一种用于光伏太阳能系统测试的风洞

摘要

本发明涉及光伏太阳能技术领域，公开了一种用于光伏太阳能系统测试的风洞。风洞为环形结构，其包括内部设有风机并用于产生气流的动力段，以及供所述气流依次流经的第二扩散段、稳定段、收缩段、试验段、第一扩散段，所述第一扩散段远离所述试验段的一端与所述动力段连接，使得所述气流循环使用；所述气流在所述第二扩散段、所述稳定段、所述收缩段进行整流，使得所述气流在所述试验段达到所需风速，所述试验段设有可调节角度的转盘，所述转盘用于带动模型转动以模拟不同风向角的自然风进行风洞试验。本发明采用卧式回流风洞构型，转盘自转带动模型旋转，可以模拟各种状态下的自然风，可以重复试验，能够完成光伏太阳能系统的边界层风洞试验。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏太阳能技术领域，尤其涉及一种用于光伏太阳能系统测试的风洞。

背景技术

风洞是空气动力学研究和试验中最常用工具，大气边界层风洞是模拟大气边界层流动的一种低速风洞，又称环境风洞或气象风洞，广泛应用于研究与风工程有关的问题，如结构物的风力荷载和振动、各种场所的风特性、风环境、大气污染物的排放和扩散规律、运输工具气动特性以及风能利用等。

风洞的设计与制造具有专属性，即风洞通常专门为试验某一类物体而建造。当前，随着光伏技术不断的发展以及光伏发电的应用领域的不断扩大，对光伏太阳能系统与支架的空气动力学研究测试需求越来越迫切，目前尚缺乏专门针对光伏太阳能系统设计的风洞，常规建筑类边界层风洞难以满足其测试需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于光伏太阳能系统测试的风洞，采用卧式回流风洞构型，转盘自转带动模型旋转，可以模拟各种状态下的自然风，能够完成光伏太阳能系统的边界层风洞试验，可以重复试验，为科学研究提供大量真实、有效数据。

本发明提供的技术方案如下：

一种用于光伏太阳能系统测试的风洞，风洞为环形结构，其包括内部设有风机并用于产生气流的动力段，以及供所述气流依次流经的第二扩散段、稳定段、收缩段、试验段、第一扩散段，所述第一扩散段远离所述试验段的一端与所述动力段连接，使得所述气流循环使用；

所述气流在所述第二扩散段、所述稳定段、所述收缩段进行整流，使得所述气流在所述试验段达到所需风速，所述试验段设有可调节角度的转盘，所述转盘用于带动模型转动以模拟不同风向角的自然风进行风洞试验。

本技术方案中，采用卧式回流风洞构型，风机在动力段的内部工作实现气流增压，气流在第二扩散段、稳定段、收缩段进行整流，使得气流在试验段达到所需风速，之后气流经过第一扩散段再次流回至动力段，进入下一轮气流流动；转盘自转带动模型旋转，可以模拟各种状态下的自然风，能够完成光伏太阳能系统的边界层风洞试验，可以重复试验，获取设计工况下光伏支架与太阳能组件上的风荷载分布、风荷载作用下支架结构的动力响应、以及结构响应与流场之间的相互影响，为科学研究提供大量真实、有效数据。

进一步优选地，还包括：若干个拐角段；

所述第二扩散段通过所述拐角段与所述稳定段连接，所述气流在所述第二扩散段、所述拐角段、所述稳定段、所述收缩段进行整流，使得所述气流在所述试验段达到所需风速，所述第一扩散段通过所述拐角段与所述动力段连接。

进一步优选地，若干个所述拐角段分别包括第一拐角段、第二拐角段、第三拐角段、第四拐角段，其中，所述第一扩散段、所述第一拐角段、所述第二拐角段、所述动力段依次连接；所述第二扩散段、所述第三拐角段、所述第四拐角段、所述稳定段依次连接。

进一步优选地，所述风机设有两台，两台所述风机分别设置在所述动力段，并沿所述动力段的轴线方向并排布置。

本技术方案中，由于应用于光伏支架的风洞尺寸较大，采用并排式双排动力系统，更适用于宽高比较大的风洞，可以降低能耗，节约成本，通过对双排动力系统的精密联合控制，可实现对高稳定性的均匀流场输出。

