CN104200102A - 一种基于cfd的光伏阵列风荷载预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法，包括如下步骤：1)生成脉动风速时程信号；2)建立几何模型；3)给定所建立几何模型的空气参数，初值条件和边界条件；4)建立理论模型；5)划分网格，将来流参数、初值和边界条件代入理论模型中，采用数值模拟方法求解得出流场计算结果；6)根据计算结果确定光伏阵列各排风荷载大小及风荷载响应主频范围，指导光伏支撑结构的设计。本发明的预测方法以脉动风影响下的流场理论模型作为基础，通过数值计算来实现光伏阵列风荷载的预测，在实际中易于操作，可大大降低工程费用。

Description

一种基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟及CAE领域，尤其是一种基于CFD的光伏阵列风荷载的预测方法。 

背景技术

随着不可再生能源储备的减少及清洁能源需求的增加，国内外对太阳能光伏产业越来越重视。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，随着市场竞争逐渐激烈，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，企业必须降低成本。然而在光伏结构设计中，强风下光伏板所受载荷不容忽视。光伏阵列及整个光伏电站的安全性及稳定性必须建立在对光伏阵列风荷载的准确预测上。上述情况表明，研究和实现光伏阵列风荷载的预测，对保证结构强度、刚度、稳定性的前提下节约成本，特别是光伏产业的安全、健康发展具有十分重要的意义。 

现有的风荷载预测均是采用统计方法，基于《建筑结构荷载规范》，采用统一的光伏阵列结构体形系数，并参考工程经验判定。上述方法受人为因素影响，并且整体采用单一的风荷载结构体形系数，没有考虑阵列间的遮挡及绕流、漩涡脱落等非定常客观条件，直接影响了光伏阵列风荷载的预测结果。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法，包括如下步骤： 

1)生成脉动风速时程信号； 

2)根据光伏阵列区域建立几何模型； 

3)给定所建立几何模型的空气参数，初值条件和边界条件； 

4)根据气体流动方程建立理论模型； 

5)对所建立几何模型进行网格划分，将区域内空气参数，初值和边界条件代入理论模型，采用数值模拟方法求解得出流场计算结果； 

6)根据计算结果确定光伏阵列各排风荷载大小及风荷载变化主频范围，指导光伏支撑结构的设计。 

进一步，所述步骤1)采用脉动风速功率谱密度函数生成脉动风速时程。 

进一步，所述基于脉动风速功率谱密度函数生成的脉动风速时程利用高斯随机过程方法编制数值计算程序计算求得。 

进一步，所述几何模型指光伏阵列排布在风场区域内，整个流场域的形状及尺寸大小。 

进一步，所述空气参数指光伏阵列所在区域内的平均风速、Re数、压强和温度。 

进一步，所述初值条件为区域内初始风速、空气压强和温度。 

进一步，所述边界条件和所述几何模型相关，光伏板及地面为刚 性无滑移壁面边界，流体域内含入口、出口及自由边界。 

进一步，所述理论模型采用N-S方程模型、雷诺平均模型或者大涡模拟模型。 

进一步，所述数值模拟方法采用有限差分法、有限体积法或者有限元法。 

进一步，所述步骤6)中根据计算结果确定光伏阵列各排风荷载大小及风荷载变化主频范围，包括如下步骤：将流场计算得出的壁面压力值进行面积分，得到垂直壁面方向的总净力F_N(t)，F_N(t)即为光伏阵列风荷载大小，其随时间变化，然后以参考动压为基准做归一化处理，将F_N(t)做如下变换：式中，C_FN为净力系数，是衡量光伏阵列风荷载大小的无量纲数，ρ_a为空气密度，为区域内平均风速，B，L分别为光伏板宽度和长度，之后对C_FN(t)进行谱分析，得到净力系数功率谱密度，并以此确定光伏阵列风荷载变化的主频范围。 

本发明的基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法，首先采用高斯随机过程基于脉动风速功率谱密度函数生成脉动风速时程信号，然后建立几何模型并给定初值和边界条件，之后建立理论模型，采用有限差分法、有限体积法、有限元法等数值计算方法技术进行计算，来实现光伏阵列风荷载的预测。本发明的预测方法以完备的理论模型作为基础，综合考虑脉动风影响和漩涡脱落等非定常因素，通过数值计算来实现光伏阵列风荷载的预测，结果可信度高，在实际中容易操作，可指导光伏阵列支撑结构设计，大大降低了工程费用。 

