光伏電池板風(fēng)荷載數(shù)值模擬計(jì)算

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 何懼 朱銳 王建勃

一 前言

光伏電站支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的假想荷載，主要包括持久作用的固定荷載和自然界外力的風(fēng)壓荷載、積雪荷載及地震荷載等。電池板陣列的損壞多數(shù)在強(qiáng)風(fēng)中發(fā)生，計(jì)算太陽(yáng)電池板陣列支架結(jié)構(gòu)時(shí)，最大的荷載一般是風(fēng)壓荷載。

本文基于Fluent6.3計(jì)算平臺(tái)，對(duì)一種常見(jiàn)的電池板進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析電池板在38m/s風(fēng)速條件下，不同風(fēng)向角條件下的受力情況，模擬計(jì)算結(jié)果將對(duì)支架的選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

二 計(jì)算模型

FLUENT軟件包含基于壓力的分離求解器、耦合求解器，基于密度的隱式求解器、顯式求解器，多求解器技術(shù)使FLUENT軟件可以用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場(chǎng)。

FLUENT軟件包含非常豐富、經(jīng)過(guò)工程確認(rèn)的物理模型，可以模擬高超音速流場(chǎng)、轉(zhuǎn)捩、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工等復(fù)雜機(jī)理的流動(dòng)問(wèn)題。

在本文計(jì)算中，電池板風(fēng)向角為a(如水平順風(fēng)方向，則風(fēng)向角a為90?)，電池板傾角為b。取a=30?、45?、60?、90?，b=45?，進(jìn)行電池板風(fēng)荷載數(shù)值模擬計(jì)算。風(fēng)向角a、電池板傾角b如圖1、2所示。

幾何模型：電池板尺寸1.58m×0.8m×0.05m，離地高度1m，電池板中心離入口3m。流場(chǎng)截面滿足阻塞比小于3%的數(shù)值計(jì)算要求。

計(jì)算模型：k-e RNG模型。鈍體低速繞流，此模型較為合適，使用基于壓力的隱式求解器。計(jì)算流場(chǎng)見(jiàn)圖3。為了得到較好的計(jì)算結(jié)果，電池板邊界層網(wǎng)格加密，流場(chǎng)尾流區(qū)網(wǎng)格加密，見(jiàn)圖4。

計(jì)算風(fēng)速：38m/s。

本文計(jì)算中，為了模擬計(jì)算具有普適性，引入了風(fēng)向角的概念。對(duì)于數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，需要變換為電池板坐標(biāo)系，見(jiàn)圖5。在電池板坐標(biāo)系下，便于分析電池板受力。

表1 流場(chǎng)坐標(biāo)系下模擬計(jì)算結(jié)果

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式

表2 電池板坐標(biāo)系下模擬計(jì)算結(jié)果

三 結(jié)果分析

1 電池板受力主要是垂直于電池板面的正壓荷載。相同風(fēng)速條件下，電池板3個(gè)方向受力大小由3個(gè)方向上的受風(fēng)面積決定。電池板面所受正壓荷載最大，基本可忽略平行于電池板的風(fēng)荷載。

2 相同風(fēng)速條件下，逆風(fēng)時(shí)電池板風(fēng)荷載明顯比順風(fēng)時(shí)大。在支架設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮電池板在逆風(fēng)條件下的風(fēng)荷載。

3 風(fēng)向角a的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，電池板正面受風(fēng)(即風(fēng)向角為90?)所受風(fēng)荷載最大；風(fēng)向角為30?時(shí)，電池板正壓荷載是風(fēng)向角90?時(shí)的70%左右。

4 電池板側(cè)面電池板側(cè)向荷載較小，為脈動(dòng)沖擊荷載。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，風(fēng)向角分別為30?、45?、60?，單塊電池板側(cè)向荷載小于正壓荷載的10%。

5 由于地面自保持性、模型計(jì)算結(jié)果收斂不完全等原因，數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)際值偏大。實(shí)際過(guò)程中荷載有一定的脈動(dòng)性，破壞力比穩(wěn)定荷載大，要考慮支架的振動(dòng)穩(wěn)定性。

6 電池板陣列中，電池板間距對(duì)荷載影響很小。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明：4塊電池板以田字形分布，間隙為50mm時(shí)的正壓風(fēng)荷載為電池板間沒(méi)有間隙時(shí)的95%左右。

7 在電站實(shí)際應(yīng)用中，電站的支架系統(tǒng)對(duì)空間氣流有擾動(dòng)，將減小電池板面所受風(fēng)荷載。

8 風(fēng)向角較小情況下，支架將增大組件的側(cè)向風(fēng)荷載。在簡(jiǎn)化模型中，只計(jì)算電池板的受力，而在風(fēng)向角較小情況下，支架迎風(fēng)面積相對(duì)比重增大，電池板組件側(cè)向受力將增大。

四 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)一種光伏電站常用電池板，在45?傾角、不同風(fēng)向角的工況下進(jìn)行大量風(fēng)荷載數(shù)值模擬計(jì)算，所得結(jié)果有助于光伏電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員了解電池板所受風(fēng)荷載，對(duì)光伏電站支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

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