摘要
为明确近地面风场对跟踪式光伏结构风荷载取值的影响，本文基于风洞试验和计算流体力学（CFD）模拟对单排光伏组件的倾角、风向角、离地高度展开分析，并在此基础上研究了多排光伏阵列在不同风向角下，其遮挡效应对体型系数取值的影响. 结果表明：单排光伏组件的表面风压符合梯形分布方式；多排光伏阵列中上游组件对下游的遮挡程度会随倾角的增大而增长，且后排光伏组件体型系数随着前排遮挡的增多逐渐趋于稳定；离地高度对光伏组件及阵列的体型系数存在一定的影响.
“十四五”期间，太阳能作为重要的清洁能源备受关注. 中央明确提出：加速发展太阳能产业，实现清洁能源占比提升. 随着我国新能源战略的稳步推进，光伏能源以其低成本、高环保、维护简易等优点迎来了快速发展. 现有光伏阵列可达数百排，单排长度可突破70 m. 对于近地面光伏阵列，各排之间遮挡效应明显，且光伏支架的实际高度大多低于5 m，并未达到规范中要求考虑梯度风的高度（5 m）. 抗风设计是光伏结构设计的重要部分，其中风荷载的准确评估和取值尤为关键. 现有设计大多根据我国《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012
近年来，国内外学者已对光伏板风荷载体型系数开展了相关试验研究和理论分析. 例如，针对单个光伏板，研究人员探讨了不同底部阻塞
尽管已经有学者对光伏阵列风荷载的规律进行了探索，并获得了显著的成果. 但关于近地面光伏阵列的影响因素和干扰效应较多，诸如光伏板不同的离地高度、阵列数等对遮挡效应均有影响. 因此，本文利用刚性模型测压风洞试验，分别研究了不同的离地高度、遮挡排数、风向角、光伏板倾角对光伏阵列风荷载体型系数取值的影响，并提出了下游光伏板体型系数的取值建议，为设计人员提供参考.
1 风洞试验
本次风洞试验在湖南大学风工程试验研究中心HD-2大气边界层风洞低速试验段进行. 低速试验段长15 m，宽5.5 m，高4.4 m，最大风速可超15 m/s，背景湍流度小于2%，试验流场风速通过皮托管和扫描阀进行测量.
1.1 试验模型
原型光伏组件为平单轴跟踪式光伏组件，单排光伏组件长64.172 m，宽4.933 m，高2.8 m，模型缩尺比为1∶28，缩尺后模型与原型在外形上保持几何相似，长、宽、高分别为2 292、176、10 mm，受测压管道的安装限制，光伏板厚取4 mm. 光伏板模型在保证刚度的前提下采用ABS工程塑料制作，整个模型由测压面板、立柱、转轴以及支撑底板组成，在测压面板上下表面对称布置测压点，单个光伏板有72个测压位置，共144个测压点，具体布置如
（a） 测压点位布置图
（b） 测压模型侧立面图
（c） 多排光伏阵列测压模型布置图
图1 试验模型及参数定义（单位：mm）
Fig.1 Experimental model and parameter definition （unit：mm）
1.2 试验工况
本次试验的风场采用低湍流度均匀流场，来流平均风速为8 m/s. 试验采用PSI公司的电子式压力扫描阀系统，风压采样频率为330 Hz，对于单个工况采样时间取60 s.
对于单排光伏组件风洞试验，考虑离地高度H分别为0.1、0.4 m，风向角α取值范围为0°~180°，以10°为增量，光伏板倾角β取值范围为15°~60°，以15°为增量；对于多排光伏阵列风洞试验，考虑离地高度H分别为0.1、0.4 m，风向角α考虑0°和180°分别对应光伏板正面迎风和背面迎风，倾角β取值范围考虑15°~60°，以15°为增量，上游遮挡的排数分别取1~8排，即测压模型对应分别位于第2~9排，考虑不同位置处模型的遮挡效应.
