摘要：本文应用CFD软件Fluent模拟风洞实验。针对地面光伏阵列不同区域具有不同风荷载结构体型系数的特点，根据计算机模拟的结果，对具有不同结构体形系数的风荷载区域进行划分以及确定每个区域结构体形系数的具体大小。应用Fluent软件的模拟结果结合工程实际经验，证明风荷载结构体型系数区域及区域的系数值能够准确地反映工程中的实际情况。在不同风荷载区域应用不同结构体型系数，在工程上可以大大减少地面光伏系统结构支架的用钢量。

关键词：CFD，光伏太阳能，风载荷，结构体型系数，风荷载区域

0 背景介绍

世界化石能源正面临枯竭，化石能源的大规模使用同时带来了严重的环境污染问题。化石能源产生的温室气体排放引发全球气候变暖现象，进而导致了一系列严重的生态危机。使用可替代化石能源的新型可再生能源是全球所有政府都亟待解决的问题。

在目前已经开发利用的各种可再生新能源中，太阳能具有无污染、应用地区多、总量大等优点，其中光伏太阳能是应用太阳能的一个重要方向。包括欧盟、美国、日本在内的主要经济发达国家和地区，以及一些新兴经济体，比如南非、印度、巴西等都从能源战略安全的角度在大力扶持太阳能光伏产业的发展。但是近年来，由于全球经济危机，许多国家对光伏产业的补贴数额在下降。各国对光伏产业补贴下降带来的一个显著性后果是使光伏产业市场空间受到一定程度的压缩。市场竞争更加激烈，促使那些企业必须通过技术创新来降低成本。

中国国内的地面光伏电站设计过程中，并未考虑不同风荷载结构体型系数区间的划分与不同区间之间风压的差别。

本文正是针对这一技术问题提出解决思路，同时工程实例证明这一结果在应用上的可行性。

1 不同风荷载结构体型系数区间划分的研究现状

国内一般对高层建筑、大型桥梁及体型复杂的构筑物进行风洞实验分析，对小型工程如地面光伏电站结构尚未进行相关研究。而外国学者对结构受风力的影响的重视高于国内，并对屋顶光伏结构应用风洞实验和计算机模拟做了许多不同风荷载结构体型系数区间的研究。

1.1 中国建筑规范中确定光伏支架风荷载结构体型系数
国内地面光伏支架设计过程中，风荷载结构体型系数按《建筑结构荷载规范》 [1]，第29项的规定。当倾角小于10o时，结构体型系数按±1.3和±0.5计算，当倾角大于30o时，结构体型系数按±1.4和±0.6计算，中间值采用插值法。规范上的风荷载结构体型系数可以作为单个光伏支架结构受风荷载作用时参考。对于整个光伏电站支架结构这一类的结构群，并未对风荷载系数区间进行划分。另外，国内尚未发表对光伏支架结构的风荷载系数区间划分的相关文献。

1.2 国外光伏发电系统风荷载结构体型系数
国外对风荷载的结构体型系数区域划分的研究要领先于国内。《BS 6399-2-1997 Loading for buildings》[2]和《BS EN 1991-1-1:2002 Eurocode 1: Actions on structures》[3]已对带女儿墙的屋顶、倒角屋顶风荷载结构体型系数进行了区域划分。

Jonas Westin[4]在2011年采用CFD软件对平屋顶上的光伏支架系统受不同方向风荷载的情况进行计算机仿真模拟，并对平屋顶不同风荷载结构体型系数区域进行了划分。根据模拟分析的结果，不同区域的光伏支架结构采用不同的混凝土压重。

Georgeta Văsieş[5]在2012年采用CFD软件对安装在有女儿墙和无女儿墙的平屋顶上的光伏支架结构进行模拟分析，并对两种不同条件下的结果进行对比。结果显示安装在有女儿墙的平屋顶上的光伏支架结构所受的平均压力要比安装在无女儿墙的平屋顶上的光伏结构所受的平均压力值要小18.6%。

Girma T. Bitsuamlak[6]在2010年采用CFD软件对地面光伏支架进行结构体型系数模拟。模拟结果显示，当光伏支架成3行前后排布时，后排光伏支架所受的风荷载比第一排所受的风荷载要小30%。

Shademan 和 Hangan[7]在2009运用CFD软件模拟单个光伏结构和光伏结构阵列在湍流风域的受力情况。结果同样表明光伏结构阵列内各个不同区域的风荷载结构体型系数是不同的。台湾学者Chung[8]在2008年对安装在屋顶上的光伏支架结构所受台风的风吸力及吸风荷载的压力系数进行研究，研究表明采用导流板可有效地减小光伏支架所受的风吸力。

