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地面安装太阳能电池板阵列的结构分析

作者：MD Ashhar Tufail：Jodhpur Karwar，Jodhpur，Rajasthan，

Barun Pratiher：Karwar

摘要：在当前的研究中，进行了CFD模拟和静态结构分析，以估算地面安装的阵列太阳能电池板上行和下行风向的风荷载。模拟的目标是估计作用在其表面上的载荷（即阻力和升力以及力矩系数）和风压。进行静态结构分析并结合CFD模拟来确定每个面板上由于风荷载引起的总变形。该研究的动机是在旋风和台风等情况下保护太阳能电池板的完整性，以便在整个使用寿命期间不会阻碍能源生产。在排列的九个面板上进行模拟，改变各种参数（即间隙高度，面板之间的行间距和面板倾斜度），从而影响面板上的风载荷。

介绍：在21世纪的先进时代，由于化石燃料的减少，对风能和太阳能等可再生能源的依赖性增加。太阳能发电厂或光伏发电站逐渐成为发电的重要贡献者，因为公用事业规模的太阳能发电场（容量gt; 10MW）从2009年到2016年增长了约900％。其中印度排名第3，510家工厂约占12,251兆瓦（Wiki-Solar.org）。在像拉贾斯坦邦（印度）这样全年都有充足的太阳能强度的州，未来对太阳能的依赖非常有希望。但这个地方也很容易受到沙尘暴和夏季高达150公里/小时的高速风的影响。因此，正在努力在这些不利的环境条件下保持面板的完整性。

尽管人们对太阳能农场越来越感兴趣，但有一些已发表的关于地面太阳能电池板的文献（Abiola-Ogedengbe [2,3]，Aly和Bitsuamlak [4]，Bitsuamlak等[5]，Jubayer等[9]，Jubayer等[9] ]，Shademan和Hangan [15]）与屋顶太阳能电池板研究相比较（Chung等[6]，Holmes [8]，Kopp等[10]，Meroney和Neft，[11]，Pratt和Kopp ，[12]，Radu等[13]，Radu和Axinte [14]，Wood等[18]。Vasieş[16]和Warsido等人对独立光伏系统的空气动力学特性进行了研究。在本研究中，采用多个面板阵列来研究气动力对面板的影响。进行调查以确定位于裸土上的太阳能电池板上的压力分布和风力大小，而没有对冲和孤立的阻塞。必须完成锚系统的设计，以便达到极值。风不会影响太阳能电池板的完整性。锚系统设计中的主要问题是确定压力场以及校正阻力和上升力，以便找到减少它们的最佳解决方案。

事实证明，位于地面的太阳能电池板比位于屋顶的电池板更容易分析。空气流量受障碍物和地形粗糙度的影响很大。为了分析平均风速和速度分布，区域的地形特征和特定于地形类型的粗糙度因子的影响是基本的。本研究试图在分析作用于连续放置在太阳能发电场中的太阳能电池板的风荷载方面做出贡献，重点将是广泛使用的平板光伏电池板。使用ANSYS13 FLUENT进行计算流体动力学（CFD）分析，以模拟，分析和理解作用在太阳能电池板上的风力的影响。

方法：

命名法

CFD-计算流体动力学

D - 水平距离是最前面板最终和后面板开始之间的距离。

H - 面板的间隙高度

loP - 面板倾斜度（度）L - 面板长度（以米为单位）

SF - 空间因子

theta; - 风的攻角

gamma; - 太阳的高度

beta; - 面板倾角（度）

alpha; - 经验导出的系数随大气稳定性而变化

CFD模拟分析：在本研究中，对全尺寸地面安装阵列光伏系统的风流进行了三维稳态RANS模拟。太阳能电池板的整体尺寸为：2.00米长，1.00米宽和0.05米厚。面板与水平面的倾斜度为30.计算域和网格（图1）是根据COST指南（Franke等，[19]）创建的，因此阻塞率小于2％。空气域的顶部和横向边界被指定为对称。这种边界规范背后的主要思想是它消除了在这些边界附近进行网格细化的需要，并且它还扩大了这些边界附近的流动空间。空气域的底部被定义为无滑动粗糙壁边界条件，其要求粗糙度高度和恒定值。面板和支撑结构表面被视为防滑

光滑的墙壁。使用SST kw湍流模型进行模拟。根据流动的性质，基于Menter [7]修改湍流模型常数。由于认为在每个点处存在相同的空气压力，因此将初始压力设定为零。开阔地面幂律（alpha;= 0.15）风速剖面，平均风速40米/秒，距离地面10米处测量。当入口部分的流动平静时，湍流强度设定为5％。湍流粘度比固定为10.出口部分的表压设定为零，并选择强度和粘度比方法。尽管面板和出口之间的距离足够，但由于遇到障碍物（太阳能电池板），湍流水平仍然高于入口面。因此，回流湍流强度调整为15％，回流湍流粘度比仍保持为10.粗糙高度保持0.01米，因为它代表没有对冲和孤立障碍的裸土（塔尔沙漠地形）。压力 - 速度耦合方案用于求解方法。具有压力隐式与操作符分裂（PSIO）算法的分离求解器用于离散方程。时间离散化采用二阶隐式方案。对流运动学（QUICK）差分方案的三阶二次迎风插值用于空间离散化。

