| 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。 |
