檐口对双坡屋面光伏系统体型系数的影响_孟嘉豪.pdf

中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-112-四星推荐近年来，世界上大部分国家开始重视能源问题，由于环境污染、资源紧张、气候变化等影响，世界能源危机越来越严重。据国家统计局数据显示，在 20102014 年的能源消耗中，这些化石能源占比例稳定保持在 90%以上。为了摆脱对化石能源的过度依赖，我们必须高效的发展新能源。太阳能作为绿色、可持续发展的新能源之一，在我国具有巨大的发展潜力。近些年光伏安装数量庞大，同时也出现了许多安全性问题，其中风的影响是导致光伏系统失效及破坏的主要原因，因此对光伏系统受风荷载的影响研究十分有必要。张建胜等人对布置光伏板的低矮双坡屋面进行数值模拟，分析了倾角及风向角对双坡屋面风压的影响；王京学等人通过风洞试验研究了平屋顶及双坡屋顶光伏系统的风荷载特性，给出了最不利风向角下吸力随附属面积的衰减曲线；为了提高屋顶光伏安全性，可以设置一些附属结构来提高抗风能力，比如王彩玉等人在风洞试验室中研究了不同高度的女儿墙对平屋面光伏阵列风荷载的影响；屋面光伏的安装位置、阵列之间的间隙和安装倾角等都是影响光伏板风荷载的主要因素，张爱社等人通过分离涡模拟的方法研究了以上三种因素，结果表明安装位置及安装倾角对光伏板的风荷载都有影响；Aly Mousaad Aly 等人通过试验研究了两个不同角度的山墙屋顶上分布的光伏板受风荷载特性，结果表明屋顶边缘、屋脊和角落这些区域风荷载较大；Naeiji，Amir 等人通过风洞试验研究表明屋顶屋顶类型及光伏板倾斜角度是影响光伏板峰值压力系数的重要参数；Stenabaugh，S.E等人通过试验分析了双坡屋顶上光伏板单个模块之间的间隙G 以及屋面上方的安装高度 H 对光伏阵列受风荷载的影响。以上学者对不同结构及不同分布的屋顶光伏系统所受风荷载进行了大量研究，并给出了宝贵的意见，但是对于设置有檐口的双坡屋顶光伏系统的风荷载研究较少，本文设置不同长度的檐口通过两个风向对不同倾角的屋面光伏所受风荷载进行研究。几何建模双坡屋顶建筑下部基础结构为长方体，长宽高尺寸DHB 为 14m9m6.6m。上部结构根据屋顶倾斜角度的变化而有所不同，参考光伏发电站设计规范（GB50797-2012）设 4 个屋顶倾斜角度：10、20、30和 40。光伏板的支架结构通常为金属支架，来流的大气对其支架结构影响较小，因此数值模拟中，通常简化支行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度檐口对双坡屋面光伏系统体型系数的影响孟嘉豪 姚剑锋孟嘉豪1 姚剑锋21.安徽建筑大学土木工程学院；2.浙江水利水电学院孟嘉豪（1998），河南洛阳，硕士，研究方向：土木水利。基金信息：立项编号：LGG22E080018。项目名称：屋顶分布式光伏电站的设计风荷载及抗风措施研究。国家自然科学基金学科代码：E080802。国家自然科学基金学科名称：工程与材料科学部/建筑环境与结构工程/防灾工程/风工程。-113-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期四星推荐架设计，将光伏板支架忽略。在双坡屋面一侧设置光伏板，光伏板与屋面呈平行布置，间隙为 5cm，屋面光伏板的尺寸为 db，光伏板厚度为 3.5cm。檐口设置在屋顶的四周，当堰口长度为 0 时，光伏板布置在屋顶的中间，檐口长度增加时，光伏板的位置不变，不同倾斜角度下光伏板边缘与屋顶边缘距离相同。模型相关参数列入表 1，模型设计如图 1所示。表 1 模型参数表d/mb/mL/mh/ml/m2013.64.394.798.240、0.4、0.8、1.2数值风洞模拟方法网格划分为了达到网格质量要求，本文将计算域分为内外两个子区域进行网格划分，分别是靠近建筑模型的圆柱形流场和远离建筑模型的大型长方体流场，整体采用混合化网格进行划分。（1）圆柱内部区域做非结构化网格处理，在建筑物和光伏板表面上设置不同的网格参数及尺度，体网格采用 Tetra/Mixed 非结构网格类型，最终达到由远至近（由远处至光伏板周围）网格尺寸逐渐减小、密集的目的，如图 2 所示。（2）外部长方体流场利用 ICEM 的 O-BLOCK 生成六面体结构化网格。（3）建筑工程风洞试验方法标准（JGJ/T 338-2014）规定风洞实验中建筑模型阻塞率比值建议小于 5%，在数值模拟中要求小于 3%。经计算本文中倾斜角度 为40时存在最大迎风面积及最大阻塞率为 0.3%，因此所有工况均满足最小阻塞率的要求。边界条件及湍流特性本次试验来流面采用入口风速边界（Velocity-inlet），根据上文公式确定入口处风速，按规范规定采用编程导入Fluent 中；出流面采用压力出口（Pressure-outlet）。计算域的顶面和两侧采用兑成边界（symmetry）；计算域的底面和建筑表面包括光伏板表面，采用固壁边界条件模拟无滑移的壁面条件。本次研究采用压力-风速耦合 SIMPLE算法，各项残差收敛标准设置为 10-5。考虑建筑结构及光伏板所在场地的地貌类型及其因素，本文用指数规律来描述离地面不同高度处的风速：00()ZZUUZ=（1）式中：U0为地面 10m 高度处，50 年重现期，10min的平均风速，取 27m/s，Z为离地面高度，Z0为标准参考高度，按照B类地貌取 0.15。