第２３卷第６期２０１０年”月
文章编号：１００２－６６７３（２０１０）０６—０２０－０３
机电产品开簋与纠新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ
Ｖ０１．２３．Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２０１０
某光伏发电系统风载计算及改进
胡仁海，谢超，秦丽萍，陈军峰
（第七一三研究所，河南郑州４５００１５）
摘
要：利用ＦＬＵＥＮＴ成熟数值计算方法，对某光伏发电系统进行了风栽计算，得到了系统在极限风力下
的受力情况，根据计算结果，提出了改进方案，并对改进设计前后的风载进行了对比，验证了改进设计方案的正确性，对设计具有一定的指导及参考价值。
关键词：光伏；太阳能板；风载中图分类号：ＴＫ５１４
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１０．０６．００８
ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒＯｎｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍ
ＨＵＲｅｎ－Ｈａｉ，ＸＩＥ
Ｃｌｍｏ，ｑ／ＮＬｉ－Ｈｎｇ，ＣＨＥＮＪｕｎ－Ｆｅｎｇ
口１３ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ４５００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｉｎｄｌｏａｄｆｏｒ
ｏｎｅ
ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ
ｔＯ
ｓｙｓｔｅｍｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＦＬＵＥＮＴｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ，狃ｉｍｐｒｏｖｅｄｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｗｉｎｄｌｏａｄｓｉｎ
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ｌｉｍｉｔ
ａｎｄ
ｗｉｎｄｆｏｒｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ｏ咄删ｄｅｓｉｇｎ
ｉｍｐｒｏｖｅｄｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｃｈｅｍｅＷａＳｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓ
ｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ．
ｇＩｌｉｄｅａｎｄｈｃｌｐ
ｔＯ
ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｐｈｏ－
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ；ｓｏｌａｒｐａｎｅｌ；ｗｉｎｄｌｏａｄ
Ｏ引言
通过太阳能电池将资源无限、清洁干净的太阳辐射能转换为电能的太阳能光伏发电。是新能源和可再生能源家族的重要成员之一。近年来。太阳能光伏发电产业发展飞速，专家们预言，到２１世纪中叶，太阳能光伏发电将发展成为重要的发电方式．在世界可持续发展的能源结构中占有较大比例。
某光伏发电系统安装于海边城市楼顶。经常有台风等自然灾害。光伏组件需承受较大的风载。因此需要对光伏组件进行风载计算，确保设计的正确性。
毫
醯宣
图１光伏组件安装示意图
Ｆｉｇ．１
Ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ
