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在不同流配置的地面安装太阳能电池板上的风荷载的数值模拟
摘要：本文进行了三维的Reynolds-Averaged Navier-Stokes 模拟，以评估在不同流场配置下流经地面安装的太阳能电池板的流量。首先，考虑这样的情况，即流经过一个由2times;2布置的四个单独子电池板组成的独立太阳能电池板。分析子板之间的侧向间隙间隔，离地距离和风向对整个板的风荷载的影响。还模拟了经过阵列构造的太阳能电池板的流场，以研究风荷载下电池板之间的纵向间隔的影响。流场流经独立板的结果表明，该结构在风荷载于两个方位角方向= 0°和180°的时候取最大值。结果还表明，两个底板比顶板受到更大的平均风荷载。在板之间引入板间间隙将改变尾流区域的流动结构。这将导致附加涡流的形成和脱落，而该附加涡流随着间隙间隔增加而增大。虽然引入板间间隔会导致平均风力的减少，但却造成部分区域更大的风荷载。增加离地距离还将引起电池板上的更大的平均风荷载。适当选择形成阵列的电池板之间的纵向间距可以通过利用掩蔽效应，显著减小升力。
介绍
近年来，太阳能应用来提供的经济可行的绿色能源已经增多。为了便于维护和增强通风，太阳能电池板通常以离地距离大于0.5m的设置安装。电池板之间的横向间隙也有不同的设置。考虑到电池板板的大表面积，作用在电池板上的极大风荷载可能引发太阳能电池板的严重破损，这主要是由于高的风荷载和与其相关的偏转。因此，对风效应的结构阻力和太阳能电池板上的空气动力学上的负载的减少的良好估计对于防止潜在损害是必不可少的。为了改进设计，工程师需要增强他们对这些系统的空气动力学的理解。已经进行了几项研究以研究研究人员已经讨论的各种参数的作用。这些研究的主要目标是评估临界风荷载条件和最小化其影响。
已经有几项研究得出结论，其是关于研究人员对各种参数的作用的讨论。风向，电池板的倾斜角，离地距离和遮蔽效应是研究人员讨论的一些参数。这些研究的主要目的是来评估风荷载的情况并最小化其影响。
为了评估风的方向的影响，Mohapatra (2011)对地面安装的光伏跟踪器进行了风洞试验。他注意到，当风流垂直于电池板时，产生最大的风荷载。Shademan和Hangan（2009,2010）进行了计算流体动力学（CFD）分析，以确定一组太阳能电池板的风荷载，该太阳能电池板由3times;4排列的12个单独的电池板组成。他们对不同的方位角和倾角进行模拟，发现当风流垂直于电池板时，整个结构承受着最大的力，无论是从前面还是从后面。此外，他们观察到角板在施加在结构上的空气动力学的方面是更加关键的。这些模拟已经被Jubayer和Hangan（2012）扩展，并且进一步基于Jubayer等人的实验结果。（2012）。
Kopp 等人（2002）使用风洞试验发现，最大的风荷载是由于内嵌电池板的涡流脱落，并观察到系统的峰值力矩发生在电池板对角线附近的迎风角的位置。Bitsuamlak等（2010）进行了研究，发现最大风荷载发生在180°的方位角风向。对于一个阵列间距（1m），他们的研究表明，由于突出的掩蔽效应，下游电池板上的风荷载减少。
在已出版的文献中几乎没有关于单个电池板之间的间隙对风荷载的影响的信息。Wu等人（2010）发现，对于其间隙-电池板比非常小的日光反射电池板，负载上仅有非常轻微的增加。在目前的研究当中，调查具有较大的间隙-电池板比的典型太阳能电池板的尾流的流动结构中间隙的作用，与同结构中调查离地距离的作用，均有一定的利益。不仅如此，已经进行了对阵列构造中的太阳能电池板的板组之间的不同纵向间距的影响的分析，以确定电池板受到最小风荷载的最佳距离。为了实现这个，建立了一个可靠的数值模型以评估作用于具有不同间隙和离地距离的一组通用的平面独立太阳能电池板以及阵列构造的太阳能电池板上的平均空气动力。考虑到风流不仅限于一个方向，对不同的方位角进行建模以确定特定电池板-地面倾角的危险风向。正如Shademan和Hangan（2009，2010）所述，倾斜角的变化并不会显着影响到太阳能电池板组上最大风荷载的位置。因此，在本研究中仅考虑一个倾斜角。然后在危险风向，对各个板之间的三个不同的间隙间隔进行建模，以研究该参数对风荷载的影响。为了分析离地距离对风荷载的影响，选取了三个离地距离的值进行了建模。对于排列的情况，四行太阳能电池板被建模为具有行间的不同纵向间隔。
论文的总体结构如下。几何建模在第2节中给出。第3节是验证部分，包括所预测的风力与可用的实验数据的对比。在第4节中，研究了不同参数如间隙和离地距离的影响。第5节分析了一套太阳能电池板对其他后续电池板的遮蔽效应。
数值方法
几何、边界条件及网格划分要求
本研究中使用的一组独立太阳能电池板的几何形状和命名如图1所示。这代表了一个典型的地面安装的太阳能电池板组的尺寸，其长度为2.1m，宽度为1.6m，厚度为0.05m。已经建模了2times;2组通用太阳能电池板的几种构造，具有不同的间隙和离地距离。如图1和2所示。如图1b和1c所示，这些构造对应于一个倾斜角（A = 135°）和七个方位角（风向）角（= 0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°）。在风向=0°的情况下考虑了各种间隙（=0,0.1m和0.2m）。在三个不同的高度（Hp = 0.5, 1.5 和2.5 m）分别分析了风荷载下离地距离的影响。表1提供了现有*研究中分析的测试案例的总结。
