一种基于地形拟合与cfd的山地光伏电站风压计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及计算机图形学、CFD领域，尤其是一种基于地形拟合与CFD的山地光伏 电站风压计算方法。
【背景技术】
[0002] 石油、煤炭等化学能源属于一次性能源，不可再生，越来越接近枯竭，由该些化学 能源带来的严重大气污染及引发的生态环境压力，迫使人类急需一种或几种可替代化学能 源的新型能源。伴随太阳能光伏发电技术的不断进步，世界很多国家和政府相继出台扶持 政策，鼓励和支持太阳能发电。在太阳能光伏电站项目中，能否找到适合建设电站的场地至 关重要，综合考虑±地性质和±地使用功能，利用荒山或者丘陵建设光伏电站可彻底解决 光伏电站建设用地稀缺的难题。相对于在平整地区建设的光伏电站，山地光伏电站的风压 受原始地形、地貌及人工设施的影响巨大，准确计算山地光伏电站的风压，可优化光伏支撑 结构、电站内构筑物与建筑物方案，合理性的降低电站建筑安装成本，对光伏行业的健康发 展具有重要的意义。
[0003] 现有的山地光伏电站风压计算方法，无法准确考虑电站在山地实际风环境下的影 响，造成光伏支撑结构、电站内构筑物与建筑物的方案成本较高，甚至否定了部分电站项目 的技术可行性。
【发明内容】
[0004] 基于此，本发明公开了一种基于地形拟合与CFD的山地光伏电站风压计算方法；
[0005] 所述方法包括W下步骤：
[0006] S100、拟合地形数字图像；基于实测地形测绘图，拟合生成地形数字图像；
[0007] S200、拟合地形自由曲面；利用地形数字图像对应的点云拟合地形自由曲面；
[000引 S300、构造流体域几何模型：设定流体域几何模型边界并利用几何拓扑学创建辅 助曲面，封闭地形自由曲面、辅助曲面和山地光伏电站设施围成的区域，形成流体域几何模 型；
[0009] S400、建立流体域数值计算模型；根据流体力学基本方程和端流模型建立流体域 数值计算模型；
[0010] S500、对所述流体域几何模型进行网格划分，得到流体域几何模型网格；
[0011] S600、进行数值计算：
[0012] S6001、设定所述流体域几何模型网格的材料参数、初始条件和边界条件；
[0013] S6002、将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值计算模型中；
[0014] S6003、采用数值模拟方法求解山地自然坡面、光伏阵列、电站内构筑物及建筑物 表面风压；
[0015] S700、指导光伏支撑结构、电站内构筑物及建筑物设计；将步骤S6003求解得到的 结果，作为光伏支撑结构、电站内构筑物及建筑物的设计依据。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的一个实施例中基于地形测绘图拟合的数字图像；
[0017] 图2为本发明的一个实施例中流场域几何模型；
[001引图3为本发明的一个实施例中光伏电站山地自然坡面的风压云图；
[0019] 图4为本发明的一个实施例中流场域竖向剖面速度矢量图；
[0020] 图5为本发明的一个实施例中光伏电站山地自然坡面风压分区图；
[0021] 图6为本发明的一个实施例中山地自然坡面负压区顺风向风压变化曲线图；
[0022] 图7为本发明的一个实施例中山地自然坡面正压区顺风向风压变化曲线图；
[0023]图8为本发明的一个实施例中光伏组件阵列及自然坡面的风压云图；
[0024] 图9为本发明的一个实施例中含组件阵列的流体域竖向剖面速度矢量图；
[0025]图10为本发明的一个实施例中组件阵列上表面各排风压变化曲线；
[0026] 图11为本发明的一个实施例中组件阵列下表面各排风压变化曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合【具体实施方式】对本发明一种基于地形拟合与CFD的山地光伏电站风压 计算方法的实施方式进行进一步说明。应当理解，下述所有实施例只是本发明的实现或者 优选实现方式之一，本发明并不局限于所述实施例。
[002引在一个实施例中，本发明公开了本发明公开了一种基于地形拟合与C抑的山地光 伏电站风压计算方法；
[0029] 所述方法包括W下步骤：