附图说明

图1为本发明的一个实施例中模拟的脉动风功率谱与实际谱的对照及风速时程图； 

图2为本发明的一个实施例中光伏地面电站数值模拟的几何模型； 

图3为本发明的一个实施例中光伏阵列各排压力云图； 

图4为本发明的一个实施例中固定时刻下净力系数沿各排变化曲线； 

图5为本发明的一个实施例中净力系数时程曲线及功率谱密度； 

图6为本发明的一个实施例中光伏屋顶电站数值模拟的几何模型； 

图7为本发明的一个实施例中近壁面处网格划分示意图； 

图8为本发明的一个实施例中模拟流场的XY平面上一个截面处的流线图； 

图9为本发明的一个实施例中光伏阵列各排压力云图。 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种基于CFD的光伏阵列风荷载的预测方法的实施方式进行进一步说明。应当理解，下述所有实施例只是本发明的实现或者优选实现方式之一，本发明并不局限于所述实施例。 

实施例1： 

预测某光伏地面电站光伏阵列风荷载的步骤： 

1)生成脉动风速时程信号 

本发明采用脉动风速功率谱密度函数模拟近地大气湍流边界层中脉动风湍流能量在频率域的分布情况。目前，有两类风速谱描述脉动风，一类对强风观测记录进行相关分析，获得相关曲线和相关函数，再通过傅氏变换求得风速谱的数学表达式；另一类方法，将强风记录通过超低频滤波器，直接测出风速的功率谱曲线，拟合出风速谱的数学表达式。第二类方法可以保证较高的精度和可靠性，而且避免了反复计算过程中的误差，所求得的风速谱公式物理意义清晰、明确。 

本实施例中脉动风速功率谱密度函数采用第二类方法中的Davenport谱，高斯随机过程采用自回归法模拟脉动风速时程。 

Davenport谱的数学表达式为： 

$S_D\left(f\right)=4k{{\stackrel{\‾}{v}}_{10}}^2\frac{x}{f{(1+x^2)}^{4/3}}$

式中，S_D(f)为Davenport风速谱，f为频率，k为反映地面粗糙度的系数，为高度z＝10m处的平均风速，采用matlab编程生成边界脉动风速时程，其中时间步长取0.02s，总时间为200s，AR模型取4阶，得到的脉动风模拟的功率谱与Davenport谱的对照及风速时程如图1所示。从图中可得，脉动风速时程基本符合零均值，其主频在0.01Hz-1Hz之间，模拟的风速在频域能量分布上与目标谱相近，较好的反映了风速在频域上的能量分布。 

2)建立几何模型 

根据光伏阵列区域建立几何模型，模型如图2所示。其中，光伏板的几何尺寸：20m×3.43m×0.1m，安装倾角25°，底部距地面高度0.3m，光伏板间距5.76m，流体几何模型大小为：100m×30m×35m。 

3)确定气体参数，初值和边值条件 

来流风向垂直于光伏板排布方向(北风)； 

来流参数：v＝30m/s+v_f，P＝1.01×10⁵Pa，Re＝2.5×10⁶1/m，T＝288.15K； 

其中，v_f为脉动风速，P为压强，Re为雷诺数，T为温度； 

初始条件：P＝1.01×10⁵Pa，T＝288.15K； 

入口边界：速度入口，即给定速度v； 

壁面边界：光伏板及地面为刚性无滑移壁面，即u_i＝0； 

出口边界：沿流线方向各流动参数的导数为零； 

上、侧面边界：自由滑移边界条件，即

4)建立理论模型 

本发明采用流体力学模型研究脉动风影响下空气在光伏阵列中的流动情况，从而对光伏阵列风荷载做出判断。空气服从气体流动方程，本实施例中，理论模型采用大涡模拟模型。对N-S方程组进行空间滤波，得到大涡模拟的基本方程： 

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i{\stackrel{\‾}{u}}_j\right)=-\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left(\mathrm{\μ}\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_j}\right)-\frac{\∂\stackrel{\‾}{P}}{{\∂x}_i}-\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_j}$

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i\right)=0$

式中，u_i，u_j为速度，ρ为气体密度，μ为粘性系数，为压力值，σ_ij为分子粘性引起的应力张量，τ_ij为亚格子尺度应力。本实施例中 方程封闭采用Boussinesq假设，亚格子尺度应力由下式计算： 