被破坏，即无风时楼顶所受平均载荷。＜７０ｋｇ／ｍ２，存在风载时楼顶所受平均载荷≤９１ｋｇ／ｍ２。
２风载计算
２．１模型建立及边界条件
按照初步设计方案．每组光伏组件由两块太阳能板
：
及支架构成，太阳能板固定在支架上，两块之间的距离为２０ｍｍ，单块太阳能板的尺寸为（１９７０ｘ９９９）ｍｎｌ，厚度５０ｎｕｎ。在实际工程中，由于支架只对太阳能板起固
１风载设计要求
（１）太阳能板与楼顶的夹角为１３。，太阳能板的下沿与楼顶平面的距离，＞４００ｍｍ，其安装示意如图１所示。
（２）光伏组件在最大瞬时风速为４２ｍ／ｓ的条件下不倾覆。
（３）楼顶不允许打孔，同时必须保证楼顶的结构不
。。。。。。。。。。。。１。１。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。１。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。‘‘。。。‘。。。。‘‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。１１。。１。’。。’’’’‘’。。１。一
定作用，其迎风面积很小。对流场的干扰作用很有限，
为减化计算模型。在模型中将光伏组件进行了简化，不考虑支架对流场的作用。建立的流场区域大小为（９）（５×
收稿日期：２０１０—０９—０３
作者简介：胡仁海（１９８０－），男，工程师。主要从事机械设Ｉ计工作；谢超（１９７６－），男，高级工程师。主要从事新能源：开发工作。：
２．４）ｍ。在实体模型建立之后．对模型进行了网格划分，考虑到太阳能板与地面有１３０夹角、计算精度、计算时间
－开发与创新・
性进行计算．以确定此方案能否保证光伏组件不倾覆并且楼顶的结构不被破坏。已知光伏组件自重ｍｏ＝１２５ｋｇ。即Ｇ０＝１２５ｘ９．８＝１２２５（Ｎ）。当正面来风（风速４２ｍ／ｓ）时。光伏组件对楼顶的平均载荷为：
等因素。将模型切分成三部分，中间部分为Ｔｅｔ／Ｈｙｂｆｉｄ—ＴＧｒｉｄ四面体非结构化网格．其余部分为Ｈｅｘ—Ｍａｐ六面体结构化网格，模型网格共计６４３５５４个，如图２所示。
在网格划分完后。进行了边界条件设置。模型中地面和太阳能
圈２模型网格图
板为ｗａｌｌ边界条件，
ｍｏｄｌｅ
８＝１卫＝—蒜Ｌ＝６６・３（ｋｇ／ｍ２）
时且１２５＋．百２４０２
（１）
式中：Ｓ－－每组光伏组件在楼顶上的占用面积。当背面来风（风速４２ｍ／ｓ）时。光伏组件受到风的阻力ｆ２、升力Ｆ２，自身重力Ｇｏ，当组件不发生倾覆时，还存在地面支反力ＦＮ、摩擦力ｆｏ等，当组件发生倾覆时，需要在支架远端增加配重块，则还受到配重块的压力Ｇ口，根据平面力学平衡方程。在图ｌ中以Ａ点为转动支点，光伏组件必须同时满足力及力矩的平衡条件：
Ｆｉ啦Ｇｒｉｄ
ｍ叩ｏｆｔｈｅ
其余为ｖｅｌｏｃｉｔｙ＿ｉｎｌｅｔ边界条件。
２．２计算结果
利用ＦＬＵＥＮＴ成熟数值计算方法．对光伏组件进行了风载计算。选用了ＤｅｎｓｉｔｙＢａｓｅｄ求解器、Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｕ．ｍａｌ＊ａ８（１ｅｑｎ）湍流模型。为获得光伏组件风载，需要对太阳能板背面来风及正面来风两种情况下的受载进行
计算．并选取最恶劣条件作为计算工况。同时假设极限
风速下风向与风速不变，因此，根据风向不同，对ｖｅ．１０ｃｉｔｙ＿ｉｎｌｅｔ边界条件设置了±４２ｍ／ｓ两种风速。通过计算获得了正面来风、背面来风条件下光伏组件的风载。图３为两种情况下太阳能板的压力分布图，计算后提取了整组太阳能板所受到的阻力及升力（阻力为与风向平行
乙Ｆ＝ｆ２＋Ｆ２＋Ｇｏ＋ＦＮ＋ｆｏ＋Ｇｐ－－－０乙Ｍ－－－ｆ誓ｌ＋乃蜘Ｇ０蚺ＦＮｆ—ｑ３＋Ｇ矗＝０
（２）
（３）
式中：Ｚ。、如、如、知、如、乙分别为转动支点Ａ到对应力的力臂，由式（２）、（３）及已知条件可得，如果不增
加配重块。光伏组件将发生倾覆。为使组件不发生倾
覆，至少需要在支架远端增加质量ｍ配＝１５９．２ｋｇ的配重块。加配重块后正面来风极限情况下光伏组件对楼顶的平均载荷：