进一步优选地，所述试验段的内部设有两个可拆卸的内壁板，两个所述内壁板平行设置，并沿所述试验段的轴线方向延伸。

进一步优选地，所述试验段为方形的中空结构，其包括顶板、底板及两个侧板，所述顶板和所述底板上相对应的设有两组导轨槽，两个所述内壁板适配插设在对应的所述导轨槽内，使得所述内壁板与所述试验段可拆卸连接。

本技术方案中，试验段尺寸适用于光伏组件等狭长形结构的大气边界层风洞测试，同时试验段采取双层壁板的结构形式，内壁板安装后，可以改变试验段截面尺寸大小，可满足不同规格的光伏组件阵列的测试需求。同时，在内壁板安装后，试验段的测试风速范围可获得进一步提升，可满足在更高风速工况条件下的测试需求。

进一步优选地，所述顶板的壁厚及所述底板的壁厚均沿所述气流的移动方向呈角度增厚，其扩开角为α，α的大小为0.2°-0.6°。

本技术方案中，由于试验段长度较长，需要考虑洞壁边界层沿轴向增厚而产生的轴向静压梯度，为保障试验段入口和出口位置的静压相等，采用扩开角设计来消除或减小轴向静压梯度，试验段设计0.2°-0.6°扩开角，可有效改善洞壁边界层轴向增厚而产生的轴向静压梯度对测试精度的影响。

进一步优选地，所述试验段的长度L＝k(6secα*D+3.5*d)，其中，D为所述试验段的高度，d为所述转盘的直径，α为所述试验段的扩开角，k的大小为0.95-1.05。

进一步优选地，所述试验段的内部设有平移机构，所述平移机构沿所述试验段的长度方向设置，所述平移机构上设有升降机构，使得所述升降机构可沿所述试验段的长度方向往复移动；

所述转盘转动设置在所述升降机构上，使得所述转盘可在所述升降机构上旋转，并可沿所述试验段的高度方向往复移动。

进一步优选地，所述转盘设有两个，两个所述转盘沿所述试验段的长度方向间隔设置，所述平移机构及所述升降机构分别设有两个，每个所述转盘通过所述升降机构设置在对应的所述平移机构上。

本技术方案中，将转盘设置为可移动式转盘，可实现对来流与尾流区域长度的灵活调节，实现对多种流场参数的模拟，实现对光伏支架在各种复杂工况条件下的自动测试。

与现有技术相比，本发明的用于光伏太阳能系统测试的风洞有益效果在于：

本发明中，采用卧式回流风洞构型，风机在动力段的内部工作实现气流增压，气流在第二扩散段、稳定段、收缩段进行整流，使得气流在试验段达到所需风速，之后气流经过第一扩散段再次流回至动力段，进入下一轮气流流动；转盘自转带动模型旋转，可以模拟各种状态下的自然风，能够完成光伏太阳能系统的边界层风洞试验，可以重复试验，获取设计工况下光伏支架与太阳能组件上的风荷载分布、风荷载作用下支架结构的动力响应、以及结构响应与流场之间的相互影响，为科学研究提供大量真实、有效数据。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明一具体实施例风洞的结构示意图；

图2是本发明另一具体实施例光伏支架阵列的结构示意图；

图3是本发明另一具体实施例试验段的结构示意图；

图4是本发明另一具体实施例试验段的局部结构示意图；

图5是本发明另一具体实施例试验段的局部结构示意图。

附图标号说明：

1.风洞，2.动力段，3.第二扩散段，4.稳定段，5.收缩段，6.试验段，7.第一扩散段，8.第一拐角段，9.第二拐角段，10.第三拐角段，11.第四拐角段，12.内壁板，13.顶板，14.底板，15.侧板，16.导轨槽，17.转盘，18.平移机构，19.升降机构，20.转盘盖板，21.移动段，22.光伏支架，23.风机。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本发明的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

作为一个具体实施例，如图1所示，本实施例提供了一种用于光伏太阳能系统测试的风洞，风洞1为环形结构，其包括内部设有风机23并用于产生气流的动力段2，以及供所述气流依次流经的第二扩散段3、稳定段4、收缩段5、试验段6、第一扩散段7，第一扩散段7远离试验段6的一端与动力段2连接，使得气流循环使用。气流在第二扩散段3、稳定段4、收缩段5进行整流，使得气流在试验段6达到所需风速，试验段6设有可调节角度的转盘，转盘用于带动模型转动以模拟不同风向角的自然风进行风洞试验。