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}-\frac{1}{3}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{kk}}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}=-2{\mathrm{\μ}}_t{\stackrel{\‾}{S}}_{\mathrm{ij}}$

式中，τ_ij为亚格子尺度应力，δ_ij为克罗内克符号，μ_t为亚格子涡粘系数， ${\stackrel{\‾}{S}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{{\∂x}_j}+\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_j}{{\∂x}_i})$ 为应变率张量。 

5)根据理论模型及定解条件，数值求解 

将区域内空气参数，初值和边界条件代入理论模型中得到流场计算结果。本实施例中，对所有方程采用有限差分法离散，动量方程采用有界中心差分格式，其他方程使用二阶迎风格式，时间项使用二阶非迭代方法，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，计算时间t＝40s。 

6)根据求解结果确定风荷载大小及变化主频范围，指导光伏支撑结构的设计 

为了使预测更加便于分析和处理，本实施例将流场计算得出的壁面压力值以参考动压为基准做归一化处理，可得光伏板无量纲压力系数C_p： 

$C_p=\frac{P-P_0}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{v}}_h^2}$

式中，P为光伏板壁面压力；P₀为参考高度h下的平均静压；ρ为空气密度；为参考高度下的平均风速。 

定义净压力系数为迎风面与背风面压力系数之差，其时间历程ΔC_PN(t)如下式所示： 

ΔC_PN(t)＝C_PW(t)-C_PL(t) 

式中，t为时间，C_PW为迎风面压力系数，C_PL为背风面压力系数，ΔC_PN为净压力系数。对其进行面积分得到垂直壁面方向的总净力 F_N(t)： 

$F_N\left(t\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{v}}_h^2(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{PWi}}\left(t\right)A_{\mathrm{Wi}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{PLi}}\left(t\right)A_{\mathrm{Li}})$

式中，ρ为空气密度，为参考高度下的平均风速，m、n分别为迎风面和背风面上网格数量，A_Wi、A_Li分别为C_PWi和C_PLi对应的壁面单元面积。通过归一化处理将F_N(t)转为如下无量纲形式： 

$C_{\mathrm{FN}}\left(t\right)=\frac{F_N\left(t\right)}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{v}}_h^2\mathrm{BL}}$

式中，ρ为空气密度，为参考高度下的平均风速，B为光伏板宽度，L为光伏板长度。这样，在光伏结构设计中起关键作用的风荷载计算就转变为净力系数C_FN(t)的计算和分析。 

将流场计算得出的壁面压力值进行面积分，得到光伏阵列风荷载F_N(t)，其随时间变化；以参考动压为基准做归一化处理，得到无量纲净力系数C_FN，本实施例中采用Welch谱估计法对C_FN(t)进行谱分析，得到净力系数功率谱密度，并以此确定光伏阵列风荷载变化的主频范围。 

图3为光伏阵列风压的三维模拟结果，显示的是t＝10s时光伏阵列各排的壁面压力云图，图4为t＝25s时各排C_FN变化曲线，图5为第4排C_FN时程曲线及功率谱密度。 

由以上计算结果可得，由于各光伏板呈阵列式分布，故各排风荷载存在折减效应，即第1排光伏板为主要受力结构，其余阵列受首排保护受力较小；光伏阵列排布时，受风荷载影响最大的为外围光伏结构。功率谱中的最大主频0.2Hz即为中心漩涡脱落频率，主频范围为0Hz-4.5Hz，与结构固有频率较接近。因此，在光伏支撑 结构设计中需引起重视，考虑相关防振抗振措施。 

实施例2： 

预测某光伏屋顶电站光伏阵列风荷载的步骤： 

光伏屋顶电站与光伏地面电站的预测光伏阵列风荷载的不同之处在于生成脉动风时程所采用的脉动风速功率谱密度函数、建立的几何模型、边界条件、建立的理论模型和数值模拟方法不同，其余与实施例1中步骤相同。 

脉动风速功率谱密度函数采用沿高度变化的Karman谱，高斯随机过程采用谐波叠加法模拟脉动风速时程。 

Karman谱的数学表达式为： 

$S_K(z,f)=\frac{{4\mathrm{x\σ}}_u^2}{f{(1+{70.8x}^2)}^{5/6}}$

式中，S_K(z，f)为Karman风速谱，f为频率，为脉动速度均方值，  为高度为z处的平均风速，为积分尺度。 

几何模型及坐标如图6所示，光伏板几何尺寸与实施例1中相同，安装倾角23°，光伏板底部距屋顶距离0.3m，光伏板间距5m，塔楼尺寸：(宽)62m×(长)47.5m×(高)54.9m，女儿墙高度：1.1m，流体几何模型大小为：(X)92m×(Y)70m×(Z)78m，几何模型的对称面为X＝0。 