正面极限风速下太阳能板压力云田背面极限风速下太阳能板压力云图
８配＝—一＝——两—坠＝９４．９（ｋｇ／ｍ２）
１２５＋１５９．２＋．２ｎ４０。２—
１Ｉｌ—ｍ配＋！Ｌ
此时光伏组件对楼顶的平均载荷超过了９１ｋｇ，ｍ２的
图３极限风速下太阳能板压力云图
Ｆｉ９３
上限要求，所以该方案有待进一步改进。
Ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅｌｉｎｌｉｍｉｔｗｉｎｄｆｏｒｃｅ
２．４方案改进
根据上述节计算可知，当背面来风时，使光伏组件有一个向上的较大的分力。该分力的倾覆力矩使光伏组
表１太阳能板受力表
Ｔａｂ．１Ｌｏａｄ
ｏｎ
ｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅ
升力（Ｎ）
Ｆ１＝一２４０２Ｆ２＝２４７１
阻力（Ｎ）
正面来风４２ｍ／ｓ背面来风４２ｍ／ｓ
ｆｉ＝７１５ｆ≥一７１１
件极易产生倾覆。使得支架远端需增加一个较大的配重块．最终光伏组件在正面来风极限情况下对楼顶的平均载荷超过了上限要求。因此，要使改进方案合理可行，必须能够大大减小向上的升力，从而减小配重块的质量。根据上述分析，提出了在太阳能板背面支架上安装挡风板的方案，挡风板的宽度与支架同宽，如图４所示。
注：表中负号表示力的方向与坐标轴正向相反
的力，升力为与风向垂直的力），结果见表ｌ。
从表ｌ中可以看出．正面、背面来风所受到的阻力与升力基本相当，只是风向不同所受到的力的方向相反。当正面来风时，阻力向右，升力向下，使光伏组件对楼面产生一个正压力，此时如果正压力过大，楼顶受力将超过规定载荷；当背面来风时，阻力向左，升力向上．使光伏组件有一个向上的分力，此时更易发生倾覆。所以，应该对光伏组件的稳定性进行计算。
２．３光伏组件稳定性计算
根据前面的流体仿真计算结果，对光伏组件的稳定
图４增加挡风板后光伏组件安装示意图
Ｆｉｇ．４Ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍａｌｔ盯ａｄｄｉｎｇ耐ｎｄｓｈｉｅｌｄ
２１
・并发与创新・
２．５方案改进后风载及稳定性计算
对改进后的方案采取了同样的计算方法分别计算了极限风速条件下，正面、背面来风光伏组件的风载。图５为改进方案两种情况下太阳能板的压力分布图．计算后提取了整组太阳能板所受到的阻力及升力。表２为改进前后对比分析表。
１２７４Ｎ。
先计算背面来风（风速４２ｍ／ｓ）时，风载荷产生的倾覆力矩，确定是否需要增加配重块，同样利用２．４中的计算方法，为使光伏组件不发生倾覆，至少需要在支架远端增加ｍ配，－９３．５ｋｇ的配重块。
加配重块后正面来风极限情况下。以Ｂ点为转动支点，根据平面力学平衡方程计算可知，地面对光伏组件有一个向上的支反力．即对其产生一个顺时针力矩（对转动支点Ｂ而言），所以光伏组件在正面来风极限情况下不会倾覆。
加配重块后正面来风极限情况下光伏组件对楼顶的
改进后正面板限风递Ｆ太阳髓扳压力石圈改进后背面极限风速下太阳能板压力云图
平均载荷：
图５改进方案极限风速下太阳能板压力云图
Ｆｉｇ．５Ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅｌ
ｗｉｎｄｆｏｒｃｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｌｉｍｉｔ
‰：华：—１３０＋９丽３．５４
８”配＝里唼等卫＝４０．１（ｋｇ／ｍ２）
８’配＝——ｉ—Ｌ＝——Ｔ百兰Ｌ．
无风时光伏组件对楼顶的平均载荷为：
１匝６２５＝６９．８（ｋｇ／ｍ２）
表２改进前后太阳能板受力对比表
Ｔａｂ．２
ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅＩｏａｄ
ｏｎ
ｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅｌ
升力（Ｎ）
ＦＩ＝一２４０２Ｆｌ，．一１６２５
阻力（Ｎ）
正面来风４２ｍ／ｓ
改进后
背面来风４２ｍ／ｓ
改进后
ｆ２，－一１１３３
