雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的風(fēng)載仿真研究

沈勝伊 董春穎

摘要：光伏發(fā)電設(shè)備的抗風(fēng)能力對其安全性、使用壽命和制造成本有直接影響。目前，發(fā)電效率最高的光伏設(shè)備是二維跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備始終跟蹤太陽的方位和仰角運動，最大限度保證光伏板垂直于光照方向。跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備比固定式結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，隨著光伏板跟蹤太陽旋轉(zhuǎn)，所受風(fēng)載也隨之不斷變化。本文主要研究：（1）采用有限元法進(jìn)行流固耦合仿真，對不同姿態(tài)角的跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行風(fēng)載仿真。研究了風(fēng)載隨姿態(tài)角的變化規(guī)律，分析了特定姿態(tài)角產(chǎn)生最大風(fēng)載的原因。（2）通過風(fēng)力矩測量實驗系統(tǒng)采集實驗數(shù)據(jù)，對實測值和仿真值進(jìn)行對比，驗證上述仿真方法及結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)載荷，仿真分析，跟蹤式，光伏發(fā)電

一.研究背景

雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備是本文的研究對象。它有兩個回轉(zhuǎn)軸，分別旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的方位和仰角，保持光伏板始終跟蹤太陽運動，發(fā)電效率較固定式提高35%左右。它的最大跟日風(fēng)速為14m/s，極限抗風(fēng)風(fēng)速為28m/s。

跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備具有特殊的工作環(huán)境和跟日結(jié)構(gòu)，由于該設(shè)備的光伏板一直跟蹤太陽運動，所以風(fēng)載荷最復(fù)雜。本文采用計算流體力學(xué)，以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，以數(shù)值計算為工具，對流動問題進(jìn)行分析的方法。

目前，跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備存在一些問題：減速器驅(qū)動扭矩過小，設(shè)計扭矩與實際工作扭矩不符。在大風(fēng)天氣下，減速器經(jīng)常過載工作，需要定期維修減速器;

本文的研究目的是解決跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備減速器容易過載工程實際問題，對該設(shè)備研發(fā)設(shè)計有工程指導(dǎo)意義。

二.風(fēng)力和風(fēng)力矩定義

風(fēng)載荷作用在物體上的力一般可簡化為風(fēng)力和風(fēng)力矩，根據(jù)坐標(biāo)系可簡化為3個力和3個力矩。參考天線結(jié)構(gòu)風(fēng)力體軸坐標(biāo)系[1]，本文建立以跟日減速器軸線為基準(zhǔn)的體軸坐標(biāo)系。對處于三維空間中的風(fēng)力，通常用、和三軸分別表示空間中的風(fēng)力方向。體坐標(biāo)系的六個分量為：

軸向力，沿設(shè)備軸線方向;

橫向力，沿設(shè)備軸線方向;

橫向力，沿俯仰軸方向，與地面垂直;

翻滾力矩，力矩軸線與軸線一致;

俯仰力矩，力矩軸線與軸線一致，與俯仰減速器旋轉(zhuǎn)軸同軸;

橫向力矩，力矩軸線與軸線一致，與回轉(zhuǎn)減速器旋轉(zhuǎn)軸同軸;

軸向力、橫向力和橫向力可合并為風(fēng)合力。

三.光伏板風(fēng)載荷仿真建模

根據(jù)跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的幾何參數(shù)，建立了幾何模型和流體域，本文模型為兩個長8.0m×1.9m×0.04m的平板，確定流體域的尺寸為：70 m×55 m×25 m，模型中心距地面高度為 4.2 m，風(fēng)的入口面距模型中心距離為 20 m;對仿真模型劃分了合適的網(wǎng)格，在流速變化大的位置網(wǎng)格劃分更密，提高計算精度;根據(jù)實際的流體風(fēng)環(huán)境，設(shè)置選用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型，流體域材料為空氣，設(shè)定法向入口風(fēng)速為14m/s，氣溫20℃且絕熱，參考?xì)鈮簽?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，流體視為不可壓縮流體;根據(jù)仿真模型的特點，選擇流固耦合求解器;最后通過后處理計算，得到了各種姿態(tài)角的風(fēng)力和風(fēng)力矩。

四.各種姿態(tài)角光伏板的風(fēng)載荷分析

因為光伏板始終跟蹤太陽旋轉(zhuǎn)，所以其迎風(fēng)角一直在變化。通過仿真后處理，計算得到各種姿態(tài)角度光伏板的風(fēng)載荷。本節(jié)對風(fēng)載荷隨姿態(tài)角的變化規(guī)律、最大值和特定角度產(chǎn)生最大值的原因進(jìn)行了研究。