边界条件： 

入口边界：速度入口，即给定随高度变化的速度式中为平均风速，v_f(z，t)为随高度变化的脉动风。 

壁面边界：光伏板、楼壁面、屋顶和女儿墙为刚性无滑移壁面，即u_i＝0。 

出口边界：沿流线方向各流动参数的导数为零。 

侧面边界：自由滑移边界条件，即

理论模型： 

采用雷诺应力模型。对N-S方程组进行时间平均，得到不可压缩粘性流体时均方程： 

$\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{{\∂x}_i}=0,\frac{{\∂u}_i^{\′}}{{\∂x}_i}=0,i=\mathrm{1,2,3}$

$\mathrm{\ρ}\frac{D{\stackrel{\‾}{u}}_j}{\mathrm{Dt}}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ρF}}_j}-\frac{\∂\stackrel{\‾}{P}}{{\∂x}_j}+\frac{\∂}{{\∂x}_i}(\mathrm{\μ}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u_i^{\′}{u}_j^{\′}}),i,j=\mathrm{1,2,3}$

式中，ρ为密度，t为时间，P为压力，F为体力，u为速度，为雷诺应力，μ为空气粘性系数，上标“-”表示时间平均值，上标“′”表示脉动值。 

为保证上述方程封闭，本实施例中采用湍流粘性系数法中的(SST)k-ω双方程湍流模型。 

数值模拟方法： 

本实施例中对方程采用有限体积法离散，几何模型共划分为180万个单元，为保证计算精度，靠近结构壁面区域网格逐渐加密。壁面边界层为10层，光伏壁面附近网格划分如图7所示，计算时间t＝30s。 

图8为流场模拟结果，显示的是X＝0平面处的流线图。 

根据数值模拟的结果，得到光伏阵列各排压力云图如图9所示。 

将壁面压力进行面积分并做归一化处理，得到无量纲净力系数C_FN(t)，本实施例中采用Bartlett谱估计法对C_FN(t)进行谱分析，得到净力系数最大主频为0.2Hz，主频范围0-0.53Hz。 

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。 

Claims (10)

1.一种基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法，包括如下步骤：

1)生成脉动风速时程信号；

2)根据光伏阵列区域建立几何模型；

3)给定所建立几何模型的空气参数、初值条件和边界条件；

4)根据气体流动方程建立理论模型；

5)对所建立几何模型进行网格划分，将区域内空气参数，初值和边界条件代入理论模型中，通过数值模拟方法得到流场计算结果；

6)根据计算结果确定光伏阵列各排风荷载大小及风荷载变化主频范围，指导光伏支撑结构的设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)采用脉动风速功率谱密度函数生成脉动风速时程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：优选的，所述基于脉动风速功率谱密度函数生成的脉动风速时程信号利用高斯随机过程方法编制数值计算程序计算求得。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述几何模型为光伏阵列以及光伏阵列所在风场区域内的整个流场域。

5.根据权利要求1所述的方法，所述空气参数指光伏阵列所在区域内的平均风速、Re数、压强和温度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：初值条件为区域内初始风速、空气压强和温度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述边界条件和所述几何模型相关，光伏板及地面为刚性无滑移壁面边界，流体域内含入口、出口及自由边界。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述理论模型采用N-S方程模型、雷诺平均模型或者大涡模拟模型。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数值模拟方法采用有限差分法、有限体积法或者有限元法。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6)中根据计算结果确定光伏阵列各排风荷载大小及风荷载变化主频范围，包括如下步骤：

6.1)将流场计算得出的壁面压力值进行面积分，得到垂直壁面方向的总净力F_N(t)，F_N(t)即为光伏阵列风荷载大小，其随时间变化；

6.2)以参考动压为基准做归一化处理，将F_N(t)做如下变换：式中，C_FN为净力系数，是衡量光伏阵列风荷载大小的无量纲数，ρ_a为空气密度，为区域内平均风速，B、L分别为光伏板的宽度和长度；

6.3)对C_FN(t)进行谱分析，得到净力系数功率谱密度，并以此确定光伏阵列风荷载变化的主频范围。