注：表中负号表示力的方向与坐标轴正向相反
改进前
ｆｆ＝７６１
综上所述．改进后的光伏组件在增加一定配重块后，正面、背来极限来风的情况下均不会发生倾覆，楼顶平均载荷在无风及最大风力条件下均满足设计要求。本方案合理可行。
改进前ｆＩ＝７１５
ｆ≥一７１１
咕２４７ｌ
Ｆ’，＝１１２２
３结束语
本文利用ＦＬＵＥＮＴ成熟数值计算方法。对某光伏发电系统进行了风载计算，根据计算结果，提出了相应的改进方案，经过计算。改进后的方案合理可行，符合计算要求。在现实工程中具有较高的应用价值。参考文献：
【１】王福军．计算流体动力学分析［Ｍ】．清华大学出版社，２００４．
［２】王长贵，等．太阳能光伏发电实用技术【Ｍ】．化学工业出版社，２００９．
从表２可以看出。改进后正面来风的阻力略有增大。而升力由于改变了空气在太阳能板背面的绕流效果有较大的减小；当背面来风时，改进方案的阻力由于对空气没有导流作用有所增加。但升力按照改进预期有了明显减小。经进一步计算减小了５５％。以下按照前面节方法对光伏组件稳定性进行计算：
已知光伏组件自重ｍｏ’＝１３０ｋｇ，即Ｇ０７＝１３０ｘ９．８＝（上接第２４页）磁阀，这样既可满足功能也可节省成本。每套卫生间可节省２个两通电磁阀，费用近５００元人民币。
目前灰水收集箱、水箱和污物箱是依据铁路市场产品设计的。因此材料均使用ＳＵＳ３０４不锈钢，该种材料坚固耐用．耐腐蚀性好．不足之处在于价格偏高。产品进入量产阶段．灰水收集箱和水箱材料可使用ＰＥ来降低生产成本。ＰＥ基本分为三大类，即高压低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和线型低密度聚乙烯。薄膜是其主要加工产品，其次是片材和涂层、瓶、罐、桶等中空容器及其它各种注塑和吹塑制品、管材和电线、电缆的绝缘和护套等。城市移动卫生间在使用过程中不存在频繁的震动冲击，因此ＰＥ在不承受交变载荷条件下完全可以替代金属材料，另外ＰＥ箱体的模具结构比较简单。一般ＰＥ箱体模具多为吹胀模具或回转模具，成型费用低廉。国内制造的ＰＥ箱体的寿命一般约为８年．可以满足使用要求。
４结论
本文在深入研究了真空式移动卫生间的工作原理的基础上，介绍了真空式移动卫生间的组成，给出了灰水收集系统和便器集装盘等关键部件的布局图．对真空式移动卫生间技术提出几点改进措施，为以后的移动卫生间设计提供了技术参考。参考文献：
［１】１王文斌．机械设计手册【Ｍ１．北京：机械工业出版社，２００４．［２】周敬宣。等．真空下水管道系统【Ｊ】．中国给水排水，１９９８，１．
【３】周敬宣，等．粪便真空输送管网与真空站参数的研究与设计叨．给水排水，２００２，５．
【川左光应．浅谈室外真空排水系统阴．工程设计与建设，２００５，３．【５】易柏军．长途客车真空卫生间气路及水路系统关键部件标准化研
究【Ｄ】．２００８．
某光伏发电系统风载计算及改进
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
胡仁海， 谢超， 秦丽萍， 陈军峰， HU Ren-Hai， XIE Chao， QIN Li-Ping， CHEN Jun-Feng
第七一三研究所,河南,郑州,450015
机电产品开发与创新
DEVELOPMENT & INNOVATION OF MACHINERY & ELECTRICAL PRODUCTS2010,23(6)
参考文献(2条)
1. 王长贵 太阳能光伏发电实用技术 20092. 王福军 计算机体动力学分析 2004
本文读者也读过(5条)
1. 沈文军. 沈琦. SHEN Wen-jun. SHEN Qi 大型天线舱风载作用下力学特性及稳定性分析[期刊论文]-机械设计与研究2010,26(3)
2. 庄绍宁. Zhuang Shaoning 泉州火车站站前大桥桥头堡风载作用分析[期刊论文]-城市道桥与防洪2010(1)3. 张传斌. 杨邦成. 姚激. ZHANG Chuan-bin. YANG Bang-cheng. YAO Ji 标志牌杆在风载作用下的有限元分析[期刊论文]-科学技术与工程2011,11(12)
