库布齐沙漠200 MWp光伏阵列的截流阻沙效应研究

贾瑞庭, 蒙仲举, 党晓宏, 唐国栋, 石涛

(内蒙古农业大学沙漠治理学院, 呼和浩特 010018)

光伏发电是将太阳辐射转化为电能，是环保节能可再生的绿色资源利用方式，是未来能源结构的基础[1-3]。沙漠地区丰富的太阳能辐射和土地空间资源是光伏发电项目建设的优良选址[4-5]，但沙区风沙活动剧烈，生态系统脆弱且稳定性低，风蚀和沙埋危害严重威胁光伏发电设施的安全。针对沙区光伏电站风沙危害，许多学者开展了光伏板干扰下的地表风蚀堆积机理和沙害防治措施研究。郭彩贇等[6]研究指出，光伏板干扰改变了流场分布，导致光伏电板不同位置处地表发生蚀积态势，从而引起板前沿风蚀坑(沟)、板间堆积沙垄地貌现象；袁方等[7]通过综合分析植物风蚀防治机理、效益，探究了最佳风蚀防治措施。

以往的沙害防治研究主要偏重于单组电池板对近地表风沙活动的影响，而过境风和携沙气流在阵列内的风沙活动研究较少。因此，研究光伏阵列不同位置的流场和输沙差异，有助于进一步认识沙漠地区光伏电站对近地表风沙活动的影响。基于此，本研究在库布齐沙漠200 MWp光伏电站测定了阵列外围流动沙地、阵列内上风向边缘和下风向边缘3个观测点的风速变化和输沙情况，探讨了光伏阵列对局部风沙活动的影响，以期为评估沙漠地区建设规模化光伏电站对风沙环境的影响提供理论支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯市独贵塔拉镇200 MWp光伏电站(37°20′—39°50′ N，107°10′—111°45′ E，图1)，该区属于典型温带大陆性季风气候，海拔1 136 m，年平均气温为5～8 ℃，年均太阳总辐射量597.9 kJ·cm-2，年均降水量150～400 mm，且季节分布不均匀，主要集中在6月下旬到9月上旬，年蒸发量2 100～2 700 mm。风沙活动集中在3—5月，最大瞬时风速达24 m·s-1，年大风日数25～35 d，在WNW盛行风作用下形成新月型沙丘、新月型沙丘链和格状沙丘链，且植被覆盖度低，60%的沙地为流动沙地[7-8]。

光伏电站于2018年12月施工完成，电站由36°最佳倾角的单晶硅电池板阵列组成，电池板板面向南，呈东西走向，相邻两排光伏阵列间距900 cm，板上沿垂直高度270 cm，板下沿垂直高度35 cm；单组电池板由2排18列99 cm×195 cm基本光伏电板单元组成，整体规格为400 cm×1 800 cm；电站面积为5.37 km2，建设前进行了地面平整，地形起伏度较小，试验期间光伏阵列内地表植被盖度为0%。

1.2 试验设计

为分析光伏阵列的防风阻沙效应，对光伏阵列内上风向边缘处测点A、下风向边缘处测点B的风速变化和输沙情况进行观测(图2)。有研究表明，光伏电板的存在改变了近地表流场分布，光伏电板的结构与导风板结构类似，光伏电板迎风侧到背风侧流场表现为板后沿汇流加速、板下阻流减速、板前沿抬升加速和板间消散恢复区。其中板间区域受光伏板局部影响较小，更能代表区域光伏阵列的风沙环境特征。因此，本研究光伏阵列内观测点设在板间位置。与此同时，在距离光伏阵列西侧边缘300 m处的外围流动沙地设置对照观测点。

风速观测：数据观测时间为2019年4月，风速风向传感器和数据采集仪均采用美国Onset Computer Corporation 的小型HOBO移动气象站。观测高度分别为20、50、100和200 cm，数据采集频率为1 s，每隔3 s记录1次数据，观测期间风向为W。