图 1：CFD域尺寸标注验证研究：

JUBAYER和HANGAN比较[9]： - Jubayer

Hangan [9]进行了一项数值研究，以预测一组地面安装的太阳能电池板上的风荷载，其中分析了带有柱的单个太阳能电池板。在这项研究中，提出了阻力，升力和力矩系数，并将这些结果与作为本文所进行的数值研究的一部分的系数进行了比较。表（2）中的结果的比较清楚地表明通过改变网格元素的数量（由＃表示的网格元素的数量）的两个研究之间的紧密匹配。然而，阻力，升力和力矩系数存在轻微差异，这可能是由于使用不同的工具和系数来分析同一问题并解决流体流动方程。2D和3D CFD模型之间的比较分析显示了2D分析方法获得的近似逼近，因为2D方法由于几何形状和网格数的减少而提供了可靠的解决方案。

表 2：Jubayer [9]与当前工作在阻力，升力和力矩系数方面的比较。

与WARSIDO ET AL比较。[17]：

Warsido等[17]进行了风洞实验，通过改变面板之间的横向和横向空间来分析作用在太阳能电池板上的风荷载。在本研究中，进行计算流体动力学分析以比较从Warsido等人进行的实验中获得的结果。[17]。为了进行CFD模拟，建立了一个全尺寸模型，其面板长度为1334 mm，水平倾角为25°，距离地面的间隙高度为0.81 m。

图 2：Warsido等人的平均法向力

图 3：CFD分析的归一化力和力矩系

在Warsido和目前的研究中观察到类似的趋势，其中法向力系数倾向于在最后一个面板上收敛到相同的值。然而，当面板之间的间隔系数为24英寸（0.61米）时，观察到的法向力减小，则存在轻微的差异。然而，由于太阳能发电场中的遮蔽效应，接近24英寸的间隔因子是非常不现实的，这最终会降低最佳能量产生。由于第一个面板所产生的风的尾流效应，因为Warsido观察到的遮蔽效果清晰可见。值得注意的是，即使间距系数为24英寸，研究中的力矩系数也显示出非常相似的趋势。在研究实验以及数值矩系数值中，在最后一排面板上变得微不足道，其中力矩系数的值达到几乎为零，这清楚地描绘了遮蔽效应并且减小了放置在太阳能农场中的内板上产生的扭矩效应。

提升与比较：

在本研究中数值计算的作用在太阳能电池板上的风荷载与通过使用ASCE 07/10 [1]单斜面自由屋顶规范计算的设计风荷载之间进行了对比分析。将从实验分析中获得的设计风荷载与ASCE-7 [1]中规定的相同风荷载的等效值进行比较。为了验证目的，在面板尺寸为2.4times;1.2m且平均间隙高度为1.1m的情况下，正常的风流方向和逆流风向具有畅通无阻的流动方向。通过考虑以下参数和方程，根据ASCE 07/10 [1]进行风计算。

表 3：ASCE 07/10 [1]与本研究之间的对比分析

上面的表3清楚地显示了通过ASCE 07/10标准计算的风设计载荷与当前数值分析之间的良好匹配。对于正常的风流使用ASCE 07/10标准计算的阻力为264.33 N / m，这与目前的数值分析相似，得出269.36 N / m。同样是升力的情况也是如此，根据ASCE 07/10标准的设计升力等于566.862 N / m，接近552.27 N / m，通过数值分析得出。对于反向风流，使用ASCE 07/10标准计算的阻力为-231.73 N / m，这与当前的数值分析相似，其给出-238.48N / m。同样是升力的情况也是如此，根据ASCE 07/10标准的设计升力等于-496.954 N / m，接近-489.12 N / m，通过数值分析得出。因此，上述比较提供了与使用ASCE 07/10标准计算的风设计载荷兼容的匹配。

结果和讨论：

反向（theta;= 180o）和前进（theta;= 0o）攻角的一般情况

1. 风的迎角（theta;= 180o）： - 在没有任何导流板的情况下模拟每个相距1米的9个连续太阳能电池板的阵列。已经观察到第一排面板在负载方面变得至关重要。第一排面板为尾随的面板行提供遮蔽效果，因为尾随行的压力显着降低。通过检查平均速度的流线来分析太阳能电池板周围的风流场，该流线表明进入的流动保持完全附着在迎风面上，而它在前缘处朝向背风面分离。正平均压力完全记录在面板的下侧，而面板的上侧具有负的平均压力。前导排板为连续的面板提供遮蔽效果，从而经历最高的风荷载（即阻力，升力和力矩）。

图4：（a）压力，（b）通过CFD分析的域的速度等值线

图5：面板上的拖动，提升和力矩系数

1. 风的迎角（theta;= 0^o）： - 在这种情况下，所有尾随行完全在第一排面板的尾迹中。对于0^o

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