一種基于地形擬合與cfd的山地光伏電站風(fēng)壓計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、CFD領(lǐng)域，尤其是一種基于地形擬合與CFD的山地光伏 電站風(fēng)壓計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油、煤炭等化學(xué)能源屬于一次性能源，不可再生，越來越接近枯竭，由該些化學(xué) 能源帶來的嚴(yán)重大氣污染及引發(fā)的生態(tài)環(huán)境壓力，迫使人類急需一種或幾種可替代化學(xué)能 源的新型能源。伴隨太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，世界很多國家和政府相繼出臺扶持 政策，鼓勵和支持太陽能發(fā)電。在太陽能光伏電站項(xiàng)目中，能否找到適合建設(shè)電站的場地至 關(guān)重要，綜合考慮±地性質(zhì)和±地使用功能，利用荒山或者丘陵建設(shè)光伏電站可徹底解決 光伏電站建設(shè)用地稀缺的難題。相對于在平整地區(qū)建設(shè)的光伏電站，山地光伏電站的風(fēng)壓 受原始地形、地貌及人工設(shè)施的影響巨大，準(zhǔn)確計(jì)算山地光伏電站的風(fēng)壓，可優(yōu)化光伏支撐 結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物與建筑物方案，合理性的降低電站建筑安裝成本，對光伏行業(yè)的健康發(fā) 展具有重要的意義。
[0003] 現(xiàn)有的山地光伏電站風(fēng)壓計(jì)算方法，無法準(zhǔn)確考慮電站在山地實(shí)際風(fēng)環(huán)境下的影 響，造成光伏支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物與建筑物的方案成本較高，甚至否定了部分電站項(xiàng)目 的技術(shù)可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，本發(fā)明公開了一種基于地形擬合與CFD的山地光伏電站風(fēng)壓計(jì)算方法；
[0005] 所述方法包括W下步驟：
[0006] S100、擬合地形數(shù)字圖像；基于實(shí)測地形測繪圖，擬合生成地形數(shù)字圖像；
[0007] S200、擬合地形自由曲面；利用地形數(shù)字圖像對應(yīng)的點(diǎn)云擬合地形自由曲面；
[000引 S300、構(gòu)造流體域幾何模型：設(shè)定流體域幾何模型邊界并利用幾何拓?fù)鋵W(xué)創(chuàng)建輔 助曲面，封閉地形自由曲面、輔助曲面和山地光伏電站設(shè)施圍成的區(qū)域，形成流體域幾何模 型；
[0009] S400、建立流體域數(shù)值計(jì)算模型；根據(jù)流體力學(xué)基本方程和端流模型建立流體域 數(shù)值計(jì)算模型；
[0010] S500、對所述流體域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到流體域幾何模型網(wǎng)格；
[0011] S600、進(jìn)行數(shù)值計(jì)算：
[0012] S6001、設(shè)定所述流體域幾何模型網(wǎng)格的材料參數(shù)、初始條件和邊界條件；
[0013] S6002、將所述材料參數(shù)、初始條件和邊界條件代入所述數(shù)值計(jì)算模型中；
[0014] S6003、采用數(shù)值模擬方法求解山地自然坡面、光伏陣列、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物 表面風(fēng)壓；
[0015] S700、指導(dǎo)光伏支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物設(shè)計(jì)；將步驟S6003求解得到的 結(jié)果，作為光伏支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物的設(shè)計(jì)依據(jù)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中基于地形測繪圖擬合的數(shù)字圖像；
[0017] 圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中流場域幾何模型；
[001引圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中光伏電站山地自然坡面的風(fēng)壓云圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中流場域豎向剖面速度矢量圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中光伏電站山地自然坡面風(fēng)壓分區(qū)圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中山地自然坡面負(fù)壓區(qū)順風(fēng)向風(fēng)壓變化曲線圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中山地自然坡面正壓區(qū)順風(fēng)向風(fēng)壓變化曲線圖；
[0023]圖8為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中光伏組件陣列及自然坡面的風(fēng)壓云圖；
[0024] 圖9為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中含組件陣列的流體域豎向剖面速度矢量圖；
[0025]圖10為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中組件陣列上表面各排風(fēng)壓變化曲線；
[0026] 圖11為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中組件陣列下表面各排風(fēng)壓變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明一種基于地形擬合與CFD的山地光伏電站風(fēng)壓 計(jì)算方法的實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步說明。應(yīng)當(dāng)理解，下述所有實(shí)施例只是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)或者 優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式之一，本發(fā)明并不局限于所述實(shí)施例。
[002引在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開了本發(fā)明公開了一種基于地形擬合與C抑的山地光 伏電站風(fēng)壓計(jì)算方法；
[0029] 所述方法包括W下步驟：