图2 观测现场Fig.2 Experimental observation site

输沙量观测：输沙量与风速同步观测，在不同观测点各布置1组阶梯式集沙仪，集沙仪进沙口15层，每层进沙口尺寸为2 cm×2 cm，可以观测近地表0～30 cm高度的输沙情况。集沙仪的开口与观测期间风向正对，其底部与地面平齐，观测开始时同时打开集沙仪进沙口，观测结束后同时关闭，测定时间为30 min，将收集的沙粒带回实验室，用0.01 g精度天平进行分层称重，粒径特征采用激光粒度仪测定。

1.3 测定指标及数据处理

1.3.1风速变化率风速变化率的计算公式如下。

(1)

1.3.2空气动力学粗糙度和摩阻速度空气动力学粗糙度是气-固界面“无滑移”层厚度，表示近地表风速减小到0时的高度。本研究采用普朗特-冯卡门的速度对数分布规律描述风速廓线方程(公式2)，根据近地表4个高度的风速和高度的自然对数拟合线性函数(公式3)，通过最小二乘法求出拟合直线的截距a和斜率b，在公式(3)中，令uz=0可求出粗糙度和摩阻速度[9-10]。

(2)

uz=a+bln(z)

(3)

z0=exp(a/b)

(4)

uz=kb

(5)

式中，uz为高度z处的平均风速，m·s-1；u*为摩阻速度，m·s-1；z为风速廓线上的某点距地面垂直高度，m；z0代表空气动力学粗糙度，m；k为卡门常数，取值0.4。

1.3.3输沙率输沙率是观测高度内单位时间通过单位宽度的输沙量，输沙率计算公式如下。

(6)

式中，q为输沙率，g·min-1·cm-1；Q为输沙量，g；t为观测时间，min。

1.3.4沙物质粒径垂向分布特征集沙仪沙物质粒径通过湿筛法测定，试验仪器为Mastersiaer 3000激光粒度仪。为了能更清楚揭示风沙流结构特征，将集沙仪采集的沙物质通过激光粒度分析并将平均粒径转化为Φ值标准以便于分析。利用对数转化法将实际土壤粒径转换为Φ值。

Φ=-log2D

(7)

式中，D为沙物质粒径，mm。

1.4 数据统计

利用Excel 2010进行数据统计分析，采用Orgin 7.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 风速廓线与空气动力学粗糙度

2.1.1风速变化图3显示，由于光伏阵列的阻挡作用，阵列上风向边缘处观测点A和下风向观测点B相较于流动沙地在近地表0.2 m高度处平均风速分别降低了27.76%、29.83%。随着观测高度增加，风速降低效果呈现降低趋势，在2.0 m高度处平均风速分别降低了11.01%、17.44%。由于W风向条件下阵列下风向边缘观测点B风程更长，相较于阵列上风向边缘处观测点A对过境风削弱作用则更为明显。因此，过境风由流动沙地进入光伏阵列后，沿风程各高度的风速不断被削弱且减弱效果随高度增加而降低，表明光伏阵列对近地表风速有较大的阻滞作用。

2.1.2风速廓线和粗糙度风速廓线分布反映了阵列内外风速垂直变化规律(图4)，风沙流活动集中在近地表，大量的含沙颗粒积累了大量的动能。因此，20—50 cm高度内风速随高度增加变化比较急剧，50—200 cm高度内风沙活动较弱，含量较低和粒径较小的悬移质对风速变化影响不明显，风速随高度的变化逐渐放缓。流动沙地不同风速梯度下风速与高度自然对数均呈良好的线性关系，风速廓线方程为uz=a+blnz，拟合相关度R2均大于0.97；由于光伏阵列对气流活动的干扰，相较流动沙地，阵列内风速廓线发生显著变化，不同梯度风速观测期光伏阵列内不同高度风速差异性较流动沙地的减小，阵列上风向边缘观测点A 20—50 cm高度内风速增加更剧烈，风速廓线呈对数规律；阵列下风向边缘观测点B 20—50 cm高度内风速增加较剧烈，50—100 cm高度内风速有降低趋势，只有在风速较大时,风速廓线呈对数规律。

