追逐太阳的脚步

作者:澳大利亚圣彼得CPP Wind Engineering公司,CFD经理Christian Rohr及运营经理Peter Bourke

通过旋转太阳能电池板来“捕捉”天空中的太阳,太阳能追踪器可增加太阳能电池板发电量。但这些太阳能发电装置在过高的风速下可能受损。CPP Wind Engineering公司采用了仿真技术确定装置的失效原因,同时也探索能防止失效的操作流程和设计改动。

Save PDF
solar panels

追逐太阳的自动旋转式单轴太阳能追踪器与固定式或“固定倾斜式”太阳能电池板相比,其发电量可高出10%到30%。但是,在某些风况下可能会导致太阳能追踪器扭转不稳定,进而造成损伤。受NEXTracker等多家太阳能跟踪系统公司的委托,CPP对这类故障展开调查并研发相应解决方案。为了重建导致跟踪器扭矩不稳定的风况,CPP结合使用了ANSYS Fluent计算流体动力学(CFD)软件与风洞测试。CPP不仅确定了问题的根源,而且还演示了如何通过调节工况和进行设计改动来解决这一问题。

太阳能追踪器

solar tracker diagram

典型的太阳跟踪器配置

单轴追踪器由长轴及安装在长轴上光伏电池板组成,其中长轴也称扭矩管,用于旋转电池板。高刚度的扭矩管可以耐受风力,而且部分追踪器还装有外观类似于汽车减震器的扭矩阻尼器,可大幅减小振动。为了使旋转轴与地面平行,大部分单轴跟踪器都采用贴装方式。扭矩管由按一定间距安装在地面的垂直墩座或支撑柱上。风力较强时,追踪器通常会旋转到天顶位置。传统层面上看,处于天顶位置时板会与地面平行,从而减轻水平风力。但在过去的系列事故中,数家供应商的追踪器在采用这样的放置方式时,其在第一个振动模式下就会发生严重挠曲,即因太阳能板两端反向旋转产生的螺旋扭曲模式。现场报告显示,当面板正反向振荡超过20度时就会损坏追踪器。

在平坦的天顶位置(与地面平行)时,追踪器与飞机机翼类似,当空气动力响应加强叶片的振动时会发生颤振,因此CPP工程师推测追踪器的不稳定可能是由颤振造成的。然而,手册方程的计算结果表明这并不是经典的颤振,因为追踪器的垂直运动受固定间隔支柱的约束,追踪器无法在扭曲的同时上下伏动。此外,手册方程是以与实际条件不符的理想假设为基础,因而它们无法提供准确的结果。例如,大部分与颤振相关的手册方程均以振荡为基础,而方程中的振荡远比太阳能追踪器现场报告的轻微。

仅凭CFD或风洞测试无法完整地解读这些现象。空气弹性风洞测试不能显示造成不稳定的流动机制,而且能按此方法进行测试的几何结构与风况非常有限。CFD适合模拟众多不同的设计点和几乎所有的几何结构或条件,但在用于解决新的问题时,需要与物理测试结果进行比较和验证。此外,CFD还能比风洞测试更深入地研究物理场,并提供压力和速度模式,以显示导致追踪器运动的流动模型。

time series rotation

Time series of rotation for various design points

CFD平面化建模

vortex
在仿真进行到0.30秒时,板的上侧会形成涡旋。
vortex separates
在0.55秒时,涡旋与板分离,向上的力矩下降至零。
panel rotation
在0.77秒时,跟踪器面板的前缘向下旋转,同时在下边缘形成涡旋。
vortex separate rotation
在0.90秒时,涡旋已分离,而且前缘开始向上旋转。

CPP工程师希望通过评估众多不同的设计点,以告知客户每个设计点的稳定性。为了加快求解速度,他们决定采用2D CFD模型。虽然这一模型不能重现太阳能追踪器真实的3D扭转,但CPP工程师通过校准2D模型的刚度和阻尼,使之与在风洞测试和现场的真实3D跟踪器的行为相匹配。

在CFD模型中,太阳能面板的安装高度能保证其在旋转时不会接触地面。面板采用大约50万个四边形单元进行网格划分,并在面板的周边和尾迹区进行网格细化。工程师采用了易实现的k-ε湍流模型观察不稳定情况的阈值。为了确定追踪踪器的稳定性,他们用最少的计算资源进行了10秒的瞬态仿真。

工程师将该模型的运动方程嵌入到用户定义的函数(UDF)中,并采用UDF来计算仿真中每个时间步的结构挠度,显著减少了仿真的计算量。将UDF计算结果反馈回CFD求解器,CFD据此调整旋转网格,进而改变追踪器的位置以响应挠曲。这种方案可以快速提供合理的结果。