根據(jù)各種姿態(tài)角度光伏板的仿真風(fēng)力和風(fēng)力矩，研究得到風(fēng)載荷的影響因素和變化趨勢;根據(jù)流體仿真，研究特定姿態(tài)角產(chǎn)生最大風(fēng)載荷的原因。主要得出一下結(jié)論：

（1）各向風(fēng)力主要與力方向的迎風(fēng)投影面積有關(guān)，風(fēng)力的形成原因是光伏板表面的壓差阻力，光伏板迎風(fēng)面阻礙流體通過形成正風(fēng)壓，背風(fēng)面尾流區(qū)形成負(fù)風(fēng)壓;

（2）各向風(fēng)力矩主要與迎風(fēng)面積和特定角度的偏心風(fēng)載力有關(guān)，風(fēng)力矩的形成原因是光伏板表面風(fēng)壓不均產(chǎn)生的偏心風(fēng)力和邊緣渦旋吸力;

（3）在回轉(zhuǎn)角0°、俯仰角90°時，迎風(fēng)面積最大，風(fēng)合力最大，最大值為5572N，該值是光伏板最大風(fēng)載力;

（4）在回轉(zhuǎn)角0°、俯仰角30°時，光伏板不均布的風(fēng)壓力，產(chǎn)生y軸方向的力矩，俯仰力矩最大，最大值為1649.2N·m，該值是俯仰減速器風(fēng)載扭矩;

（5）在回轉(zhuǎn)角60°、俯仰角90°時，光伏板不均布的風(fēng)壓力，產(chǎn)生z軸方向的力矩，橫向力矩最大，最大值為5084.4N·m，該值是回轉(zhuǎn)減速器風(fēng)載扭矩。

五.光伏板風(fēng)載荷仿真計算的實驗驗證

通過實驗測量風(fēng)載荷，對風(fēng)載荷仿真計算結(jié)果進(jìn)行驗證。本文在自然低風(fēng)速環(huán)境下進(jìn)行試驗：首先，采集實驗現(xiàn)場低風(fēng)速環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)載荷仿真;然后，實驗測量跟日減速器的負(fù)載扭矩;最后，對比仿真風(fēng)力矩和實測風(fēng)力矩的相關(guān)性，驗證低風(fēng)速風(fēng)載荷仿真正確性和流固耦合仿真方法的可行性。

1.對比俯仰力矩的仿真值和實測值

如圖1通過分析數(shù)據(jù)：實驗值的平均值為165.7N·m，最小值為53.8N·m，最大值為214.1N·m;仿真值的平均值為167.3N·m，最小值為33.5N·m，最大值為213N·m;仿真值與實測值的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.87，呈高度線性相關(guān)[2]。

2.對比橫向力矩的仿真值和實測值

如圖2通過分析表中數(shù)據(jù)：實驗值的平均值為378.5N·m，最小值為53.2N·m，最大值為604.7N·m;仿真值的平均值為377.9N·m，最小值為0.4N·m，最大值為724.4N·m;仿真值與實測值的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.85，呈高度線性相關(guān)[2]。

六.結(jié)論

本文研究了光伏板的風(fēng)載荷構(gòu)成、風(fēng)載荷理論計算方法和風(fēng)流動特性，為分析風(fēng)載荷提供理論基礎(chǔ)。建立了風(fēng)載荷模型，使用流固耦合仿真方法，對不同姿態(tài)角度的跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行了風(fēng)載荷仿真分析。通過分析仿真數(shù)據(jù)，研究了風(fēng)載荷隨姿態(tài)角變化的規(guī)律。通過流場及風(fēng)壓仿真圖，分析了特定角度產(chǎn)生最大風(fēng)載荷的原因。在現(xiàn)有設(shè)備上，安裝了一套風(fēng)力矩測量實驗系統(tǒng)，對比分析風(fēng)力矩的實測值和仿真值，驗證了仿真方法的可信性。

本研究通過使用COMSOL Multiphysics軟件的流固耦合模塊，仿真得到了光伏板風(fēng)載荷，模擬了實際風(fēng)壓的分布特性，通過實驗基本證實了該仿真建模方法的可信性和可行性。本文的風(fēng)載荷仿真方法對光伏設(shè)備的研發(fā)設(shè)計有工程指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊帆，馮翔，阮羚等.基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)法的水樹枝與超低頻介損的相關(guān)性研究[J].高壓電器，2014，50（06）：21-25+31.

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