光伏电站防风设计方案分析

光伏电站防风设计方案分析王建勃，朱锐，刘刚（特变电工新疆新能源股份有限公司，西安710065）摘要：风荷载是大型光伏电站结构设计中作用力最大的系统荷载。本文针对国内大型光伏电站，提出三种防风设计方案：（1）挡风墙；（2）挡风板；（3）防风抑尘网。并对每种方案的特点进行分析，提出适用条件：挡风墙适用于西北风强劲的大型荒漠电站；挡风板适用范围较广，可用于荒漠电站或屋顶式BIPV光伏电站等；防风抑尘网对大型荒漠光伏电站具有降低风荷载危害和抑制沙尘的作用。本文研究内容对光伏电站的防风设计方案选择有一定指导意义。关键词：防风设计；挡风墙；挡风板；防风抑尘网中图分类号：TK文献标识码：A0引言风荷载是大型光伏电站中作用力最大的系统荷载。依据安装地点的不同，大型光伏电站可分为两类：大型荒漠电站和BIPV光伏电站。无论是哪一种光伏电站，其结构设计主要考虑风荷载的影响，并采取必要的防风措施，避免风荷载对光伏电站支架系统的破坏，保证光伏电站的正常运行。本文将几种可行的防风设计方案进行理论分析，研究每种设计方案的特点，并提出适用条件。1挡风墙挡风墙是首先想到的防风设计方案。我国适合建设大型荒漠光伏电站的地区主要在西北地区，一般的主风向为西风和西北风。组件受力主要是垂直于组件平面的正压荷载，北风对支架系统的破坏力最大。为了分析挡风墙的作用，本文以大型流体仿真计算软件Fluent6.3为计算平台，分别建立无挡风墙、挡风墙1m高、挡风墙2m高的八阵列组件模型，进行CFD仿真计算。结构模型如下：组件倾角设为36°，离地高度0.6m，组件尺寸1.58m×0.8m×0.05m，组件竖向两排排布。以4块组件（田字组成）为单元阵列建立模型。组件阵列间距为7.5m。模型均以实际尺寸建立。计算模型阻塞比小于3%，满足CFD仿真计算要求。以组件受北风37m/s进行模拟计算。挡风墙距离第一阵列2m。图1计算模型示意图由于计算模型为钝体低速绕流，计算模型选择Fluent6.3中k-eRNG模型。为了使仿真计算收敛以及得到准确的计算结果，组件近壁面网格加密，尾流区网格加密。结果见图2。1000200030004000500060007000第1排第2排第3排第4排第5排第6排第7排第8排单位：N墙高2m墙高1m无挡风墙图2挡风墙效果对比由仿真计算可知：在没有挡风墙时，第一阵列正压风荷载最大，后续阵列风荷载显现一定程度波动性。挡风墙高度1m时，第一阵列风荷载降至无挡风墙条件下的80%，挡风墙高度2m时，大大降低了阵列的风荷载。由此可见，挡风墙可提高光伏电站的抗风能力。挡风墙离第一阵列距离近，挡风效果显著。因此，在以主风向为北风或西北风的大型荒漠光伏电站设计中，可在站区东、西、北三面外围就近设计1m—2m高的挡风墙，使电站支架系统所受风荷载降低为没有挡风墙条件下的80%。可有效阻挡风荷载对电站的破坏力。此外，间隔一定距离，应设计挡风墙的侧向支撑，防止挡风墙在极大风荷载情况下垮塌。青海某光伏电站，由于防风墙设计欠合理，在风口处出现垮塌现象。在光伏电站挡风墙的设计中，应在风口处对挡风墙进行加固、加侧向支撑或留有导流口，设计将更为合理。组件单元阵列风场切面风场入口2挡风板挡风板是在支架系统的后立柱上加装带有大量导流孔的薄板，导流孔一般为圆孔。当气流通过挡风板时，气流将由挡风板的开孔通过，挡风板后面出现气流的分离和附着两种现象，来流风速降低，风的动能损失较大。同时避免挡风板前风的涡流、减少风的湍流度。在大风情况下，组件所受的正压风荷载大大降低，风力导致的支架系统横梁弯曲应力大大降低，基础所受的拉拔力降低。