[0030] S100、拟合地形数字图像；基于实测地形测绘图，拟合生成地形数字图像；
[0031] S200、拟合地形自由曲面；利用地形数字图像对应的点云拟合地形自由曲面；
[0032]S300、构造流体域几何模型：设定流体域几何模型边界并利用几何拓扑学创建辅 助曲面，封闭地形自由曲面、辅助曲面和山地光伏电站设施围成的区域，形成流体域几何模 型；
[0033]S400、建立流体域数值计算模型；根据流体力学基本方程和端流模型建立流体域 数值计算模型；
[0034] S500、对所述流体域几何模型进行网格划分，得到流体域几何模型网格；
[0035] S600、进行数值计算；
[0036]S6001、设定所述流体域几何模型网格的材料参数、初始条件和边界条件；
[0037] S6002、将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值计算模型中；
[003引 S6003、采用数值模拟方法求解山地自然坡面、光伏阵列、电站内构筑物及建筑物 表面风压；
[0039]S700、指导光伏支撑结构、电站内构筑物及建筑物设计；将步骤S6003求解得到的 结果，作为光伏支撑结构、电站内构筑物及建筑物的设计依据。
[0040] 本实施例所述的基于地形拟合和CFD的山地光伏电站风压计算方法，首先实现数 字图像拟合，根据数字图像点云和辅助曲面构造流体域，给定初值和边界条件，之后建立数 值模型，采用有限差分法、有限体积法、有限元法等数值计算方法进行求解，来实现山地光 伏电站组件支撑结构、电站内构筑物与建筑物的风压计算。本发明的计算方法w完备的理 论模型和数值模型作为基础，综合考虑山地光伏电站风环境中的地形及人工设施干扰、风 速空间分布及非定常等因素，通过数值计算来实现风压计算，与实际环境相符，在实际中容 易操作，可指导并优化山地光伏电站设计，大幅度降低了山地光伏电站的建筑安装成本。
[0041] 在一个实施例中，所述步骤S100中的地形包括光伏支撑结构、电站内构筑物及建 筑物的风场影响范围中的地形。
[0042] 本实施例在于解释拟合地形的范围，该范围不仅包括光伏支撑机构、电站内构筑 物，还包括有建筑物的风场影响范围中的地形。
[0043] 在一个实施例中，所述步骤S300中所述的流体域包括风场影响的区域。
[0044] 在一个实施例中，所述步骤S400中的数值计算模型包括N-S方程模型、雷诺平均 板型或者大祸板拟板型。
[0045] 在一个实施例中，所述S500中进行网格划分时采用结构化网格划分，具体为将流 体域的几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，基于扫掠 特征生成流体域的六面体网格。
[0046] 在本实施例中，所述六面体网格可为棱柱体网格、正方体网格或者长方体网格等， 网格单元的数量根据实际问题的需要来设定。
[0047] 在一个实施例中，S6001中的材料参数包括流体域中的端流模型参数、平均风速、 Re数及参考压强。
[0048] 初始条件包括流体域的初始风速、空气压强及温度。
[0049] 边界条件和所述模型的部位有关，山地坡面和电站内设施表面为刚性无滑移壁 面，流体域内含入口、出口及自由边界。
[0化0]在一个实施例中，所述步骤S6003中的数值计算所采用的方法包括有限差分法、 有限体积法和基于有限元的有限体积法。
[0051] 在一个实施例中，所述步骤S700中的指导建筑物设计包括建筑物的结构设计与 通风采暖设计。
[0052] 本实施例所述的电站内构筑物及建筑物包括升压站或集汇站中的所有设施，例如 综合楼、SVG室、输线架构、开关设备、避雷针、外线输电铁塔等。
[0053] 在一个实施例中，公开了某光伏电站所处山地自然坡面风压计算的步骤：
[0054] 1)数字图像拟合；
[0化5]编制拟合计算程序，具体算法流程是：
[0化6] A.读取实测地形测绘图中的等高线数据；
[0化7]B.设定拟合步长；
[005引C.捜索每个点的邻近点；
[0化9] D.采用最邻近插值算法生成任意位置的点坐标，得到地形数字图像；
[0060] 基于该山地光伏电站的实测地形测绘图等高线数据，拟合地形数字图像，如图1 所示。
[0061] 2)拟合地形自由曲面；
[0062] 根据设定的分辨率