图 1 （a）2times;2布置的一组独立太阳能电池板的几何图形，（b）方位角（theta;），（c）倾斜角（Phi;）和（d）排列的面板。
|
单电池板 |
|||||
|
方位角(theta;) |
倾角(phi;) |
间隙(delta;)[m] |
离地距离(Hp)[m] |
参数 |
阵列电池板; 纵向间距（S*/Delta; ） |
|
0° |
135° |
0,0.1,0.2 |
delta;=0.2时,0.5,1.5,2.5 |
FD, FL, Mz |
S*/Delta; =1,2,3 |
|
30° |
135° |
0.0 |
1.5 |
FD, FL, Mz |
N/A |
|
60° |
135° |
0.0 |
1.5 |
FD, FL, Mz |
N/A |
|
90° |
135° |
0.0 |
1.5 |
FD, FL, Mz |
N/A |
|
120° |
135° |
0.0 |
1.5 |
FD, FL, Mz |
N/A |
|
150° |
135° |
0.0 |
1.5 |
FD, FL, Mz |
N/A |
|
180° |
135° |
0.0 |
1.5 |
FD, FL, Mz |
N/A |
表 1 实验情况建模
建立图2a所示的三维矩形域被建立用于计算通过太阳能电池板的湍流风流。 Franke等人（2007）的建议已被用于定义域维度。为了精确地对入口和出口建模，计算域的长度被设置为100m。在域的入口处施加了一个精确的表示大气边界层的风速分布（见下面的式1）。为了确保顶壁和侧壁对压力场和速度场的影响可以忽略不计，域宽度为46m，高度为20m。基于这些尺寸，最大阻塞比约为1.1%，明显小于Franke等人（2007）所推荐的3％。
使用GAMBIT 2.2.30生成了混合网格。整个太阳能电池板组被嵌入矩形块单元中。除了靠近电池板的区域之外，在该矩形块内的电池板的周围创建了非结构化的网格（图2b）。网格系统由围绕板的结构化的六面体单元构成，以提供一个壁附近的具有更少歪斜的细分网格。这个矩形块及其网格固定于板上，并对于每个风向旋转。用一个高密度的划分用于捕获在太阳能电池板上以及地表面上产生的高剪切应力。对于其中壁效应较小的域的其他部分，使用较粗的网格划分。在块网格之外的外部区域，针对风的各个方向均具有完全结构化的六面体单元。（图2c）
不同的方法可用于计算墙在CFD模拟中的影响。在当前的模拟中，使用需要零粗糙度高度的低雷诺数模型（LRNM）方法对近壁区域进行建模。需要具有h ＜1的表面网格间距在粘性子层内具有至少几个单元，其中h =utau;h/v是无量纲壁距离，h是距壁的法线距离，v是运动学粘度，utau;=（tau;w /rho;）0.5是摩擦速度，w是壁剪切应力，rho;是密度。进行网格独立性测试，以20%为增量增加单元数，直到观察到施加在板上的阻力没有明显变化。在进行网格独立性测试后，用于当前模拟的单元的典型数量为大约3.0times;106。为了模拟安装在开阔地形中的太阳能电池板上的风荷载，采用了图2a中所示的边界条件。
图 2 （a）域尺寸和边界条件，（b）在电池板周围的具有混合网格的块，（c）网格的横截面。
风速选择了在10m高度处90km/h的风速，这是从ASCE 7-05代码(2005)中选择的，其在北美洲大陆东北部的大多数地区是常见的。施加在在计算域入口处的进入风使用幂律边界层分布在模拟，即：
其中Ug是地转风速度，yg是大气边界层的高度，是一个取决于地形的指数，y是距离地面的距离。（对于开阔地形=0.16，yg=300m）。该开放地形的统一化速度分布（U/Ug）以及ESDU 82026（ESDU 1982）的实验数据如图3a所示。需要注意的是，ESDU 82026提供了估算大气边界层中小时平均的强风速变化。建议的分布特别适用于建筑物和结构的风荷载的计算。为了保持接近电池板的风流的均匀性，将域的上游长度选择为20m，这是根据Blocken等人（2007）的建议的最小可接受值。包括在入口处，接近（距离电池板10m）和入射（距离电池板2m）位置的不同速度分布图绘制在了图3b中，该图中，Hp是太阳能电池板的高度，Up是在该水平的风速。该图说明在当前情况，上面等高线的变化分布不显著。
阵列配置如图1d所示。考虑四行具有不同纵向间距的太阳能电池板（S*/Delta; = 1,2,3）用于模拟（Delta;是太阳能电池板的弦在x轴上的投影，S*是两行之间的纵向间距）。具体来说，我们建模了一个4times;1串联的排列，并调查电池板的行之间的距离的影响。阵列模拟所用的假设，包括边界条件和壁的建模，与独立太阳能电池板的类似。然而，由于存在4行板，下游长度延伸至130m，这使得整个域的总长度为150m。最终实现网格独立的结果所需的单元总数为5.0times;106。
控制方程
求解稳定雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程以得出三维不可压缩流的速度和压力场。为了模拟雷诺平均得到的雷诺压力，通常采用Boussinesq假设来将雷诺应力与平均速度梯度相关联。该方法的缺点是在一些湍流模型中，mu;t被认为是一个各向同性标量，这严重影响着结果。可实现k-ε模型（Shih等人，1995）和剪切应力传递资料编号：[139860]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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