图3 观测点A、B的风速变化率Fig.3 Wind speed change rate of observation point A and B

粗糙度和摩阻速度是描述下垫面对气流运动所受摩擦阻力的重要参数。表1结果表明，过境风由流动沙地进入光伏阵后粗糙度和摩阻速度增大,流动沙地、阵列上风向边缘观测点A和下风向边缘观测点B粗糙度分别为0.001、0.233、0.109 cm，上风向边缘测点A、上风向边缘测点B粗糙度分别为流动沙地的233倍和109倍。流动沙地、阵列上风向边缘观测点A和下风向边缘观测点B摩阻速度分别为0.374、0.591、0.497 m·s-1。摩阻速度差异规律性与粗糙度一致，阵列内摩阻速度均大于流动沙地。由此可见，光伏阵列布设增大了对近地表风能的削弱作用，导致地表空气动力学粗糙度和摩阻速度增大，光伏阵列内风蚀潜力降低。

图4 光伏阵列不同部位不同风速梯度条件下风速廓线Fig.4 Wind profile under different wind speed gradient conditions at different photovoltaic array parts

表1 粗糙度和摩阻速度Table 1 Roughness and friction speed

2.2 风沙流结构

2.2.1输沙量随高度的分布特征风沙流结构是指气流搬运的沙物质随高度的分布特征，输沙率是描述风沙流结构和风沙活动强度的重要指标，为研究输沙量随高度的变化规律，通过数学模型进行风沙流通量拟合，而拟合函数受研究方法、积沙仪效率和研究区沙物质性质的影响，拟合函数有分段函数、幂函数、对数函数和指数函数等。本研究通过多个函数进行风沙流通量拟合，发现指数函数拟合相关度最佳，其函数形式为：Q=a×ebz，R2均大于0.99(表2)。因此，流动沙地、上风向边缘、下风向边缘处3个观测点输沙量随高度的按e的负指数规律减小。

流动沙地0—6 cm输沙量占总输沙量的83.02%，且集中于0—2 cm高度，90%以上的输沙量集中于0—10 cm；上风向边缘观测点A 0—8 cm输沙量占总输沙量的84.59%，90%以上的输沙量集中于0—12 cm；下风向边缘观测点B 0—6 cm输沙量占总输沙量的84.83%，90%以上的输沙量集中于0—8 cm。携沙气流由流动沙地经过光伏阵列后，阵列上风向边缘观测点A沙物质跃移质活动层高度增加，下风向边缘观测点B沙物质跃移质活动层高度降低(图5)，其原因为上风向边缘观测点A位于阵列入风口属于气流骤变区，电池板对过境气流具有导向作用，气流沿电池板向上运动，导致跃移质活动加强，而下风向边缘观测点B经阵列削弱后，气流较稳定，跃移质高度低于上风向边缘和流动沙地，可知，阵列干扰下削弱了沙物质输移，绝对输沙量降低，起到类似沙障的作用。

表2 输沙量与高度拟合关系Table 2 Fitting relationship between sediment transport and height

流动沙地、上风向边缘观测点A和下风向边缘观测点B的输沙率随高度变化如图6。随高度增加，输沙率趋于减少，但是降低趋势表现为3个阶段：0—6 cm 高度范围内输沙率随高度的增加而迅速减少，减少率范围为62%～78%；6—10 cm 高度范围内输沙率随高度的增加降低较缓；10—30 cm 高度范围内输沙率随高度的增加变化较小。0—30 cm垂直输沙断面，流动沙地、阵列上风向边缘观测点A和下风向边缘观测点B三个观测点累计输沙率分别为2.72、1.77、1.30 g·min-1·cm-1，阵列上风向边缘观测点A和下风向边缘观测点B输沙率分别为流动沙地的65.07%、47.79%。