湍流度 Iu 随地面高度的变化采用下列理论公式描述：图 3 外部区域网格划分b）光伏板附近网格划分图 2 内部区域网格划分a）圆柱网格划分图 1 模型设计图中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-114-四星推荐10()10UZII=（2）式中：I10为10m高度处名义湍流度，对应B类地貌取0.14。湍流耗散率计算基本公式：23()2ZZkU I=（3）3/23/4ukCl=（4）1/21/4ukwCl=（5）数据处理采用无量纲的风压系数Cp和体型系数s作为结构风压特性的参考依据：0202()ipippCv=（6）pzrsiziC=（7）式中：pi为测点的风压；p0为参考高度处的静压；为空气密度；v0为参考点风速；zi为测点i高度处的风压高度变化系数；zr为参考点处的风压高度变化系数；本次研究得出的数据为光伏板上下表面各个点的数值叠加后的数据。檐口长度对光伏板风荷载的影响0风向角下堰口长度对光伏板风荷载的影响图 4 给出了在 0风向角下，随着檐口长度的改变，倾角为 20光伏板体型系数变化图。由图可知：当双坡屋面建筑檐口长度为 0m 时，屋面光伏板体型系数为 0.07；随着檐口长度的增加，屋面体形系数逐渐增大，檐口长度从 0m 增加到 0.8m 时，体型系数呈倍数增长：1）檐口长度下从 0m增加至 0.4m，体型系数从 0.07 增加至 0.14，变为原来的两倍；2）檐口长度下从0.4m增加至0.8m，体型系数从0.15增加至0.45，变为原来的三倍；3）当檐口长度超过0.8m时，体型系数的变化不大，檐口长度为 1.2m 时，屋面体型系数为 0.47。总的来说，堰口长度增加，屋面光伏板体型系数逐渐增大，及光伏板整体承受下压力，且下压力随檐口长度增加而增大。图 5 给出了 0风向角倾角为 20角度檐口长度为0m、0.4m、0.8m 和 1.2m 的屋面光伏板体型系数等值线分布图，由图可知：1）檐口长度为 0m 和 0.4m 时，如图 5中 a、b，等值线图中存在正、负两个风压区，光伏板迎风前缘和中部呈负压，光伏阵列的短边边缘区域和角区呈正压；2）随着檐口长度的增加至 0.8m 和 1.2m 时，如图 5 中 c、d，光伏板中部的负压区逐渐被削减，短边的角区正压区逐渐增大；3）檐口长度增加至1.2m时，整个光伏阵列被正压所控制。总的来说随着檐口长度的增加，光伏阵列所受负压逐渐减少，且迎风前缘负压减少最为明显，直至屋面给光伏板整体承受正压。图 6 给出了 0风向角下倾角为 20时，檐口长度为0m、0.4m、0.8m 和 1.2m 的风速流线图，以此来解释上图 4 0风向角下光伏板平均体型系数a）l=0mb）l=0.4mc）l=0.8md）l=1.2m图 5 檐口长度为 0m述体型系数变化规律。1）由图 a、b 可知，檐口长度下为0m 和 0.4m 时，气流接触建筑后往上升，出现气泡分离，在迎风侧屋顶形成涡流，涡流覆盖整个光伏阵列，光伏阵列整体呈负压；2）随着檐口长度的增加，由图 c、d 可知，檐口长度下为 0.8m 和 1.2m 时，一部分气流被檐口遮挡，檐口下方承受巨大风压力，直接导致涡流减小，且涡流的位置逐渐向光伏板前缘移动，气泡分离后在光伏阵列上方附着，光伏阵列由负压变为正压；3）背风侧屋面主要由回流所影响，在背风侧屋顶形成一部分涡流。180风向角下堰口长度对光伏板风荷载的影响图 7 给出了在 180风向角下，随着檐口长度的改变，倾角为20的屋面光伏板体型系数变化图。从图中可看出：1）檐口长度的增加对屋面光伏板体型系数影响不大，体型系数均为负值，保持在-0.020.10之间；2）随着檐口长度的增加，屋面光伏板的体型系数有减小的趋势，檐口长度为 0 时，体型系数为-0.02，檐口长度增加至 0.4m 时，体型系数达到最小，数值为-0.10；3）随着檐口长度再增加，体型系数变化差别不大。总的来说，风向角为 180时，光伏板处于背风侧屋面，-115-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期四星推荐屋面光伏板被屋脊遮挡。180风向角下，屋面光伏板大多被负压控制；相比于 0风向角，180风向角下，檐口长度的改变对光伏板所受风荷载影响不大。结语本文针对安装在双坡屋顶上的光伏板开展了数值模拟风洞，研究了在顺风和逆风两种情况下，20斜坡屋面檐口长度对屋面光伏阵列风荷载特性的影响情况及体型系数，主要结论如下：（1）0风向角，光伏板处于迎风侧屋面，随着檐口长度由 0m 增加至 0.8m，屋面光伏板体型系数成倍数增加，且均为正值，光伏板承受下压力，堰口长度增加至 1.2m 时，屋面光伏板体型系数达到最大。（2）180风向角，光伏板处于背风侧屋面，随着檐口长度由 0m 增加至 1.2m，屋面光伏板体型系数有略微下降的趋势；但由于屋脊的遮挡，檐口长度的改变对背风侧屋面光伏板所受到的风荷载影响不大。图 7 180风向角下光伏板平均体型系数d）檐口长度为 1.2m图 6 倾角为 20的风速流线图a）檐口长度为 0mb）檐口长度为 0.4mc）檐口长度为 0.8m