一種基於cfd的光伏陣列風荷載預測方法
2023-06-25 23:05:16
一種基於cfd的光伏陣列風荷載預測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於CFD的光伏陣列風荷載預測方法，包括如下步驟：1)生成脈動風速時程信號；2)建立幾何模型；3)給定所建立幾何模型的空氣參數，初值條件和邊界條件；4)建立理論模型；5)劃分網格，將來流參數、初值和邊界條件代入理論模型中，採用數值模擬方法求解得出流場計算結果；6)根據計算結果確定光伏陣列各排風荷載大小及風荷載響應主頻範圍，指導光伏支撐結構的設計。本發明的預測方法以脈動風影響下的流場理論模型作為基礎，通過數值計算來實現光伏陣列風荷載的預測，在實際中易於操作，可大大降低工程費用。
【專利說明】—種基於CFD的光伏陣列風荷載預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機數值模擬及CAE領域，尤其是一種基於CFD的光伏陣列風荷載的預測方法。
【背景技術】
[0002]隨著不可再生能源儲備的減少及清潔能源需求的增加，國內外對太陽能光伏產業越來越重視。包括歐盟、美國、日本在內的主要經濟發達國家和地區，以及一些新興經濟體，比如南非、印度、巴西等都從能源戰略安全的角度在大力扶持太陽能光伏產業的發展。但是近年來，隨著市場競爭逐漸激烈，帶來的一個顯著性後果是使光伏產業市場空間受到一定程度的壓縮，企業必須降低成本。然而在光伏結構設計中，強風下光伏板所受載荷不容忽視。光伏陣列及整個光伏電站的安全性及穩定性必須建立在對光伏陣列風荷載的準確預測上。上述情況表明，研究和實現光伏陣列風荷載的預測，對保證結構強度、剛度、穩定性的前提下節約成本，特別是光伏產業的安全、健康發展具有十分重要的意義。
[0003]現有的風荷載預測均是採用統計方法，基於《建築結構荷載規範》，採用統一的光伏陣列結構體形係數，並參考工程經驗判定。上述方法受人為因素影響，並且整體採用單一的風荷載結構體形係數，沒有考慮陣列間的遮擋及繞流、漩渦脫落等非定常客觀條件，直接影響了光伏陣列風荷載的預測結果。
【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的問題，本發明公開了一種基於CFD的光伏陣列風荷載預測方法，包括如下步驟:
[0005]I)生成脈動風速時程信號；
[0006]2)根據光伏陣列區域建立幾何模型；
[0007]3)給定所建立幾何模型的空氣參數，初值條件和邊界條件；
[0008]4)根據氣體流動方程建立理論模型；
[0009]5)對所建立幾何模型進行網格劃分，將區域內空氣參數，初值和邊界條件代入理論模型，採用數值模擬方法求解得出流場計算結果；
[0010]6)根據計算結果確定光伏陣列各排風荷載大小及風荷載變化主頻範圍，指導光伏支撐結構的設計。
[0011]進一步，所述步驟I)採用脈動風速功率譜密度函數生成脈動風速時程。
[0012]進一步，所述基於脈動風速功率譜密度函數生成的脈動風速時程利用高斯隨機過程方法編制數值計算程序計算求得。
[0013]進一步，所述幾何模型指光伏陣列排布在風場區域內，整個流場域的形狀及尺寸大小。
[0014]進一步，所述空氣參數指光伏陣列所在區域內的平均風速、Re數、壓強和溫度。
[0015]進一步，所述初值條件為區域內初始風速、空氣壓強和溫度。
[0016]進一步，所述邊界條件和所述幾何模型相關，光伏板及地面為剛性無滑移壁面邊界，流體域內含入口、出口及自由邊界。
[0017]進一步，所述理論模型採用N-S方程模型、雷諾平均模型或者大渦模擬模型。
[0018]進一步，所述數值模擬方法採用有限差分法、有限體積法或者有限元法。
[0019]進一步，所述步驟6)中根據計算結果確定光伏陣列各排風荷載大小及風荷載變化主頻範圍，包括如下步驟:將流場計算得出的壁面壓力值進行面積分，得到垂直壁面方向的總淨力FN(t)，Fn(t)即為光伏陣列風荷載大小，其隨時間變化，然後以參考動壓為基準做歸一化處理，將FN(t)做如下變換:C』=l?，式中，Cfn為淨力係數，是衡量光伏陣列
^Pa' ^BL
風荷載大小的無量綱數，P a為空氣密度，V,為區域內平均風速，B，L分別為光伏板寬度和長度，之後對CFN(t)進行譜分析，得到淨力係數功率譜密度，並以此確定光伏陣列風荷載變化的主頻範圍。
[0020]本發明的基於CFD的光伏陣列風荷載預測方法，首先採用高斯隨機過程基於脈動風速功率譜密度函數生成脈動風速時程信號，然後建立幾何模型並給定初值和邊界條件，之後建立理論模型，採用有限差分法、有限體積法、有限元法等數值計算方法技術進行計算，來實現光伏陣列風荷載的預測。本發明的預測方法以完備的理論模型作為基礎，綜合考慮脈動風影響和漩渦脫落等非定常因素，通過數值計算來實現光伏陣列風荷載的預測，結果可信度高，在實際中容易操作，可指導光伏陣列支撐結構設計，大大降低了工程費用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的一個實施例中模擬的脈動風功率譜與實際譜的對照及風速時程圖；
