FLUENT太阳能光伏板风载荷计算案例

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1 前言

    光伏板（阵列）上的风载荷是光伏发电系统设计过程中需要考虑的重要参数，其直接关系到光伏发电系统支架结构的选用和光伏板的疲劳寿命。今天，我们做一个简单的光伏板风载计算案例。

2模型与网格

    如下的光伏板风载计算模型，光伏板尺寸为2.4m×7.2m（考虑多块光伏板连成一排），安装角度相对水平地面为25°，光伏板厚度60mm。参考cost-action-732导则，计算域需满足以下要求：流动上游入口距离光伏板最近不小于5H（H为光伏板最高点与地面的距离），流动下游出口距离光伏板最近不小于15H，顶部距离光伏板最高点不小于5H，两侧距离光伏板最近不小于5H。

    本案例为了减少计算量，采用了二维平面模型，以上图的XZ平面投影为计算域，划分如下网格，对光伏板壁面附近网格进行细化。

3 求解设置

    本案例采用SST k-ω湍流模型，尽量控制光伏板壁面的Y+接近1。

    入口边界条件为速度入口，速度为17.5m，实际上应考虑大气边界层影响更为合适，而不是恒定值，湍流强度1%。

    出口为压力出口，表压0Pa。

    计算域底面设置为无滑移壁面。

    其余面可设置为自由滑移壁面或者对称边界。

    本案例要计算光伏板的阻力系数、升力系数和弯矩系数，因此参考值设置非常重要。参考面积设置为光伏板的上表面面积17.28m²（2.4×7.2m²），参考深度depth取7.2m（由三维问题转换为二维问题），参考长度取2.4m，参考速度取来流速度17.5m/s，物性参数取空气的参数。

4计算结果

    首先看一下速度分布，光伏板下风向存在较大的低速区（回流区）。

    再看一下压力分布，迎风面为正压，背风面为负压。

    光伏板的阻力系数为0.517（受力为来流方向），升力系数为-1.023（受力为竖直方向），弯矩系数为0.119（以光伏板重心为弯矩中心，中心轴为重心上的垂直纸面的z轴）。

    以上三个风载特性参数的结果与参考文献1对比如下

参考文献

[1] Wind Loads Acting on Solar Panels in a Row by CFD Analysis

[2] 考虑弯矩的光伏阵列风荷载数值分析

[3] BEST PRACTICE GUIDELINE FOR THE CFD SIMULATION OF FLOWS IN THE URBAN ENVIRONMENT