本实施例中，采用卧式回流风洞构型，风机23在动力段2的内部工作实现气流增压，气流在第二扩散段3、稳定段4、收缩段5进行整流，使得气流在试验段6达到所需风速，之后气流经过第一扩散段7再次流回至动力段2，进入下一轮气流流动；转盘自转带动模型旋转，可以模拟各种状态下的自然风，能够完成光伏太阳能系统的边界层风洞试验，可以重复试验，获取设计工况下光伏支架与太阳能组件上的风荷载分布、风荷载作用下支架结构的动力响应、以及结构响应与流场之间的相互影响，为科学研究提供大量真实、有效数据。

在实际应用中，如图2所示，一般来说单个光伏支架呈狭长形结构，其长度范围较广，最大可超过100米，且长宽比与长高比较大，可超过50：1。为测试不同支架在流场中的相互干扰效应，常采用光伏支架阵列为测试对象，其排布规模不少于8排3列，支架长度方向为排，支架宽度方向为列。在光伏支架阵列风洞测试中，根据不同项目地的大气边界层特性，需对360°变换的不同风向、由小到大的不同风速、不同湍流特性的流场等条件下进行风洞测试，测试工况较为复杂。使用本发明中的风洞，能够获取设计工况下光伏支架与太阳能组件上的风荷载分布、风荷载作用下支架结构的动力响应、以及结构响应与流场之间的相互影响。

在另一实施例中，如图1所示，在上述实施例的基础上，用于光伏太阳能系统测试的风洞还包括：若干个拐角段。第二扩散段3通过拐角段与稳定段4连接，气流在第二扩散段3、拐角段、稳定段4、收缩段5进行整流，使得气流在试验段6达到所需风速，第一扩散段7通过拐角段与动力段2连接。

具体地，若干个拐角段分别包括第一拐角段8、第二拐角段9、第三拐角段10、第四拐角段11，其中，第一扩散段7、第一拐角段8、第二拐角段9、动力段2依次连接；第二扩散段3、第三拐角段10、第四拐角段11、稳定段4依次连接。第一拐角段8、第二拐角段9、第三拐角段10、第四拐角段11均为90°拐角，使得风洞呈方形环状结构。风洞中的各连接段密封连接，且风洞中各段的内表面采用流线型设计，尽可能减小空气流动阻力。

在另一实施例中，如图1所示，在上述实施例的基础上，风机23设有两台，两台风机23分别设置在动力段2的内部，并沿动力段2的轴线方向并排布置。由于风洞1的宽度远大于高度，动力系统可采用直径3200mm的两台轴流风机并排布置，通过对双排动力系统的精密联合控制，可实现对高稳定性的均匀流场输出。单机功率约150kw，设计试验段的稳定工作风速范围5-30m/s，可达最大风速55m/s。由于应用于光伏支架的风洞尺寸较大，采用并排式双排动力系统，更适用于宽高比较大的风洞，可以降低能耗，节约成本，通过对双排动力系统的精密联合控制，可实现对高稳定性的均匀流场输出。

在另一实施例中，如图1、图3所示，在上述实施例的基础上，试验段6的内部设有两个可拆卸的内壁板12，两个内壁板12平行设置，并沿试验段6的轴线方向延伸。试验段6为方形的中空结构，其包括顶板13、底板14及两个侧板15，顶板13和底板14上相对应的设有两组导轨槽16，两个内壁板12适配插设在对应的导轨槽16内，使得内壁板12与试验段6可拆卸连接。导轨槽16包括上导轨槽和下导轨槽，其中上导轨槽的深度大于下导轨槽的深度，当需要拆卸内壁板12时，只需向上抬起内壁板，使内壁板的下端脱离下导轨槽，即可取出内壁板。在导轨槽16和内壁板12安装位置设置有气密性良好的材料做密封，当内壁板12拆卸后，导轨槽16上加装盖板，保持试验段6的顶板13和底板14的平顺性。

本实施例中，试验段6尺寸适用于光伏组件等狭长形结构的大气边界层风洞测试，同时试验段6采取双层内壁板的结构形式，两个内壁板12安装后，可以改变试验段6截面尺寸大小，可满足不同规格的光伏组件阵列的测试需求。同时，在内壁板12安装后，试验段6的测试风速范围可获得进一步提升，可满足在更高风速工况条件下的测试需求。