4. 李建华. 马力. 宋发宝. Li Jianhua. Ma Li. Song Fabao 雷达天线座车车架风载响应分析[期刊论文]-工程与试验2010,50(3)
5. 潘三博. 郝夏斐. FIAN San-bo. HAO Xia-fei 基于永磁同步电机的太阳能跟踪系统研究[期刊论文]-制造业自动化2011,33(11)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jdcpkfycx201006008.aspx
第２３卷第６期２０１０年”月
文章编号：１００２－６６７３（２０１０）０６—０２０－０３
机电产品开簋与纠新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ
Ｖ０１．２３．Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２０１０
某光伏发电系统风载计算及改进
胡仁海，谢超，秦丽萍，陈军峰
（第七一三研究所，河南郑州４５００１５）
摘
要：利用ＦＬＵＥＮＴ成熟数值计算方法，对某光伏发电系统进行了风栽计算，得到了系统在极限风力下
的受力情况，根据计算结果，提出了改进方案，并对改进设计前后的风载进行了对比，验证了改进设计方案的正确性，对设计具有一定的指导及参考价值。
关键词：光伏；太阳能板；风载中图分类号：ＴＫ５１４
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１０．０６．００８
ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒＯｎｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍ
ＨＵＲｅｎ－Ｈａｉ，ＸＩＥ
Ｃｌｍｏ，ｑ／ＮＬｉ－Ｈｎｇ，ＣＨＥＮＪｕｎ－Ｆｅｎｇ
口１３ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ４５００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｉｎｄｌｏａｄｆｏｒ
ｏｎｅ
ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ
ｔＯ
ｓｙｓｔｅｍｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＦＬＵＥＮＴｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ，狃ｉｍｐｒｏｖｅｄｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｗｉｎｄｌｏａｄｓｉｎ
ａ
ｓｔｒｅｓｓ
ｉｎ
ｌｉｍｉｔ
ａｎｄ
ｗｉｎｄｆｏｒｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ｏ咄删ｄｅｓｉｇｎ
ｉｍｐｒｏｖｅｄｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｃｈｅｍｅＷａＳｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓ
ｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ．
ｇＩｌｉｄｅａｎｄｈｃｌｐ
ｔＯ
ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｐｈｏ－
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ；ｓｏｌａｒｐａｎｅｌ；ｗｉｎｄｌｏａｄ
Ｏ引言
通过太阳能电池将资源无限、清洁干净的太阳辐射能转换为电能的太阳能光伏发电。是新能源和可再生能源家族的重要成员之一。近年来。太阳能光伏发电产业发展飞速，专家们预言，到２１世纪中叶，太阳能光伏发电将发展成为重要的发电方式．在世界可持续发展的能源结构中占有较大比例。