通过改变风速、风向、仰角、结构刚度和跟踪器的阻尼,工程师在ANSYS Workbench中创建了相应的设计点(参数)表格。随后,他们在设计参数表格中输入了他们想要研究的参数。接下来,为了评估每个设计参数并跟存储结果,工程师还使用Workbench自动化建模及进行CFD仿真。

自然通风策略

此外,CPP工程师还多次利用风洞测试和CFD的互补优势提升内部空间的舒适度。虽然就测量城市风速和湍流的准确度而言,风洞测试的确是最适合的工具,但户外空间主要受雷诺(Reynolds)数的限制。CPP工程师将风洞压力测试与内部空间CFD研究相结合,以确认无法开展风洞测试的内部空间的舒适度。此外,这种计算模型还能评估风洞无法测量的由居住者、设备和阳光产生的热载荷。

风洞测试验证仿真

与此同时,工程师还创建了与2D CFD模型的几何结构相匹配的物理截面模型,并将其可变刚度扭转弹簧与CFD模型的刚度和阻尼进行匹配。工程师将物理模型水平放置在CPP的风洞大气边界层。将弹簧连接至旋转的轴上,并使用激光传感器对转角进行测量。风洞模型与CFD结果吻合良好,从而确保使用CFD模型可以准确地评估备选设计方案。接下来,工程师创建3D CFD模型以进行不同关键设计参数的稳态仿真,检查这些参数的行为是否与2D CFD模型相匹配。此外,他们还构建了全三维的空气弹性风洞模型,可进一步验证2D和3D CFD模型。结果表明,所有的仿真和测试结果匹配良好。

solar panel wind tunnel testing

用于风洞测试的模型

solar panels

风夹雨

wind-driven rain simulation

风夹雨的CFD结果

另外,CPP工程师也通过CFD与风洞测试的有机结合,确定了雨蓬下和靠近建筑物入口处的湿斑程度。他们同时使用了ANSYS Fluent中的离散颗粒模型和Eulerian多相策略,并将预测的流场与并行进行的行人风洞测试做比对,以验证或缩放CFD结果。

Simulation of solar panel rotation

确认不稳定的诱因

仿真结果显示,当追踪器处于水平位置时,在追踪器的前缘上会形成涡旋,从而产生跨越中轴的巨大力矩。该力矩会造成追踪器扭曲,而且一旦发生扭曲,则流动分离的规模会增大,进而严重突起的区域会越过轴的中点。随着涡旋从追踪器脱离,力矩又会骤降至零,这时追踪器弹回平坦状态,这样追踪器的前缘又会开始向下沿着风向扭曲。随后,涡旋又会在前缘下侧形成,并重复上述过程。仿真显示出这种不稳定性的原因是扭转发散,而且很难使用阻尼去解决。

仿真结果显示仅在部分全跨度力矩参与涡旋脱离的情况下就会激发第一振型扭曲,而且在几个周期内扭曲幅度就会很大。CPP工程师还在不同条件下进行了仿真,并根据时间线的结果确定追踪器的稳定性。

simulation vs. wind tunnel

仿真与风洞测试对比所确定的临界风速

通过对各种条件下的追踪器进行仿真,可以发现系统存在一个临界速度,一旦系统超过临界速不稳定情况会一直发生。仿真结果表明,很多情况下可以通过让追踪器与地面保持一定的角度而非平行状态,可以避免不稳定情况。但是倾斜追踪器可能引起涡流锁定的不稳定性,即涡流交替从跟踪器的背风面脱离。同时,增大倾斜度还会引起抖振,加大静态负荷和动态激励。而这些问题可通过提高跟踪器的刚度和阻尼得到解决。

CPP工程师为客户提供了追踪器的角度、风速和风向图,说明不同类型的追踪器适合何种天气和运行条件。此外,他们也对升级跟踪器的刚度和阻尼所产生的结果提供了指导性说明。本项目通过将CFD和风洞测试相结合,可为单纯依靠测试或仿真难以或无法解决的问题提供典型的解决方案。另外,风洞测试还可用于验证2D和3D CFD模型。另一方面,CFD使准确的原因确认和问题解决成为可能。工程师能在有限的时间内评估众多不同的设计参数,同时还可为每个参数提供大量的诊断信息。

CPP Wind得到ASYS渠道合作伙伴LEAP Australia的支持。

点击下方与 ANSYS 取得联系

联系我们
Contact Us
联系我们