[0022]圖2為本發明的一個實施例中光伏地面電站數值模擬的幾何模型；
[0023]圖3為本發明的一個實施例中光伏陣列各排壓力雲圖；
[0024]圖4為本發明的一個實施例中固定時刻下淨力係數沿各排變化曲線；
[0025]圖5為本發明的一個實施例中淨力係數時程曲線及功率譜密度；
[0026]圖6為本發明的一個實施例中光伏屋頂電站數值模擬的幾何模型；
[0027]圖7為本發明的一個實施例中近壁面處網格劃分示意圖；
[0028]圖8為本發明的一個實施例中模擬流場的XY平面上一個截面處的流線圖；
[0029]圖9為本發明的一個實施例中光伏陣列各排壓力雲圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合【具體實施方式】對本發明一種基於CFD的光伏陣列風荷載的預測方法的實施方式進行進一步說明。應當理解，下述所有實施例只是本發明的實現或者優選實現方式之一，本發明並不局限於所述實施例。
[0031]實施例1:
[0032]預測某光伏地面電站光伏陣列風荷載的步驟:
[0033]I)生成脈動風速時程信號
[0034]本發明採用脈動風速功率譜密度函數模擬近地大氣湍流邊界層中脈動風湍流能量在頻率域的分布情況。目前，有兩類風速譜描述脈動風，一類對強風觀測記錄進行相關分析，獲得相關曲線和相關函數，再通過傅氏變換求得風速譜的數學表達式；另一類方法，將強風記錄通過超低頻濾波器，直接測出風速的功率譜曲線，擬合出風速譜的數學表達式。第二類方法可以保證較高的精度和可靠性，而且避免了反覆計算過程中的誤差，所求得的風速譜公式物理意義清晰、明確。
[0035]本實施例中脈動風速功率譜密度函數採用第二類方法中的Davenport譜,高斯隨機過程採用自回歸法模擬脈動風速時程。
[0036]Davenport譜的數學表達式為:
[0037]
【權利要求】
1.一種基於CFD的光伏陣列風荷載預測方法，包括如下步驟: .1)生成脈動風速時程信號； .2)根據光伏陣列區域建立幾何模型； . 3)給定所建立幾何模型的空氣參數、初值條件和邊界條件； .4)根據氣體流動方程建立理論模型； .5)對所建立幾何模型進行網格劃分，將區域內空氣參數，初值和邊界條件代入理論模型中，通過數值模擬方法得到流場計算結果； . 6)根據計算結果確定光伏陣列各排風荷載大小及風荷載變化主頻範圍，指導光伏支撐結構的設計。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述步驟I)採用脈動風速功率譜密度函數生成脈動風速時程。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於:優選的，所述基於脈動風速功率譜密度函數生成的脈動風速時程信號利用高斯隨機過程方法編制數值計算程序計算求得。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述幾何模型為光伏陣列以及光伏陣列所在風場區域內的整個流場域。
5.根據權利要求1所述的方法，所述空氣參數指光伏陣列所在區域內的平均風速、Re數、壓強和溫度。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:初值條件為區域內初始風速、空氣壓強和溫度。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述邊界條件和所述幾何模型相關，光伏板及地面為剛性無滑移壁面邊界，流體域內含入口、出口及自由邊界。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述理論模型採用N-S方程模型、雷諾平均模型或者大渦模擬模型。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述數值模擬方法採用有限差分法、有限體積法或者有限元法。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述步驟6)中根據計算結果確定光伏陣列各排風荷載大小及風荷載變化主頻範圍，包括如下步驟: .6.1)將流場計算得出的壁面壓力值進行面積分，得到垂直壁面方向的總淨力FN(t)，Fn(t)即為光伏陣列風荷載大小，其隨時間變化；
Γ Cf、 - ,<N ⑴ .6.2)以參考動壓為基準做歸一化處理，將FN(t)做如下變換:Q 1-式中，
^ P,,v^blCfn為淨力係數，是衡量光伏陣列風荷載大小的無量綱數，Pa為空氣密度，L為區域內平均風速，B、L分別為光伏板的寬度和長度； .6.3)對CFN(t)進行譜分析，得到淨力係數功率譜密度，並以此確定光伏陣列風荷載變化的主頻範圍。
【文檔編號】G06F19/00GK104200102SQ201410446625
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】黃小東, 張超, 牛斌, 姜濤, 梁寶建, 侯巍, 胡淑晶 申請人:中國建築設計諮詢有限公司