因此，在支架系统后立柱安装挡风板，可以提高支架系统的结构安全性，保证组件不会受到很大的风压。由防风墙阵列风荷载仿真计算可得：第一阵列正压风荷载最大。因此，在大型光伏电站的结构设计中，第一阵列的后立柱加装挡风板，可以有效的降低组件所受到的风荷载，提高整个光伏电站的抗风强度。需要注意的是，支架系统后立柱安装挡风板，在大风条件下，后立柱的径向剪切力增大，基础所受水平剪切力增大，需要重新校核后立柱的抗弯强度和基础的水平剪切强度。大型荒漠电站和屋顶式BIPV光伏电站均可以使用挡风板提高电站抗风能力，屋顶式BIPV光伏电站使用更为广泛。图3挡风板示意图3防风抑尘网防风抑尘网是利用空气动力学原理，将开有大量圆孔的防风板，根据现场条件，在整个光伏电站外围组合成网状墙。强风从外通过防风网时，形成上、下干扰的气流，达到外侧强风、内侧弱风，或外侧小风，内侧无风的效果。通过防风网的风，会形成湍流和旋涡气流，但此时的风速、风压衰减幅度很大。风速越大，防风网的防风效果越好。同时，由于防风网上有无数圆孔，能起到阻挡沙尘颗粒，减少对组件表面磨损的作用。所以，防风网一般也称为防风抑尘网。防风抑尘网在大型荒漠光伏电站中使用很广。图4防风抑尘网4结论综上所述，挡风墙、挡风板、防风网的特点和适用范围总结如下。挡风墙：一般可在荒漠电站的主风向上设计挡风墙。在强风作用时，组件整个支架受力、基础拉拔力大大减少，有一定的抑制沙尘作用。主要用于主风向为西北风的大型荒漠光伏电站。挡风板：固定安装在支架系统后立柱上，挡风板上开有若干导流口，具有导流和降低组件风压的作用。支架系统的横梁受力降低，基础所受拉拔力降低，光伏电站结构安全系数提高。但后立柱受力增大，基础受轴向剪切力增大，需要对基础受力进行校核。主要用于荒漠电站和屋顶式BIPV光伏电站。防风抑尘网：在荒漠光伏电站外围，将大量开有小圆孔的防风板组装成一面透风的网状墙。一个个小孔，对通过的风有导流、衰减风压的作用。强的阵风作用时，通过防风网的风速降低，风的动能大大降低。防风抑尘网具有较好的降低风速、抑制沙尘、保护组件的作用，一般用于环境条件较为恶劣的大型荒漠光伏电站。本文深入分析了三种光伏电站防风设计方案的特点和适用范围，在光伏电站结构设计中，可根据实际情况，从抗风效果和成本的角度综合考虑，选择适合的光伏电站防风设计方案。[参考文献][1](日)太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社,2006,13-72.[2]韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2008,14-150.[3]王建勃,朱锐,何惧.光伏电站阵列风荷载衰减特性数值模拟[J].太阳能.2013(15).[4]韩斐,潘玉良,苏忠贤.固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究[J].工程设计学报.2009(05).主要作者简介：王建勃（1984—），男，陕西咸阳人，长安大学本科毕业，现就职于特变电工新疆新能源股份有限公司。主要从事光伏电站设计、校核等工作。通讯地址：陕西西安高新区上林苑四路70号特变电工西安产业园，邮编：710119，电话：[phone]，手机：[phone]，E-mail：[e-mail]。朱锐（1981—），男，新疆乌鲁木齐人，中国科技大学硕士研究生毕业，曾就职于特变电工新能源公司，在此期间主要从事光伏电站结构设计、校核等工作。刘刚（1985—），男，陕西西安人，陕西理工学院本科毕业，现就职于特变电工新疆新能源股份有限公司。主要从事光伏电站设计、计算等工作。