图5 不同高度输沙量百分含量Fig.5 Percentage of sand transport at different heights

图6 输沙率垂直分布特征Fig.6 Vertical distribution characteristics of sand transport rate

2.2.2平均粒径随高度分布特征研究砂粒粒径和高度的关系，对于认识砂粒的运动特性具有重要意义。图7结果显示，集沙仪中沙物质由贴地层至高层 φ 值呈增大趋势，即随高度升高平均粒径变小，φ 值都集中在2.0～2.5范围内，是以中沙和细沙为主。在0—5 cm高度内各观测点平均粒径随高度增加明显降低趋势；在5—10 cm高度内流动沙地平均粒径降低较小，而阵列上风向边缘观测点A平均粒径有增大趋势，下风向边缘观测点B平均粒径表现为先急剧降增大都趋于稳定；在10—15 cm高度内观测点A平均粒径变化与流动沙地一致，观测点B则表现为先降低后忽增大趋势；15—30 cm高度内平均粒径均表位为降低趋势。同时由于携沙风在阵列内受电板阻挡作用风速降低，气流托举力降低，大颗粒沙物质无法输送到高处，导致阵列内平均粒径减小。

3 讨论

通过阵列外流动沙地、阵列内上风向边缘和下风向边缘3个观测点的风速和输沙观测试验，结果表明，光伏阵列内风速降低11.01%～29.83%，且随高度增加降幅减弱。殷代英等[11]对共和盆地荒漠区研究指出，光伏电站的布设使得风速减小了53.92%；张金萍[1]研究结果显示，相对电站周边，电站内风速降低23%～43%。造成这一差异的主要原因是观测期间风向与光伏电板板面的夹角不同。风向和光伏电板板面垂直时，气流经光伏电板阻挡作用受到最大的升力和阻力，阵列内风速降低显著，风向和电板板面夹角小于90°时，对近地表风速所起到的拦截作用较弱。而本研究风向(W)与光伏电板板面的平行，阵列对风速的拦截作用最弱，因此，本研究光伏阵列内的风速的降低值低于前人研究结果。光伏阵列干扰了气流紊动性，阵列内风速廓线发生变化，风速增加率随高度增加均呈降低趋势，但阵列内风速增加率均高于流动沙地，即阵列内风速在垂直高度的变化大于流动沙地，这与线性拟合后的斜率变化一致。该结果与赵鹏宇[12]报道的乌兰布和沙区光伏阵列风速廓线在垂直高度变化相一致。阵列内上风向边缘和下风向边缘近地表粗糙度分别为流动沙地(0.001 cm)的233倍、109倍。因此光伏电站建设会改变该地区原来的下垫面状况，增加地表粗糙度，削弱了过境风能量，近地表风速沿风程逐渐降低，阵列内风蚀潜力降低。

图7 沙物质粒径垂向分布特征Fig.7 Vertical distribution characteristics of sand material size

此外，阵列外流动沙地90%以上的输沙量集中于0—10 cm，这与张华等[13]的研究结果一致，其研究表明科尔沁流动沙地80%以上的输沙量集中在0—10 cm高度层内。携沙气流由流动沙地经过光伏阵列后，光伏电板对过境气流具有导向作用，气流沿电池板向上运动，导致跃移质活动加强，阵列上风向边缘跃移质活动层高度增加，90%以上的输沙量集中于0—12 cm。下风向边缘阵列削弱后，气流较稳定，跃移质活动层高度降低，90%以上的输沙量集中于0—8 cm。阵列外的流动沙地输沙率为2.72 g·min-1·cm-1，阵列内上风向边缘和下风向边缘输沙率为流动沙地的65.07%和47.79%，这与陈曦等[14]的研究结果一致，其研究结果表明，电站内输沙量低于裸沙对照，且随着深入电站内内部，输沙率呈降低趋势。为探究输沙量随高度的分布特征，本研究通过数学模型进行线性函数、多项式函数、对数函数、幂函数和指数函数进行风沙流通量拟合，发现对数函数和幂函数拟合相关度较佳，指数函数拟合相关度最佳，阵列干扰并没有改变风沙流通量函数，这与Namikas[15]和Ellis等[16]研究结果一致。Dong等[17]通过对不同类型地表的风沙流进行拟合函数比较分析，指出指数函数和幂函数都能较好地模拟近地表1 m以下的风沙流，建议使用系数较少的指数函数模型。根据陈曦[18]对沙区光伏电场的风沙流输移特征研究，结合本研究结果可以看出，沙区光伏电站设施可以降低过境风速和削弱携沙气流。本研究可为沙区大规模光伏设施建设对脆弱生态环境的风沙活动影响提供参考依据。