Chevalien 和 Norton[9]在1979年做了关于太阳能光伏结构安装在建筑物上的风洞研究。风洞实验的结果表明整个光伏结构在不同区域内所受的风荷载是不同的。

Kopp[10]在2002年做了对太阳能光伏结构在风荷载作用下的扭矩效应的风洞实验研究。罗马尼亚Radu、Axinte 和 Theohari[11]在1986年对平屋顶上的太阳能光伏结构进行的风洞实验同样表明，第一排光伏结构为主要受力结构。Radu 和 Axinte[12]在1989年的研究表明，由于女儿墙的存在，平屋顶上的结构所受的风荷载会大幅度减小。

1.3 风荷载结构体型系数区域划分的意义
风荷载是光伏支架结构的主要荷载之一，风荷载的合理取值对光伏支架结构设计具有重要的意义。

如果风荷载结构体型系数的选取不当，抗风设计与计算就可能产生较大的误差，并对局部风压的预测和维护体系设计的安全具有重要的影响。

采用CFD软件对大型地面光伏电站风荷载结构体型系数区域进划分，对不同区域内的单元结构采用相应的结构体型系数进行结构设计。会使得设计更符合实际，同时避免光伏支架结构设计浪费大量的材料。

2 地面光伏电站的CFD模拟
2.1 计算模型
光伏系统采用广东保威新能源有限公司的标准光伏组件，组件面积3300mm X 9900mm。一个结构单元为2X10结构（2行10列），即每行有10块光伏组件面板。组件结构倾角20o。

光伏阵列模型的几何模型尺寸（长x宽x高）为62.5m x 50.7m x 1.93m（10行x 5列单元结构），每行有5个结构单元。

计算域边界面和建筑物表面采用三角形非结构网格单元进行离散，体网格采用四面体单元进行划分，共划分网格约5,000,000个。

光伏单元阵列排布图见图3。参考坐标系为：x为计算域长度方向，y为计算模型高度方向。
2.2 边界条件
2.2.1．入口边界条件
采用速度入口边界条件（inlet），来流为我国荷载规范中的B类地面粗糙度剪切流，平均风速剖面[1]为：
　　　
（1）式中： 
—标准参考高度，我国标准参考高度取10m；
—标准参考高度处的平均风速，相应的平均风速按计算；
—任一高度；
—任一高度处的平均风速；
—地面粗糙度指数，我国规范B类地面粗糙度。
来流湍流特性通过直接给定湍流动能和湍流耗散率值[14]的方式来定义：
　　
（3）式中:
—湍流特征尺度，参考日本规范[13]，按照（4）式计算。

（2）式中:
—湍流强度，我国现行荷载规范没有给出的明确定义，本文对B类地貌的模拟参考日本规范第Ⅱ类地貌取值[15]：
　　　　

（5）式中：

来流边界处的平均风速剖面、和均采用UDF[14]（User-Defined Function，用户自定义函数）编程，程序与Fluent实现对接。

2.2.2．出口边界条件
采用完全发展出流边界条件（outlet）。

2.2.3．计算域顶部和两侧
采用对称边界条件（symmetry），等价于自由滑移的壁面。

2.2.4．结构物表面和地面
采用无滑移的壁面条件（wall）。

2.2.5. 湍流模型（壁面处理）
流场中速度—压力耦合采用SIMPLEC算法，欠松弛系数采用缺省值。粘性牛顿流体，定常流动，流体介质为空气，具有低速、不可压缩性，空气密度为1.225kN/m3。

2.3 风荷载结构体型系数
通过CFD模拟测量模型上的各点的压力系数，结构表面的风压大小及分布。
　　　　　　
（6）式中：
—结构上表面测量点静压；
—结构下表面测量点静压；
—来流风速；
—空气密度。
对压力系数进行加权平均计算，得到结构体型系数：
　　　　　 
（7）式中：
—压力系数 测点所在表面的表面积（165mm X 165mm）；
—i 表面表面积；
—某表面i的风载结构体型系数。

