[17]。
CD=∑Cpi,totAisinθ/A
(11)
CL=∑Cpi,totAicosθ/A
(12)
式中:Ai是与Cpi相关的面积，m2;A是所有光伏板的总表面积，m2;θ是光伏板的倾角,(°)。
2.2 倾角对面板风压的影响
如图3所示，给出了用于评估双轴太阳能跟踪系统气动特性4个倾角(θ=0°、30°、45°、70°)下的风压结果。CFD工况中有4个不变参数，即风向0°，风速22 m/s，纵向间距10 m，水平间距1 m。光伏板风压随倾角的增大而增大，倾角70°时风压达到最大，倾角0°时风压最小。光伏系统的风压从中间向两侧逐渐减小，中间光伏板的风压最高，与其他排相比，第一排是光伏板的关键排，因为它承受最大的风荷载，并作为一个屏障顶风。从图3可以发现，倾角越大，屏蔽效果越明显。
图3 4个面板倾斜时的面板风压等值线
图4分别显示了倾角θ=0°、θ=30°、θ=45°和θ=70°时光伏板的阻力系数(CD)和升力系数(CL)分布。就单个阻力系数曲线而言，它呈现出逐渐下降的趋势，当倾角为0°时，阻力系数在零附近浮动(见图4(a))。升力系数除了在倾角0°时徘徊在零度外，呈现出逐渐上升的趋势(见图4(b))。需要注意的是，阻力系数(CD)和升力系数(CL)在第二排急剧变化，而在其余排变化平缓，这为划分风荷载区域的光伏系统设计提供了依据。
图4 面板倾斜时阻力系数(CD)和升力系数(CL)分布
2.3 风向对面板风压的影响
由于风的流动不仅限于一个方向，对不同的风向角进行建模，以确定特定面板倾角的临界风向。对风向α=0°(图5a)、45°(见图5(b))、135°(见图5(c))和180°时(见图5(d))，分别给出纵向间距L=10 m、水平间距H=1 m的风压分布。将本研究与Warsido等人进行的风洞试验进行比较，风压分布大致相似。值得注意的是，90°风向(见图5(c))的风压值在零附近波动，原因是来自流场入口的风直接通过光伏模型，对面板几乎没有影响。0°风向的第一排风压高于45°风向，135°和180°风向的结果相同，这是因为来自流场入口的所有风不会直接吹到第一排光伏板上，部分风在45°风向的第2～5排和135°风向的第1～4排流动。从0°和45°风向的风压等值线可以看出，45°风向下第2～5排风压高于0°风向，135°风向下第1～4排风压高于180°风向。从图5(a)中可以看出，0°风向时第2～5排风压完全位于第1排的尾迹中，而且光伏板的流线和风压围绕穿过排中心的轴线对称，180°风向(见图5(e))时也观察到类似的结果。对于45°风向(见图5(b))，排之间的风流动导致2～5排周围的风压高于0°、180°风向，对于135°风向，第1～4排也呈现相同的现象(见图5(d))。
图5 5个风向的面板风压等值线
为了更好地表示光伏板的气动特性，分别绘制了光伏板第1～5排的阻力和升力系数曲线，如图6所示。从单个系数分量来看，180°风向对最大CL(见图6(b))至关重要，0°风向对最大CD(见图6(a))至关重要。对于0°和45°风向，在第2排观察到最小系数(阻力和升力)，对于135°风向，在第3排观察到最小系数，对于180°风向，在第1排观察到最小系数。
图6 5个风向阻力系数(CD)和升力系数(CL)分布
2.4 间距对面板风压的影响
2.4.1纵向间距
为了研究纵向间距对光伏板气动压力的影响，分别在纵向间距为L=10、15 m和20 m时进行了三维CFD模拟。模型和风场的参数设置保持不变，只改变纵向间距。如图7所示，不同纵向间距在同一位置的面板风压分布不同，与第3.2节中的结果类似，原因是迎面而来的气流中大部分能量被第一排面板消散，导致风速显著降低。
图7 不同纵向间距下面板风压和无量纲压力系数等值线
为了进一步解释光伏板上风压分布差异的原因，图8给出了不同纵向间距时的压力系数分布，可以看出，纵向间距对光伏板的风压分布有显著影响，尤其在间隙区域，可以观察到，纵向间距的增加导致第一排光伏板压力系数降低，而其余光伏板压力系数增大。由于纵向间距的增大，第一排压力系数(5%)的减小归因于板尾流中流动结构的变化，随着纵向间距的增加，更多的气流通过间隙，导致第一排屏蔽效果减弱。
图8 不同纵向间距下的无量纲压力系数
2.4.2水平间距
当风向为0°时，不同水平间距的光伏板风压如图9所示。可以看出，第一排风压不受水平间距的影响，但当水平间距参数设置为3个值(1、2、3 m)时，同一位置的其余面板风压状态不同。
为了进一步了解面板周围的流体流动，图10给出了不同水平间距的压力系数分布。随着水平间距的增大，第一排光伏板压力系数几乎没有变化，其余光伏板压力系数逐渐上升，这是由于水平间距的增大使得通过缝隙的气流增大。此外，当水平间距从2 m变为3 m时，压力系数值的上升幅度大于从1 m变为2 m。当水平间距逐渐增大时，整个模型的风阻将变得更差，每个光伏支架将成为一个单独的支架，直接承受来自流场入口的风。因此，在设计双轴太阳能跟踪系统时，应充分考虑光伏支架水平间距对风场的影响。
图10 不同纵向间距下的无量纲压力系数
采用剪切应力传输(SST)k-ω数值模型对双轴太阳能光伏跟踪系统进行CFD分析，旨在更好地了解光伏板的风效应和空气动力特性的变化规律。基于对光伏板阵列的数值分析，可以得出以下结论：
(1)由于在整个双轴太阳能跟踪系统中，当风向为0°时，第一排的光伏板起到了防风的作用，因此所承受的风压分布不均匀，第一排光伏板风压高于其他排的风压。此外，0°风向的第一排风压高于45°风向，135°和180°风向的结果相似。45°风向的第2-5排的风压高于0°风向。同样，135°风向的第1～4排风压高于180°风向。最大CL的临界风向为180°，最大CD的临界风向为0°。
(2)随着光伏板倾角的增加，光伏板的风压呈现逐渐上升的趋势。
(3)纵向间距的增大导致第一排光伏板的压力系数降低，而其余光伏板上的压力系数升高。随着光伏系统水平间距的增加，第一排光伏板上的压力系数几乎没有变化，但其余几排光伏板上的压力系数都在上升。
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