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光伏跟踪器风洞实验的那些事儿(1) | 为什么要做风洞测试

光伏支架10周年

John Smart  小树洞谈光伏支架  引言 目前国际上的跟踪器项目都使用风洞数据进行设计和计算,由于国内的跟踪器市场还不如国际上成熟,所以使用风洞数据进行全面设计的国内跟踪器厂家并不多。很多国内的朋友对风…

John Smart  小树洞谈光伏支架

 

引言

目前国际上的跟踪器项目都使用风洞数据进行设计和计算,由于国内的跟踪器市场还不如国际上成熟,所以使用风洞数据进行全面设计的国内跟踪器厂家并不多。很多国内的朋友对风洞实验往往一知半解,存有很多的疑问。今天小树洞就带领大家一起来学习下,什么是风洞测试,光伏跟踪器为什么要做风洞。

理性的认识必须依赖于感性认识,流体力学理论的检验和发展,必须依赖于流体力学实验。

建筑风洞

我们常常在各种记录片里面听到“风洞”这个名词,但是往往我们看到的大多是下面这种。我们称之为“汽车风洞”。

▵梅赛德斯-奔驰的概念汽车“IAA”

对于光伏跟踪器,也有在类似风洞里做全尺寸(Full Scale)测试的,但是由于跟踪器一般都很长,在这种风洞内也只能做跟踪器一部分的吹风模拟。这样的测试往往只能对流场进行有限的观察,真实测试数据却很难有说服力。

▵PVH全尺寸风洞测试(来源: PV Hardware)

如果想得到实用性更强的数据,则需要进行另一种风洞的测试,我们称之为“建筑风洞”,也称为大气边界层风洞(Atmosphere Boundary Layer Wind Tunnel Test)。那么什么是“大气边界层“呢?

▵RWDI大气边界层风洞

大气边界层

我们知道不管气体也好,液体也好,实际的流体都是有黏性的,流体的黏性是指流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质,也就是摩擦力。当空气流进过一个平板,由于受到平板上的摩擦力影响,在近平板上气流流动速度为零,从近平板到远离平板,速度逐渐增大,从而形成一个速度梯度,就像一个“气流边界”。

▵平板流动上的边界层效应

同样的道理。当气流流过地表面时,会在地面上也形成一个“气流边界”,我们称为“大气边界层”,在大气边界层内气流速度随着高度的增加而增大。

▵大气边界层图例

▵赫尔辛基的大气边界层大涡模拟(来源: Mikko)

建筑风洞就是利用流体的“相似原理”,对缩小的建筑模型进行吹风模拟。在20世纪60年代,Cermark教授和Davenport教授分别在美国科罗拉多大学和加拿大西安大略大学主持建造了长试验段的大气边界层风洞,这可以说是打开了结构风工程一个崭新的时代。

▵Davenport(左)和Cermark(右)与双子塔模型

这也是第一个建筑类风洞测试

对于跟踪器的大气边界层风洞,测试内容主要为以下几项:

  • 静态风荷载测试(Static Test)
  • 动态风荷载测试(Dynamic Test)
  • 气动稳定性测试(Instability Test)
  • 气动弹性测试(Aeroelastic Test)

进行风洞测试是为了获得以下几点信息:

  • 跟踪器静态风荷载压力及扭矩系数
  • 分析跟踪器动态风荷载响应
  • 选择大风时跟踪器的空气动力学外形

讲到这,可能有人会问,建筑荷载规范里面也有对应的压力系数,而且也不是所有的建筑物都做了风洞测试,那么为什么光伏跟踪器还需要进行专门的风洞测试呢?