3 结果分析
3.1 0O风向角计算结果
由图3和图4知，0o风向角时，第1行光伏组件表面承受风荷载的值最大。

由表一中结果可以看出，第1行的光伏组件的结构体型系数平均值为μs1=1.24（下半部分），μs2=0.60（上半部分）。

0o风向角时，由于第1行光伏组件的阻挡和保护，第2行到第10行的光伏组件表面所受的风荷载远小于第1行，第2行到第10行的具体结构体型系数见表一内数据。

3.2 45O风向角计算结果
由图6和图7知，45o风向角时，第5列光伏组件表面承受风荷载的值最大。

由表2中可看出，第5列的光伏组件的结构体型系数平均值为μs1=1.26（下半部分），μs2=0.65（上半部分）。

45o风向角时，由于第5列和第1行光伏组件的阻挡，其余行列的光伏组件受的风荷载远小于第5列和第1行的光伏组件，其具体结构体型系数见表2内数据。

3.3 135O风向角计算结果
由图9和图10知，135o风向角时，第1列光伏组件表面承受风荷载的值最大。

表3给出135o风向角时光伏组件阵列各行各列结构体型系数的值。


由表3中可看出，第1列的光伏组件的结构体型系数平均值为μs1=0.54（下半部分），μs2=1.05（上半部分）。

135o风向角时，由于第1列和第10行光伏组件的阻挡，其余行列的光伏组件受的风荷载远小于第1列和第10行的光伏组件，其具体结构体型系数见表3内数据。

3.4 180O风向角计算结果
由图12和图13知，180o风向角时，第10行光伏组件表面承受风荷载的值最大。

由表4中可看出，第10行的光伏组件的结构体型系数平均值为μs1=0.74（下半部分），μs2=1.23（上半部分）。

180o风向角时，由于第10行光伏组件的阻挡，第1行到第9行的光伏组件受的风荷载远小于第10行，其具体结构体型系数见表4内数据。

4 讨论
由以上计算结果知：0o风向角时第1行光伏结构为主要受力结构，其余结构受第1行结构的保护，受力较小；45o风向角时第1行和第5列光伏结构为主要受力结构，其余结构受其保护，受力较小；135o风向角时第10行和第1列光伏结构为主要受力结构，其余结构受其保护，受力较小；180o风向角时第10行为主要受力结构，其余结构受其保护，受力较小。

区域划分：在上述情况中，我们发现，光伏结构成行列排布时，受风荷载影响最大的为外围光伏结构，其风荷载结构体型系数区域划分见下图14。
结构体型系数确定：在上述4个风向角计算结果中，结构体型系数按最不利值原则确定，外围光伏结构顺风时的结构体型系数μs1=1.30（下半部分），μs2=0.75（上半部分），逆风时的结构体型系数μs1=0.75（下半部分），μs2=1.30（上半部分），内部光伏结构结构体型系数为μs1=μs2=0.45。具体结构体型系数的值参考表5.
风载荷区间的划分和结构体型系数的确定对于实际工程的应用，尤其是在大型地面太阳能光伏电站和大面积屋顶太阳能光伏发电系统，更具有经济合理性和广阔的应用前景。

5 工程实例
以广东保威新能源有限公司在南非某地面电站项目为例。

该项目最大设计风速为38m/s，原设计应用欧标计算，未划分风荷载区域的情况下，应该使用3000吨Q235B钢材。

对地面电站划分不同风荷载区域，按照不同区域对应的结构体型系数，分别采用不同的设计。最后节省钢材1200吨。

项目经过1年左右的实际运营，结构设计安全可靠。

6 总结
对大型光伏地面电站光伏结构风荷载结构体型系数进行区域划分是建立在工程实际受风荷载影响的应用背景基础上的。进行风荷载结构体型系数区域划分后，对比不划分情况下的情况，光伏站整个结构系统的材料成本可下降高达40%。风荷载区域的划分使得成本更加合理，避免不必要的浪费。

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[5] Georgeta Văsieş, Elena Axinte and Elena-Carmen Teleman. Numerical Simulation Of Wind Action On Solar Panel Placed On Flat Roofs With And Without Parapet [J]. Bul. Inst. Polit. Iasi, t. LVIII(LXII), 2012, 1, 140-155.
[6] Girma T. Bitsuamlak, Agerneh K. Dagnew, James Erwin. Evaluation of wind loads on solar panel modules using CFD. The Fifth International Symposium on Computational Wind Engineering (CWE2010) Chapel Hill, North Carolina, USA May 23-27, 2010.
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Wind and Structures
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[12] Radu A. and E. Axinte. Wind Forces on Structures Supporting Solar Collectors [J]. Journal of Wind Engineering & Industrial. Aerodynamics, 1989, 32.1-2, 93-100.
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[15] JIS C 8955: 2004, Design guide on structures for photovoltaic array [S].

作者简介： 
徐强，辽宁沈阳人，汉族，香港大学博士研究生，固体力学方向，广东佛山保威新能源有限公司，结构设计部研发工程师，新能源方向。
通讯方式：xuqiang@pvpowerway.com