引用格式: Jia, G., Ma, C., Zhao, Y., Sun, Y., Liu, H. 2024. Numerical study on the sensitivity of photovoltaic panels to wind load on array layout. Sustainable Horizons 11, 100101.
近日，大连理工大学赵云鹏教授团队在 Sustainable Horizons 特刊 Ocean Energy 发表研究文章，针对海上浮式光伏系统受风载荷影响引起的结构稳性问题，采用计算流体力学数值方法，研究了高雷诺数条件下风载荷对安装在海上浮式光伏平台上的六种光伏阵列结构配置的影响，重点分析并解释了不同布局结构下光伏板所受风载荷的差异，包括速度和压力分布、涡量场、光伏板的升力和阻力系数特性等，旨在为海上光伏系统光伏组件抗风设计提供参考。
Graphic Abstract
研究背景
Background
太阳能作为一种清洁、无污染、易获取的可再生能源，越来越受到人们的青睐。据统计，太阳能光伏发电已成为可再生能源领域的主要组成。然而，由于土地资源有限，太阳能光伏发电已逐渐从陆地转向海洋。有研究表明，由于海风和海面水汽蒸发冷却，近海光伏系统的性能可比陆地系统提高 13%。DNV GL（挪威船级社）最近也发布报告称，预计到 2030 年海上浮动光伏系统将趋于成熟。因此，海上光伏产业具有巨大的发展潜力，同时也面临着挑战。特别是在极端台风天气下，光伏板会受到较大的风荷载作用，可能对浮式平台的非线性运动响应产生叠加效应，甚至可能导致光伏平台的倾覆。因此，海上浮式光伏平台设计需要考虑其抗风性能。
Fig. 1 Offshore floating photovoltaic modules are damaged by typhoons.
研究方法
Method
在本研究中，假设光伏板周围的流场为不可压缩的恒定密度流体。对于不可压缩的粘性流体，可以用质量和动量守恒的 URANS 方程来描述。考虑到壁面剪应力的影响，需要对边界层进行求解。本研究采用雷诺应力湍流模型（RSM）来精确获取初始剪切层中的湍流动能增长率。该模型考虑了应力和应变特征向量之间的应力各向异性。与双方程 k-ω 和 k-ε 湍流模型相比，雷诺应力湍流模型在计算平均流动特性和所有雷诺应力方面更为精确。为求解控制方程，采用了结构网格有限体积法（FVM），用数值网格将偏微分方程离散化，计算域被划分为正交六面体网格。
Fig. 2 Solar photovoltaic array geometric model
如下图所示，计算域为长 20 L、宽 6 L、高 4 L（L为光伏板的垂直投影长度）的长方体。关于初始边界条件设置，在入口边界选择定常速度入口边界条件，在出口边界选择均匀零压力梯度的压力出口边界条件，在计算域两侧以及底部选择无滑移壁面边界条件，在顶部选择无剪切力壁面边界条件，光伏板表面取无滑移壁面边界条件。
Fig. 3 Computational domain and boundary conditions
为求解偏微分方程，有必要使用结构网格的有限体积法（FVM）对方程进行离散化。方程离散化是指将偏微分方程转化为非线性代数方程。具体求解步骤如下：首先，采用压力联结方程半隐式方法（SIMPLE）方案对对流项进行离散化，有效地解决了压力-速度耦合问题。压力项采用二阶上风差分方案进行空间离散。时间项的离散化采用二阶隐式差分方案。最后，采用高斯-赛德尔迭代法求解离散代数方程，迭代的收敛标准设定为 10-6。为确保计算的稳定性和收敛性，有必要定义数值模拟的收敛条件。数值模拟的收敛条件应根据 Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) 数设定，Courant 数应控制在 1 以下。
Fig. 4 The schematics of the hexahedral grids. (a) and (c) The front and side view of computational domain, (b) The prism layers around the solar photovoltaic panel.
结果与讨论
Result and Discussion
本研究的实施和数据分析得出以下主要结论：
涡量分布：阵列光伏板的尾流涡旋由两种涡结构组成。一种是来自光伏板左右两侧的连续尾涡，另一种是来自光伏板中心处发生涡脱的形成。
Fig. 5 The vortex structure around the solar panel
压力分布：无论如何布置型式，SP1 所承受的风荷载始终高于其他光伏板，且其上的压力分布规律均相似。
Fig. 6 Pressure coefficient of solar panel
升阻力特性：与阻力的影响相比，升力带来的影响对光伏板的布置更为关键，主要影响因素是升力方向的异向性引起的平台不平衡（主要与光伏电池板的安装方向有关）。
Fig. 7 (a) Drag coefficient of solar panel (b) Lift coefficient of solar panel
总结与展望
Summary & Prospect
文章通过数值模拟研究，展示了海上浮式光伏系统抗风设计的必要性。通过物理建模、CFD模拟、风动试验验证等手段对高雷诺数风荷载作用下的海上浮式光伏系统阵列光伏组件进行分析，明确了光伏组件布置型式对系统周围流场特性和受力特性的影响机制。同时，运用静态分解方法考虑了风浪联合作用对光伏组件受力特性的影响，而这种方法无法求解浮式光伏平台动力学问题。对此，作者将在未来的研究中开展风浪流联合作用下浮式光伏系统水动力响应研究，从浮式光伏平台抗风、减摇等设计角度实现优化，助力解决目前海上浮式光伏造价高昂的问题。
综上所述，作者采用 CFD 方法对太阳能光伏阵列周围的流动特性进行了数值模拟，研究分析了光伏板阵列布置对浮式太阳能光伏阵列平台的影响，为海上浮式光伏系统抗风设计提供了有益的参考和借鉴。
赵云鹏，大连理工大学教授、博士生导师。就职于海岸和近海工程国家重点实验室，主要从事海洋资源和能源工程与装备研究工作：深远海设施养殖工程与装备、海洋牧场与生态修复工程、海洋新型结构防灾减灾与安全评估、海上风电、漂浮式光伏及与海洋牧场融合开发工程、智慧渔港规划与建设、智能化和信息化运维与检测装备的开发等。
入选教育部长江学者特聘教授（2022年）、国家优秀青年基金（2018年）、Elsevier中国高被引学者（2014-2018年）、美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单（2022年）、辽宁省学术头雁、辽宁省优秀科技工作者、大连市领军人才等。担任水产领域top期刊Aquacultural Engineering副主编等期刊编委。主持国家自然科学基金6项，各类纵向科研项目20余项。发表学术论文120余篇，被SCI收录100余篇，国家发明专利授权20余项。
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Sustainable Horizons 是由宁波东方理工大学（暂名）、中国环境科学学会与爱思唯尔合作出版的开放获取期刊。期刊聚焦当前可持续发展研究热点，对标 SDGs，接收包括但不限于可持续环境/技术/健康/管理相关方向的优质研究成果。期刊现已发表多篇来自五大洲二十余个国家的高水平论文，文章普遍受到国内外的广泛关注，总下载量近八万次，全文浏览量近二十万，每篇文章平均引用次数超十次。
期刊已被 ESCI、Ei Compendex、GEOBASE、Scopus (CiteScore 6.6, CiteScore Tracker 7.7)、CNKI 等数十家国内外主流数据库收录，将于 2025 年 6 月迎来首个影响因子（IF）。当前一审时间约为 3 周，对于 2024 年 12 月 31 日以前接收的论文，将由期刊提供免费开源出版、图表美化以及语言润色服务。
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