一种基于cfd的光伏阵列风荷载预测方法
【专利摘要】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。
【专利说明】—种基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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:
[0005]I)生成脉动风速时程信号；
[0006]2)根据光伏阵列区域建立几何模型；
[0007]3)给定所建立几何模型的空气参数，初值条件和边界条件；
[0008]4)根据气体流动方程建立理论模型；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]进一步，所述步骤I)采用脉动风速功率谱密度函数生成脉动风速时程。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]进一步，所述初值条件为区域内初始风速、空气压强和温度。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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FN(t)，Fn(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FN(t)做如下变换:C』=l?，式中，Cfn为净力系数，是衡量光伏阵列
^Pa' ^BL
风荷载大小的无量纲数，P a为空气密度，V,为区域内平均风速，B，L分别为光伏板宽度和长度，之后对CFN(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。
[0020]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]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；
[0022]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；
[0023]图3为本发明的一个实施例中光伏阵列各排压力云图；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]图7为本发明的一个实施例中近壁面处网格划分示意图；
[0028]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；
[0029]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】
[0030]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。
[0031]实施例1:
[0032]预测某光伏地面电站光伏阵列风荷载的步骤:
[0033]I)生成脉动风速时程信号
[0034]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。
[0035]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。
[0036]Davenport谱的数学表达式为:
[0037]
【权利要求】
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I)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FN(t)，Fn(t)即为光伏阵列风荷载大小，其随时间变化；
Γ Cf、 - ,<N ⑴ .6.2)以参考动压为基准做归一化处理，将FN(t)做如下变换:Q 1-式中，
^ P,,v^blCfn为净力系数，是衡量光伏阵列风荷载大小的无量纲数，Pa为空气密度，L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CFN(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。
【文档编号】G06F19/00GK104200102SQ201410446625
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】黄小东, 张超, 牛斌, 姜涛, 梁宝建, 侯巍, 胡淑晶 申请人:中国建筑设计咨询有限公司