光伏电站防风设计方案分析

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 朱锐 刘刚

0 引言

风荷载是大型光伏电站中作用力最大的系统荷载。依据安装地点的不同，大型光伏电站可分为大型荒漠电站和BIPV光伏电站两类。无论是哪种光伏电站，其结构设计主要考虑风荷载的影响，并采取必要的防风措施，避免风荷载对光伏电站支架系统的破坏，保证光伏电站的正常运行。本文将几种可行的防风设计方案进行理论分析，研究每种设计方案的特点，并提出适用条件。

1 挡风墙

挡风墙是首先想到的防风设计方案。我国适合建设大型荒漠光伏电站的地区主要在西北地区，一般的主风向为北风和西北风。组件受力主要是垂直于组件平面的正压荷载[1]，北风对支架系统的破坏力最大。为了分析挡风墙的作用，本文以大型流体仿真计算软件Fluent6.3为计算平台，分别建立无挡风墙、挡风墙高1 m、挡风墙高2 m的八阵列组件模型，进行CFD仿真计算[2]。

结构模型为：组件倾角设为36°[3]，离地高度为0.6 m，组件尺寸为1.58 m×0.8 m×0.05 m，组件竖向两排排布；以4块组件(田字组成)为单元阵列建立模型，组件阵列间距为7.5 m；模型均以实际尺寸建立；计算模型阻塞比小于3%，满足CFD仿真计算要求；以组件受北风37 m/s进行模拟计算[4]；挡风墙距离第一阵列2 m。

图1 计算模型示意图

由于计算模型为钝体低速绕流，计算模型选择Fluent6.3中k-eRNG模型。为了使仿真计算收敛，以及得到准确的计算结果，组件近壁面网格加密、尾流区网格加密。结果如图2所示。

图2 挡风墙效果对比

由仿真计算可知：在无挡风墙时，第一阵列正压风荷载最大，后续阵列风荷载显现一定程度波动性；挡风墙高1 m时，第一阵列风荷载降至无挡风墙条件下的80%；挡风墙高2 m时，大幅降低了阵列的风荷载。

由此可见，挡风墙可提高光伏电站的抗风能力。挡风墙离第一阵列距离近，挡风效果显著。因此，在以主风向为北风或西北风的大型荒漠光伏电站设计中，可在站区东、西、北3面外围就近设计1～2 m高的挡风墙，使电站支架系统所受风荷载降低为没有挡风墙条件下的80%，可有效阻挡风荷载对电站的破坏力。

此外，间隔一定距离，应设计挡风墙的侧向支撑，防止挡风墙在极大风荷载情况下垮塌。青海某光伏电站，由于防风墙设计欠合理，在风口处出现垮塌现象。在光伏电站挡风墙的设计中，应在风口处对挡风墙进行加固、加侧向支撑或留有导流口，设计将更为合理。

2 挡风板

挡风板是在支架系统的后立柱上加装带有大量导流孔的薄板，导流孔一般为圆孔。当气流通过挡风板时，气流将由挡风板的开孔通过，挡风板后面出现气流的分离和附着两种现象，来流风速降低，风的动能损失较大；同时避免挡风板前风的涡流，减少风的湍流度。在大风情况下，组件所受正压风荷载大幅降低，风力导致支架系统横梁弯曲应力大幅降低，基础所受拉拔力降低。因此，在支架系统后立柱安装挡风板，可提高支架系统的结构安全性，保证组件不会受到很大风压。

由防风墙阵列风荷载仿真计算可得，第一阵列正压风荷载最大。因此，在大型光伏电站的结构设计中，第一阵列的后立柱加装挡风板，可有效降低组件所受到的风荷载，提高整个光伏电站的抗风强度。需要注意的是，支架系统后立柱安装挡风板，在大风条件下，后立柱的径向剪切力增大、基础所受水平剪切力增大，需重新校核后立柱的抗弯强度和基础的水平剪切强度。

大型荒漠电站和屋顶式BIPV光伏电站均可使用挡风板提高电站抗风能力，屋顶式BIPV光伏电站使用更为广泛。

图3 挡风板示意图

3 防风抑尘网

防风抑尘网是利用空气动力学原理，将开有大量圆孔的防风板，根据现场条件，在整个光伏电站外围组合成网状墙。强风从外通过防风网时，形成上、下干扰的气流，达到外侧强风、内侧弱风，或外侧小风、内侧无风的效果。通过防风网的风会形成湍流和旋涡气流，但此时的风速、风压衰减幅度很大。风速越大，防风网的防风效果越好。同时，由于防风网上有无数圆孔，能起到阻挡沙尘颗粒、减少对组件表面磨损的作用，所以，防风网一般也称为防风抑尘网。防风抑尘网在大型荒漠光伏电站中使用广泛。

图4 防风抑尘网

4 结论

综上所述，挡风墙、挡风板、防风抑尘网的特点和适用范围总结如下：

1)挡风墙：一般可在荒漠电站的主风向上设计挡风墙。在强风作用时，组件整个支架受力、基础拉拔力大幅减少，有一定的抑制沙尘作用。主要用于主风向为西北风的大型荒漠光伏电站。

2)挡风板：固定安装在支架系统后立柱上，挡风板上开有若干导流口，具有导流和降低组件风压的作用。支架系统的横梁受力降低，基础所受拉拔力降低，光伏电站结构安全系数提高。但后立柱受力增大，基础所受轴向剪切力增大，需对基础受力进行校核。主要用于荒漠电站和屋顶式BIPV光伏电站。

3)防风抑尘网：在荒漠光伏电站外围，将大量开有小圆孔的防风板组装成一面透风的网状墙。一个个小孔对通过的风有导流、衰减风压的作用。较强阵风作用时，通过防风网的风速降低，风的动能大幅降低。防风抑尘网具有较好的降低风速、抑制沙尘、保护组件的作用，一般用于环境条件较为恶劣的大型荒漠光伏电站。

本文深入分析了3种光伏电站防风设计方案的特点和适用范围，在光伏电站结构设计中，可根据实际情况，从抗风效果和成本的角度综合考虑，选择适合的光伏电站防风设计方案。

[1](日)太阳光发电协会. 太阳能光伏发电系统的设计与施工[M]. 北京: 科学出版社, 2006, 13-72.

[2] 韩占忠. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M]. 北京:北京理工大学出版社, 2008, 14-150.

[3] 韩斐, 潘玉良, 苏忠贤. 固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究[J]. 工程设计学报, 2009, (5) :350-352.

[4] 王建勃, 朱锐, 何惧. 光伏电站阵列风荷载衰减特性数值模拟[J]. 太阳能, 2013, (15):20-22.