为了保证光伏组件风荷载的测点分布密度和测试精度，测试模型缩尺比的较佳范围宜设置在1：1-1：50以内。考虑到测试对象的外形尺寸范围较广，且测试工况复杂的特点，试验段6设计成双层壁板型式，其具体尺寸可以如下设置:外层侧板的截面轮廓尺寸为宽6m高2m，宽高比3：1；内层内壁板的截面轮廓尺寸为宽3m高2m，宽高比3：2。

在另一实施例中，如图1、图4所示，在上述实施例的基础上，顶板13的壁厚及底板14的壁厚均沿气流的移动方向呈角度增厚，即试验段6的内部尺寸不变，其顶板13的壁厚及底板14的壁厚均沿气流的移动方向倾斜增厚，其倾斜方向与试验段6轴向方向的夹角为扩开角，扩开角用α标识，α的大小为0.2°-0.6°，例如：α可以是0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°。优选的，α为0.4°。

本实施例中，由于试验段6长度较长，需要考虑洞壁边界层沿轴向增厚而产生的轴向静压梯度，为保障试验段入口和出口位置的静压相等，采用扩开角设计来消除或减小轴向静压梯度，试验段设计0.2°-0.6°扩开角，可有效改善洞壁边界层轴向增厚而产生的轴向静压梯度对测试精度的影响。

在另一实施例中，如图1所示，在上述实施例的基础上，试验段6的长度L＝k(6secα*D+3.5*d)，其中，D为试验段6的高度，d为转盘17的直径，α为试验段6的扩开角，k的大小为0.95-1.05。

本实施例的风洞属于环境风洞类别，考虑到对不同粗糙地面条件模拟的来流与尾流的充分发展长度需要，试验段长度＝来流区域长度+尾流区域长度+模型区域长度，故试验段长度应为试验段高度的6-10倍以上，同时考虑转盘位置的灵活性，风洞试验段长度可取约30m。

进一步地，在试验段6与第一扩散段7之间设置移动段21，移动段21可伸缩设置，使得试验段6的长度可调，以满足不同的工况需求。

在另一实施例中，如图1、图5所示，在上述实施例的基础上，试验段6的内部设有平移机构18，平移机构18沿试验段6的长度方向设置，平移机构18上设有升降机构19，使得升降机构19可沿试验段6的长度方向往复移动。转盘17转动设置在升降机构19上，使得转盘17可在升降机构19上旋转，并可沿试验段6的高度方向往复移动。

优选地，转盘17设有两个，两个转盘17沿试验段6的长度方向间隔设置，平移机构18及升降机构19分别设有两个，每个转盘17通过升降机构19设置在对应的平移机构18上。

具体地，平移机构18可使用滑轨结构、丝杠结构、电动推杆等平移机构，只要能实现升降机构19可在平移机构18上左右移动的结构均可。升降机构19可使用气缸结构、丝杠结构、电动推杆等升降机构，只要能实现转盘17在升降机构19上升降的结构均可。转盘17采用钢质或木质，转盘17可360°旋转，转盘直径4.5m，并同时具有上下升降功能。试验段6设置的两个转盘17可调位置，两个平移机构18平行于试验段6的轴线方向，两个平移机构18相连通，试验段6的底部中心安装其中一个平移机构18；转盘17上设有转盘盖板20，当需要调整转盘17位置时，将转盘17降低高度，通过平移机构18移动位置后上升到所需高度。

本实施例中，将转盘17设置为可移动式转盘，可实现对来流与尾流区域长度的灵活调节，实现对多种流场参数的模拟，实现对光伏支架在各种复杂工况条件下的自动测试。

在上述实施例中，可采用闭环矢量控制变频器提高风扇电机的转速控制精度，实现稳定的、高精度的风速控制，合理设计收缩段流线型式使其出口气流不发生分离、风洞各部件中心线建造偏差小于0.2°。本发明风洞的流场特性参数设计值为：气流湍流度≤0.5％，速度不均匀性≤1％，局部流向偏角≤0.5°，平均流向偏角≤0.5°，轴向压力梯度≤0.5％，动压稳定性≤0.5％。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。