某光伏发电系统安装于海边城市楼顶。经常有台风等自然灾害。光伏组件需承受较大的风载。因此需要对光伏组件进行风载计算，确保设计的正确性。
毫
醯宣
图１光伏组件安装示意图
Ｆｉｇ．１
Ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ
被破坏，即无风时楼顶所受平均载荷。＜７０ｋｇ／ｍ２，存在风载时楼顶所受平均载荷≤９１ｋｇ／ｍ２。
２风载计算
２．１模型建立及边界条件
按照初步设计方案．每组光伏组件由两块太阳能板
：
及支架构成，太阳能板固定在支架上，两块之间的距离为２０ｍｍ，单块太阳能板的尺寸为（１９７０ｘ９９９）ｍｎｌ，厚度５０ｎｕｎ。在实际工程中，由于支架只对太阳能板起固
１风载设计要求
（１）太阳能板与楼顶的夹角为１３。，太阳能板的下沿与楼顶平面的距离，＞４００ｍｍ，其安装示意如图１所示。
（２）光伏组件在最大瞬时风速为４２ｍ／ｓ的条件下不倾覆。
（３）楼顶不允许打孔，同时必须保证楼顶的结构不
。。。。。。。。。。。。１。１。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。１。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。‘‘。。。‘。。。。‘‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。１１。。１。’。。’’’’‘’。。１。一
定作用，其迎风面积很小。对流场的干扰作用很有限，
为减化计算模型。在模型中将光伏组件进行了简化，不考虑支架对流场的作用。建立的流场区域大小为（９）（５×
收稿日期：２０１０—０９—０３
作者简介：胡仁海（１９８０－），男，工程师。主要从事机械设Ｉ计工作；谢超（１９７６－），男，高级工程师。主要从事新能源：开发工作。：
２．４）ｍ。在实体模型建立之后．对模型进行了网格划分，考虑到太阳能板与地面有１３０夹角、计算精度、计算时间
－开发与创新・
性进行计算．以确定此方案能否保证光伏组件不倾覆并且楼顶的结构不被破坏。已知光伏组件自重ｍｏ＝１２５ｋｇ。即Ｇ０＝１２５ｘ９．８＝１２２５（Ｎ）。当正面来风（风速４２ｍ／ｓ）时。光伏组件对楼顶的平均载荷为：
等因素。将模型切分成三部分，中间部分为Ｔｅｔ／Ｈｙｂｆｉｄ—ＴＧｒｉｄ四面体非结构化网格．其余部分为Ｈｅｘ—Ｍａｐ六面体结构化网格，模型网格共计６４３５５４个，如图２所示。
在网格划分完后。进行了边界条件设置。模型中地面和太阳能
圈２模型网格图
板为ｗａｌｌ边界条件，
ｍｏｄｌｅ
８＝１卫＝—蒜Ｌ＝６６・３（ｋｇ／ｍ２）
时且１２５＋．百２４０２
（１）
式中：Ｓ－－每组光伏组件在楼顶上的占用面积。当背面来风（风速４２ｍ／ｓ）时。光伏组件受到风的阻力ｆ２、升力Ｆ２，自身重力Ｇｏ，当组件不发生倾覆时，还存在地面支反力ＦＮ、摩擦力ｆｏ等，当组件发生倾覆时，需要在支架远端增加配重块，则还受到配重块的压力Ｇ口，根据平面力学平衡方程。在图ｌ中以Ａ点为转动支点，光伏组件必须同时满足力及力矩的平衡条件：
Ｆｉ啦Ｇｒｉｄ
ｍ叩ｏｆｔｈｅ
其余为ｖｅｌｏｃｉｔｙ＿ｉｎｌｅｔ边界条件。
２．２计算结果
利用ＦＬＵＥＮＴ成熟数值计算方法．对光伏组件进行了风载计算。选用了ＤｅｎｓｉｔｙＢａｓｅｄ求解器、Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｕ．ｍａｌ＊ａ８（１ｅｑｎ）湍流模型。为获得光伏组件风载，需要对太阳能板背面来风及正面来风两种情况下的受载进行
计算．并选取最恶劣条件作为计算工况。同时假设极限
风速下风向与风速不变，因此，根据风向不同，对ｖｅ．１０ｃｉｔｙ＿ｉｎｌｅｔ边界条件设置了±４２ｍ／ｓ两种风速。通过计算获得了正面来风、背面来风条件下光伏组件的风载。图３为两种情况下太阳能板的压力分布图，计算后提取了整组太阳能板所受到的阻力及升力（阻力为与风向平行