（a） H=0.1 m单排光伏组件
（b） H=0.4 m单排光伏组件
（c） H=0.1 m多排光伏阵列
（d） H=0.4 m多排光伏阵列
图2 跟踪式光伏支架测压模型
Fig.2 Pressure measurement model of tracking PV arrays
1.3 参数定义
在空气动力学中，物体表面的压力通常用无量纲的风压系数Cpi表示，如
| （1） |
式中：Cpi为单个测点的压力系数；Pui和Pdi分别为测点i 处正、反面的风压值；P0和P∞分别为试验时参考点处的总压和静压，总压等于静压与动压（0.5ρ
光伏板上风压系数不均匀分布会使中心轴承受风荷载的扭矩作用，根据光伏板各测点的风压系数及其控制面积，光伏板整体体型系数及扭矩系数定义如下：
| （2） |
| （3） |
式中：μs为单个光伏板整体体型系数；Ai为测点i对应的控制面积；A为光伏板的总面积；Cmx为扭矩系数； yi为测点i距离光伏板中心转轴的距离；B为光伏板的宽度.
2 试验结果分析
2.1 单排光伏组件风荷载分布特性
2.1.1 风压系数分布规律
在跟踪式光伏支架结构设计中，光伏板风压系数的分布决定了光伏板对主梁的扭矩大小，是关键设计参数之一. 因此，本节首先讨论风压系数的分布特点. 在单排光伏组件刚性模型测压风洞试验中，对试验中测量出的各测点风压系数进行计算和分析，得到了光伏板表面的平均风压系数的分布特性. 由于光伏板倾角工况较多，受文章篇幅限制，且光伏板在不同的倾角下，虽然风压系数数值大小有所不同，但是其分布规律、分布特点具有相似性，故本节仅以倾角β=15°为例进行讨论.
（a） α=0°，H=0.1 m
（b） α=180°，H=0.1 m
（c） α=0°，H=0.4 m
（d） α=180°，H=0.4 m
图3 光伏板15°倾角下平均风压系数等值线图
Fig.3 Isoline graph of wind pressure coefficients for photovoltaic at an inclination angle of β=15°
从
此外，从
2.1.2 整体体型系数分布规律
通过光伏板的整体体型系数，可计算出作用于光伏组件的整体风荷载值，以用于主梁、柱子等主要构件的结构设计. 不同的离地高度可能导致光伏板整体体型系数的变化，因此，本节讨论了H=0.1 m和H=0.4 m时，单排光伏组件整体体型系数的差异性.
（a） 体型系数随风向角变化情况
（b） 体型系数随倾角变化情况
图4 单排光伏组件体型系数变化趋势
Fig.4 Trend in shape coefficient variation for single-row PV module
以典型的风向角0°、60°、90°、120°和180°为例，
2.1.3 扭矩系数分布规律
光伏板上风压系数的不均匀分布会导致光伏结构的不同构件承受一定的扭矩作用，且这种不均匀性会随着风向角、光伏板倾角及离地高度的变化展现出一定的差异性，故本节重点讨论风荷载在光伏板中心轴处所产生的扭矩作用.
图5 单排光伏组件扭矩系数变化趋势
Fig.5 Trend in moment coefficient variation for single-row PV module
此外，扭矩系数随着倾角的增大而减小，这是因为扭矩系数的大小不仅与风压值有关，同时也与风压合力作用中心到中心轴的距离有关. 当倾角增大时，尽管风压合力值在增加，但合力作用中心与中心轴的间距在减小，从而导致扭矩系数减小. 这种变化趋势使得光伏板的最不利风压和最不利扭矩不会同时出现.因此，在进行光伏结构设计时，宜分别考虑两种最不利状态下的荷载效应.