建筑荷载规范的漏洞

我们在设计跟踪器的风荷载时,计算过程以及取值依据的都是当地荷载规范。其基本形式一般如下:

▵风荷载计算基本公式

这里的压强q乘以Cp值就得到实际作用到跟踪器上的压强,而Cp就是我们通常说的压力系数(Pressure Coefficient),又称体型系数,这也是风洞测试所得的其中一个重要参数,然而各国的荷载规范里面,压力系数有很多的使用缺陷。主要为以下几条:

  • 没有考虑非平衡风荷载
  • 可使用的角度范围过小
  • 缺少南北方向系数分布
  • 没有考虑360°风向的情况
  • 没有考虑多排遮挡效应
  • 没有考虑风致共振效应

下面小树洞带大家详细的分析下。

没有考虑非平衡风荷载

跟踪器为单自由度(one DOF)系统,由于风荷载在跟踪器表面上下部分的作用力大小不同,会产生一个力矩差,作用在转动轴上便形成了一个扭矩(Torsional Moment)。

▵CFD模拟的跟踪器上下表面压差不同

▵上下表面压差不同会产生绕轴的扭矩

有一些荷载规范对跟踪器表面上下部分采用2种不同的系数,我们可以使用这两个数值之差,再乘以系数0.125得到跟踪器主轴上受力所需的扭矩系数。

▵美国规范-ASCE 7的规定的CNW和CNL

▵由CNW和CNL推导出的扭矩系数CM

然而有很多的荷载规范里,跟踪器表面上下部分压力系数为同一个数值,施加到跟踪器组件上则无法形成一个扭矩。

▵日本荷载标准-JIS C 8955规定的系数没有形成组件的压差

可使用的角度范围过小

目前大部分跟踪器转动角度都是+/-60度,但是几乎所有的荷载规范都没有60度的压力系数,有的最大角度只到45度,有的甚至只到30度。

▵欧洲规范-Eurocode 1991-4只有0~30°的系数

而且对于不同角度,跟踪器所受的力和扭矩的大小都有所不同。实验也表明,不同角度上的系数并不是线性相关的。有些荷载规范,对于不同角度的压力系数规定过于简单。比较典型的就是国标风荷载规范。对于小于10度的结构,系数取值相同,而在10°和30°之间使用中间插值,实在过于粗暴。

▵国标荷载规范只有两组系数

缺少南北方向系数分布

通过大量的实验,我们发现对于跟踪器这样的平板模型,长和宽的比例对压力和扭矩系数的分布影响很大。而规范里的体型系数长宽比与跟踪系统差别很大。并且规范里只规定了2维的系数,也就是侧视图上下面系数,对于沿南北轴向方向系数的规定要么没有,要么过于简单,实际上压力系数在南北方向上分布也都不同。

▵很多规范只有左图的系数分布

没有考虑360°风向的情况

大部分规范只提供了正面180度,和背面0度风向的系数,但是实际风速方向是360度概率分布的。有很多不利工况并不来自于正面风向,比如跟踪器悬挑所受弯矩,其不利工况的风向就是侧风(Cross Wind)。

▵风向玫瑰图

▵侧风影响有时可能是致命的

没有考虑多排遮挡效应

跟踪器为多排系统,气体流过前排时,其速度会有衰减,并会产生涡流影响后面排的受力,我们称之为风遮挡效应(Wind Sheltering Effect)。但是荷载规范里只使用单一的压力系数,并没有各个排对应的系数值,如果使用同一个压力或者扭矩系数设计所有排的跟踪器,则不符合实际情况。

▵规范的系数(上图)没有风洞系数(下图)的内外围之分

▵典型的内外围划分(来源:Soltec)

没有考虑风致共振效应

很多规范有条例,如果结构频率高于1Hz,则不需要考虑风的共振效应。但是我们从很多实验和现场事故可以看出,尽管大部分跟踪器的固有频率大于1Hz,但是仍然会与风产生共振。

▵小树洞模拟跟踪器被涡流锁定(VLI)的情况

对于跟踪系统,必须进行合理合规的风洞测试,才能保证计算满足实际项目的要求,而在跟踪器设计之初就进行风洞实验,也已经成为了行业内的共识,所有在国际上展露头角的跟踪器厂家,都相继完成了大气边界层风洞的吹风模拟。

▵小树洞整理的各家跟踪器(右)与对应的风洞机构(左)

 

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作者: 小编

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