乙Ｆ＝ｆ２＋Ｆ２＋Ｇｏ＋ＦＮ＋ｆｏ＋Ｇｐ－－－０乙Ｍ－－－ｆ誓ｌ＋乃蜘Ｇ０蚺ＦＮｆ—ｑ３＋Ｇ矗＝０
（２）
（３）
式中：Ｚ。、如、如、知、如、乙分别为转动支点Ａ到对应力的力臂，由式（２）、（３）及已知条件可得，如果不增
加配重块。光伏组件将发生倾覆。为使组件不发生倾
覆，至少需要在支架远端增加质量ｍ配＝１５９．２ｋｇ的配重块。加配重块后正面来风极限情况下光伏组件对楼顶的平均载荷：
正面极限风速下太阳能板压力云田背面极限风速下太阳能板压力云图
８配＝—一＝——两—坠＝９４．９（ｋｇ／ｍ２）
１２５＋１５９．２＋．２ｎ４０。２—
１Ｉｌ—ｍ配＋！Ｌ
此时光伏组件对楼顶的平均载荷超过了９１ｋｇ，ｍ２的
图３极限风速下太阳能板压力云图
Ｆｉ９３
上限要求，所以该方案有待进一步改进。
Ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅｌｉｎｌｉｍｉｔｗｉｎｄｆｏｒｃｅ
２．４方案改进
根据上述节计算可知，当背面来风时，使光伏组件有一个向上的较大的分力。该分力的倾覆力矩使光伏组
表１太阳能板受力表
Ｔａｂ．１Ｌｏａｄ
ｏｎ
ｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅ
升力（Ｎ）
Ｆ１＝一２４０２Ｆ２＝２４７１
阻力（Ｎ）
正面来风４２ｍ／ｓ背面来风４２ｍ／ｓ
ｆｉ＝７１５ｆ≥一７１１
件极易产生倾覆。使得支架远端需增加一个较大的配重块．最终光伏组件在正面来风极限情况下对楼顶的平均载荷超过了上限要求。因此，要使改进方案合理可行，必须能够大大减小向上的升力，从而减小配重块的质量。根据上述分析，提出了在太阳能板背面支架上安装挡风板的方案，挡风板的宽度与支架同宽，如图４所示。
注：表中负号表示力的方向与坐标轴正向相反
的力，升力为与风向垂直的力），结果见表ｌ。
从表ｌ中可以看出．正面、背面来风所受到的阻力与升力基本相当，只是风向不同所受到的力的方向相反。当正面来风时，阻力向右，升力向下，使光伏组件对楼面产生一个正压力，此时如果正压力过大，楼顶受力将超过规定载荷；当背面来风时，阻力向左，升力向上．使光伏组件有一个向上的分力，此时更易发生倾覆。所以，应该对光伏组件的稳定性进行计算。
２．３光伏组件稳定性计算
根据前面的流体仿真计算结果，对光伏组件的稳定
图４增加挡风板后光伏组件安装示意图
Ｆｉｇ．４Ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍａｌｔ盯ａｄｄｉｎｇ耐ｎｄｓｈｉｅｌｄ
２１
・并发与创新・
２．５方案改进后风载及稳定性计算
对改进后的方案采取了同样的计算方法分别计算了极限风速条件下，正面、背面来风光伏组件的风载。图５为改进方案两种情况下太阳能板的压力分布图．计算后提取了整组太阳能板所受到的阻力及升力。表２为改进前后对比分析表。
１２７４Ｎ。
先计算背面来风（风速４２ｍ／ｓ）时，风载荷产生的倾覆力矩，确定是否需要增加配重块，同样利用２．４中的计算方法，为使光伏组件不发生倾覆，至少需要在支架远端增加ｍ配，－９３．５ｋｇ的配重块。
加配重块后正面来风极限情况下。以Ｂ点为转动支点，根据平面力学平衡方程计算可知，地面对光伏组件有一个向上的支反力．即对其产生一个顺时针力矩（对转动支点Ｂ而言），所以光伏组件在正面来风极限情况下不会倾覆。
加配重块后正面来风极限情况下光伏组件对楼顶的
改进后正面板限风递Ｆ太阳髓扳压力石圈改进后背面极限风速下太阳能板压力云图
平均载荷：
图５改进方案极限风速下太阳能板压力云图
Ｆｉｇ．５Ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅｌ
ｗｉｎｄｆｏｒｃｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｌｉｍｉｔ
‰：华：—１３０＋９丽３．５４
８”配＝里唼等卫＝４０．１（ｋｇ／ｍ２）
８’配＝——ｉ—Ｌ＝——Ｔ百兰Ｌ．
无风时光伏组件对楼顶的平均载荷为：