[0030] S100、擬合地形數(shù)字圖像；基于實(shí)測地形測繪圖，擬合生成地形數(shù)字圖像；
[0031] S200、擬合地形自由曲面；利用地形數(shù)字圖像對應(yīng)的點(diǎn)云擬合地形自由曲面；
[0032]S300、構(gòu)造流體域幾何模型：設(shè)定流體域幾何模型邊界并利用幾何拓?fù)鋵W(xué)創(chuàng)建輔 助曲面，封閉地形自由曲面、輔助曲面和山地光伏電站設(shè)施圍成的區(qū)域，形成流體域幾何模 型；
[0033]S400、建立流體域數(shù)值計(jì)算模型；根據(jù)流體力學(xué)基本方程和端流模型建立流體域 數(shù)值計(jì)算模型；
[0034] S500、對所述流體域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到流體域幾何模型網(wǎng)格；
[0035] S600、進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；
[0036]S6001、設(shè)定所述流體域幾何模型網(wǎng)格的材料參數(shù)、初始條件和邊界條件；
[0037] S6002、將所述材料參數(shù)、初始條件和邊界條件代入所述數(shù)值計(jì)算模型中；
[003引 S6003、采用數(shù)值模擬方法求解山地自然坡面、光伏陣列、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物 表面風(fēng)壓；
[0039]S700、指導(dǎo)光伏支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物設(shè)計(jì)；將步驟S6003求解得到的 結(jié)果，作為光伏支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物的設(shè)計(jì)依據(jù)。
[0040] 本實(shí)施例所述的基于地形擬合和CFD的山地光伏電站風(fēng)壓計(jì)算方法，首先實(shí)現(xiàn)數(shù) 字圖像擬合，根據(jù)數(shù)字圖像點(diǎn)云和輔助曲面構(gòu)造流體域，給定初值和邊界條件，之后建立數(shù) 值模型，采用有限差分法、有限體積法、有限元法等數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行求解，來實(shí)現(xiàn)山地光 伏電站組件支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物與建筑物的風(fēng)壓計(jì)算。本發(fā)明的計(jì)算方法w完備的理 論模型和數(shù)值模型作為基礎(chǔ)，綜合考慮山地光伏電站風(fēng)環(huán)境中的地形及人工設(shè)施干擾、風(fēng) 速空間分布及非定常等因素，通過數(shù)值計(jì)算來實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓計(jì)算，與實(shí)際環(huán)境相符，在實(shí)際中容 易操作，可指導(dǎo)并優(yōu)化山地光伏電站設(shè)計(jì)，大幅度降低了山地光伏電站的建筑安裝成本。
[0041] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S100中的地形包括光伏支撐結(jié)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑物及建 筑物的風(fēng)場影響范圍中的地形。
[0042] 本實(shí)施例在于解釋擬合地形的范圍，該范圍不僅包括光伏支撐機(jī)構(gòu)、電站內(nèi)構(gòu)筑 物，還包括有建筑物的風(fēng)場影響范圍中的地形。
[0043] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S300中所述的流體域包括風(fēng)場影響的區(qū)域。
[0044] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S400中的數(shù)值計(jì)算模型包括N-S方程模型、雷諾平均 板型或者大禍板擬板型。
[0045] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述S500中進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，具體為將流 體域的幾何模型剖分成若干個(gè)具備掃掠特征的子特征，設(shè)置網(wǎng)格密度控制數(shù)據(jù)，基于掃掠 特征生成流體域的六面體網(wǎng)格。
[0046] 在本實(shí)施例中，所述六面體網(wǎng)格可為棱柱體網(wǎng)格、正方體網(wǎng)格或者長方體網(wǎng)格等， 網(wǎng)格單元的數(shù)量根據(jù)實(shí)際問題的需要來設(shè)定。
[0047] 在一個(gè)實(shí)施例中，S6001中的材料參數(shù)包括流體域中的端流模型參數(shù)、平均風(fēng)速、 Re數(shù)及參考壓強(qiáng)。
[0048] 初始條件包括流體域的初始風(fēng)速、空氣壓強(qiáng)及溫度。
[0049] 邊界條件和所述模型的部位有關(guān)，山地坡面和電站內(nèi)設(shè)施表面為剛性無滑移壁 面，流體域內(nèi)含入口、出口及自由邊界。
[0化0]在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S6003中的數(shù)值計(jì)算所采用的方法包括有限差分法、 有限體積法和基于有限元的有限體積法。
[0051] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S700中的指導(dǎo)建筑物設(shè)計(jì)包括建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 通風(fēng)采暖設(shè)計(jì)。
[0052] 本實(shí)施例所述的電站內(nèi)構(gòu)筑物及建筑物包括升壓站或集匯站中的所有設(shè)施，例如 綜合樓、SVG室、輸線架構(gòu)、開關(guān)設(shè)備、避雷針、外線輸電鐵塔等。
[0053] 在一個(gè)實(shí)施例中，公開了某光伏電站所處山地自然坡面風(fēng)壓計(jì)算的步驟：
[0054] 1)數(shù)字圖像擬合；
[0化5]編制擬合計(jì)算程序，具體算法流程是：
[0化6] A.讀取實(shí)測地形測繪圖中的等高線數(shù)據(jù)；
[0化7]B.設(shè)定擬合步長；
[005引C.捜索每個(gè)點(diǎn)的鄰近點(diǎn)；
[0化9] D.采用最鄰近插值算法生成任意位置的點(diǎn)坐標(biāo)，得到地形數(shù)字圖像；
[0060] 基于該山地光伏電站的實(shí)測地形測繪圖等高線數(shù)據(jù)，擬合地形數(shù)字圖像，如圖1 所示。
[0061] 2)擬合地形自由曲面；
[0062] 根據(jù)設(shè)定的分辨率