商用光伏电站面板阵列的风荷载CFD模拟
摘 要：为了更好地研究商用光伏电站面板阵列所受到的风荷载，该文基于SST湍流模式，采用ICEM CFD（生成流场计算的网格系统）和Fluent（CFD求解器）软件，用数值方法模拟面板阵列所受风荷载的规律。结果表明，无论是正面还是背面来流，第一行电池面板所受风荷载最大，随后风荷载下降较大，最后趋于稳定；且同一行面板中位于两侧边缘位置的面板较位于中间位置的面板受到上游的影响较小。
关键词：风荷载 面板阵列 CFD SST湍流模式
中图分类号：TU312文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0060-03
在太阳能光伏电站设计中，电池面板阵列所受到的风荷载是一项不容忽视的荷载，尤其是在风力旺盛区域。对风荷载的考虑在商用光伏电站面板阵列设计中非常重要。作者在新疆若羌20MWp光伏电站[1]中采用数值模拟方法模拟电池面板阵列的风荷载，为设计光伏支架提供技术分析以及支持。
1 数值风洞模型建立
本文中使用的软件包括ICEM CFD[2]（生成流场计算的网格系统）和Fluent[3]（CFD求解器）。
1.1 几何和网格模型
为能达到足够高的计算精度，需要在电池面板模型周围设置足够密的网格。但限于计算服务器的运算能力，有必要简化太阳能电池面板阵列的模型。同时为了能获取上游面板对下游面板的影响系数，数值模型中共放置3行太阳能电池面板，每行放置4对面板（上下布置）。最终的几何模型及计算域如图1所示。
由于位于边缘位置的面板受到上游面板尾流的影响较小，如果每行放置更多的面板，则风的阻塞效果会更明显。同时，忽略了电池面板与地面连接的支架构件，因此其对风场的阻碍作用也并未考虑。综上，采用目前的模型计算出的结果是偏保守的。
由于电池面板阵列的简化模型相对简单，在整个计算域中可以生成质量较高的六面体结构网格。网格的最小尺寸为0.01 m，外围网格最大尺寸为3 m，网格单元总数约为500万。在不同密度网格试算的基础上，计算结果的数值精度通过了网格独立性的检验。计算模型的网格如图2所示。
为了保证面板的压力求解精度，本项目在电池面板的边界上设置了满足y+≈1的网格边界层。同时，为了能够准确的描述大气边界层的风场特性，在地面边界上了也设置较密的网格，通过与入口条件的配合，基本满足大气边界层风场的自平衡发展。
数值风洞试验分别计算正面来流和背面来流两个风向下的表面风压力。
1.2 求解设置
为了提高模拟精度，本文首先模拟了定常风场作用下的风场特性，湍流的模拟采用了基于RANS[4]（Reynolds Averaged Navier-Stokes equation）方法，基于模式改进的剪应力输运（Shear Stress Transport，SST）湍流模式。SST湍流模式综合了和这种湍流模式的优点，在近壁面区采用求解结果较好的模式，而在流场核心区采用模拟更准确的模式。随后，以定常场结果作为初始条件，采用了精度更高但更耗时的大涡模拟（Large Eddy Simulation）方法，加入了时间项，计算了面板阵列的非稳态风场。最终的模拟结果为10 s风场的平均。
大气边界层风场为不可压缩流，离散方程组的求解适于采用基于解耦思想的SIMPLE （Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）系列求解方法。具体采用了SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）算法，该方法收敛速度快，由于采用了部分非结构网格，设置了网格倾斜校正，提高了计算的收敛性和健壮性。在数值离散精度方面，对流项采用了具有三阶精度的QUICK（Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics）格式，当网格为顺流向的六面体网格时，QUICK格式可以较大的提高计算精度。
1.3 边界条件
根据荷载规范，该场地的地面粗糙度为A类，数值风洞的来流平均风速剖面为：
由于我国荷载规范中并未给出湍流强度和湍流积分长度的建议公式，因此本文采用了日本AIJ规范中的建议公式[5]：
2 数值风洞结果与分析
为了得到荷载规范中设计风速作用下的太阳能面板阵列风荷载，将数值风洞中得到的风压归一化为通用的风压系数为：
风荷载的设计来流风速条件为：A类场地指数率剖面，其中电池面板中心1.628 m高度处的风速为34 m/s，对应的10 m高度处风速为42.27 m/s，则设计风速下的风荷载可由式（6）计算：
最终得到的两风向下各电池面板合力及与第一行比值列于表1和表2中。
流场中面上的速度和压力场分布如图4和图5所示。
由以上风荷载数据及流场的速度和压力场分布可以看出，迎风第一行电池面板所受风荷载最大，其直接迎击无干扰来流，其尾流区沿顺风向较长，且对第二行面板的影响最大，因此第二行面板的风荷载下降较大，而第三行之后应当趋于稳定。在背面来流风向下，第三行风荷载合力较大，约为第一行的0.73。同时，位于每一行两侧边缘位置的面板较位于中间位置的面板受到上游的影响稍小。
3 结语
本文采用ICEM CFD和Fluent软件，基于SST湍流模式，模拟了商用光伏电站面板阵列的风荷载，得出如下结论：
无论是正面还是背面来流，第一行电池面板所受风荷载最大，随后风荷载下降较大，最后趋于稳定。
同一行面板中位于两侧边缘位置的面板较位于中间位置的面板受到上游的影响较小。
基于以上的研究成果，作者所在单位在若羌项目采用此种计算方法进行了光伏电站风荷载取用，取得了良好的经济效果。
参考文献
[1]新疆水利水电设计院.新疆水利水电设计院光伏电站风速报告[R].乌鲁木齐，2012.
[2]Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute. Photovoltaic power station wind speed report of Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute[R].Urumqi，2012.
[3]李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[4]朱红钧，林元华，谢龙汉.Fluent流体分析及仿真实用教程[M].北京：人民邮电出版社，2010.
[5]刘士和，刘江，罗秋实，等.工程湍流[M].北京：科学出版社，2011.
[6]日本建筑学会（AIJ）.房屋荷载建议[S].1995.
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