１匝６２５＝６９．８（ｋｇ／ｍ２）
表２改进前后太阳能板受力对比表
Ｔａｂ．２
ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅＩｏａｄ
ｏｎ
ｔｈｅｓｏｌａｒｐａｎｅｌ
升力（Ｎ）
ＦＩ＝一２４０２Ｆｌ，．一１６２５
阻力（Ｎ）
正面来风４２ｍ／ｓ
改进后
背面来风４２ｍ／ｓ
改进后
ｆ２，－一１１３３
注：表中负号表示力的方向与坐标轴正向相反
改进前
ｆｆ＝７６１
综上所述．改进后的光伏组件在增加一定配重块后，正面、背来极限来风的情况下均不会发生倾覆，楼顶平均载荷在无风及最大风力条件下均满足设计要求。本方案合理可行。
改进前ｆＩ＝７１５
ｆ≥一７１１
咕２４７ｌ
Ｆ’，＝１１２２
３结束语
本文利用ＦＬＵＥＮＴ成熟数值计算方法。对某光伏发电系统进行了风载计算，根据计算结果，提出了相应的改进方案，经过计算。改进后的方案合理可行，符合计算要求。在现实工程中具有较高的应用价值。参考文献：
【１】王福军．计算流体动力学分析［Ｍ】．清华大学出版社，２００４．
［２】王长贵，等．太阳能光伏发电实用技术【Ｍ】．化学工业出版社，２００９．
从表２可以看出。改进后正面来风的阻力略有增大。而升力由于改变了空气在太阳能板背面的绕流效果有较大的减小；当背面来风时，改进方案的阻力由于对空气没有导流作用有所增加。但升力按照改进预期有了明显减小。经进一步计算减小了５５％。以下按照前面节方法对光伏组件稳定性进行计算：
已知光伏组件自重ｍｏ’＝１３０ｋｇ，即Ｇ０７＝１３０ｘ９．８＝（上接第２４页）磁阀，这样既可满足功能也可节省成本。每套卫生间可节省２个两通电磁阀，费用近５００元人民币。
目前灰水收集箱、水箱和污物箱是依据铁路市场产品设计的。因此材料均使用ＳＵＳ３０４不锈钢，该种材料坚固耐用．耐腐蚀性好．不足之处在于价格偏高。产品进入量产阶段．灰水收集箱和水箱材料可使用ＰＥ来降低生产成本。ＰＥ基本分为三大类，即高压低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和线型低密度聚乙烯。薄膜是其主要加工产品，其次是片材和涂层、瓶、罐、桶等中空容器及其它各种注塑和吹塑制品、管材和电线、电缆的绝缘和护套等。城市移动卫生间在使用过程中不存在频繁的震动冲击，因此ＰＥ在不承受交变载荷条件下完全可以替代金属材料，另外ＰＥ箱体的模具结构比较简单。一般ＰＥ箱体模具多为吹胀模具或回转模具，成型费用低廉。国内制造的ＰＥ箱体的寿命一般约为８年．可以满足使用要求。
４结论
本文在深入研究了真空式移动卫生间的工作原理的基础上，介绍了真空式移动卫生间的组成，给出了灰水收集系统和便器集装盘等关键部件的布局图．对真空式移动卫生间技术提出几点改进措施，为以后的移动卫生间设计提供了技术参考。参考文献：
［１】１王文斌．机械设计手册【Ｍ１．北京：机械工业出版社，２００４．［２】周敬宣。等．真空下水管道系统【Ｊ】．中国给水排水，１９９８，１．
【３】周敬宣，等．粪便真空输送管网与真空站参数的研究与设计叨．给水排水，２００２，５．
【川左光应．浅谈室外真空排水系统阴．工程设计与建设，２００５，３．【５】易柏军．长途客车真空卫生间气路及水路系统关键部件标准化研
究【Ｄ】．２００８．
某光伏发电系统风载计算及改进
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
胡仁海， 谢超， 秦丽萍， 陈军峰， HU Ren-Hai， XIE Chao， QIN Li-Ping， CHEN Jun-Feng
第七一三研究所,河南,郑州,450015
机电产品开发与创新
DEVELOPMENT & INNOVATION OF MACHINERY & ELECTRICAL PRODUCTS2010,23(6)
参考文献(2条)
1. 王长贵 太阳能光伏发电实用技术 20092. 王福军 计算机体动力学分析 2004
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