2.1.4 CFD模拟对比
为了进一步加深对风压分布规律的理解，验证风洞试验结果的可靠性，通过参考相关文
（a） 数值模型压力监测点定义
（b） α=0°、β=30°风速云图
（c） α=0°、β=30°风压云图
图6 单排光伏组件二维风洞模拟
Fig.6 2D wind tunnel simulation of single-row PV module
（a） 模拟与试验体型系数对比
（b） 模拟与试验的测压点风压系数对比
图7 单排光伏组件风洞试验和数值风洞模拟对比
Fig.7 Comparison between wind tunnel experiment and CFD for single-row PV module
2.2 多排光伏阵列风荷载遮挡效应
2.2.1 光伏阵列体型系数及风压系数分布规律
本节以最不利风向角0°和180°为例，对多排光伏阵列风荷载体型系数及遮挡效应开展风洞试验研究，同时，探讨了不同离地高度，即H=0.1 m和H= 0.4 m对试验结果的影响，光伏阵列间距为固定值0.26 m，体型系数变化曲线如
（a） H=0.1 m
（b） H=0.4 m
图8 不同离地高度光伏阵列体型系数变化情况
Fig.8 Variation in the shape coefficient of PV arrays at different heights above ground
综上所述，光伏阵列中第1排光伏板体型系数的绝对值最大，第2排的体型系数受遮挡效应影响波动最大，体型系数大幅下降，倾角越大，遮挡效应越明显. 同时，随着上游光伏组件排数的增加，这种遮挡效应逐渐趋于稳定，可以认为从第4排开始，遮挡效应基本保持稳定，稳定后光伏板体型系数的下降幅度最大可达到第1排光伏板的21.9%.
为进一步了解多排光伏阵列表面的风压分布情况，
图9 α=0、β=30 ̊、H=0.4 m工况下的光伏阵列等值线图
Fig.9 Isoline map of the PV arrays under the condition of α=0 ̊， β=30 ̊， H=0.4 m
2.2.2 CFD模拟对比
为了对比验证，本节同样对多排光伏阵列开展了CFD模拟研究. 数值模拟中光伏阵列前后排间距及离地高度的定义如
以β=45°为例，其光伏阵列的风速云图和风压云图分别如图10（b）（c）所示. 可以看出，第1排光伏板的上下表面压力差最大，这也意味着第1排光伏板的体型系数最大. 第2排光伏板上表面风压小于下表面，因此将出现第1排光伏板的体型系数为负值的情况. 从第3排开始，光伏板上表面风压略大于下表面，导致第3排之后的光伏板体型系数呈现较小的正压. 前排光伏板对后排光伏板的遮挡效应从第4排开始逐渐稳定，这些变化趋势与风洞试验结果吻合.
（a） 多排光伏阵列布置示意图
（b） 多排光伏阵列风速云图（β=45°）
（c） 多排光伏阵列风压云图（β=45°）
图10 光伏阵列二维风洞模拟
Fig.10 2D wind tunnel simulation of PV arrays
图11 光伏阵列风洞试验和数值风洞模拟对比
Fig.11 Comparison between wind tunnel experiment and CFD for PV arrays
3 结 论
通过跟踪式光伏支架刚性模型风洞测压试验及其CFD模拟分析，本文研究了近地面单排光伏组件及多排光伏阵列的平均风压系数及体型系数变化规律，并对不同的离地高度、遮挡效应进行了分析，得出以下结论.
1）对于单排光伏组件，表面风压系数呈梯形分布，近地端风压系数较大，远地端风压系数较小. 随着光伏板倾角的增大，其体型系数随之增大，扭矩系数随之减小；随着风向角的增大，体型系数和扭矩系数的绝对值呈现先减小后增加的趋势，最不利风向角出现在0°和180°附近. 此外，离地高度对光伏板体型系数的影响显著，离地高度为0.1 m的光伏板体型系数，其绝对值最大可达离地高度为0.4 m的1.3倍.
2）对于多排光伏阵列，第1排因其前方无任何遮挡，风压分布与单排光伏组件相似，呈梯形分布. 第2排受第1排遮挡效应的影响尤为显著，其体型系数明显减小，第4排及其后的体型系数趋于稳定. 倾角越大，遮挡效应越显著，遮挡效应导致的体型系数的降幅可达-19.1%，即大倾角下第1排光伏板对风场的改变使得第2排光伏板受到相反方向的风荷载作用. 在0°与180°两个最不利风向角下，遮挡效应对光伏阵列的影响相似.
3）多排光伏阵列的体型系数同样会受到离地高度的影响，其中第1排光伏组件受到的影响最显著，即H=0.1 m的光伏板体型系数绝对值最大可达H=0.4 m的1.26倍. 而后排光伏组件受到离地高度的影响则较弱，H=0.1 m的光伏板体型系数平均值为H=0.4 m时的1.10倍左右.
参考文献
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