沙區(qū)光伏陣列對近地層風(fēng)沙輸移的干擾效應(yīng)

唐國棟，蒙仲舉，高 永，黨曉宏，史芮嘉

沙區(qū)光伏陣列對近地層風(fēng)沙輸移的干擾效應(yīng)

唐國棟1,2，蒙仲舉3※，高 永3，黨曉宏3，史芮嘉4

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院內(nèi)蒙古陰山北麓荒漠草原生態(tài)水文野外科學(xué)觀測研究站，北京 100038； 2. 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020； 3. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010011； 4. 鄂爾多斯市水土保持工作站，鄂爾多斯 010300）

沙漠地區(qū)建設(shè)光伏陣列后，地表吹蝕和堆積過程引起的地貌變化不僅嚴(yán)重威脅到了光伏組件固定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而且間接加速損耗了電板發(fā)電功率。為探究沙區(qū)光伏陣列擾動下近地層風(fēng)沙輸移特征，在庫布齊沙漠中段的200 MW光伏電站腹地區(qū)域，通過同步測定光伏陣列腹地電板不同部位（板間、板前和板后）和上風(fēng)向無光伏設(shè)施覆蓋的流動沙地近地層輸沙率，同時(shí)利用HOBO小型移動氣象站記錄觀測期風(fēng)速和風(fēng)向信息，分析不同風(fēng)速風(fēng)向條件下光伏陣列整體阻沙率、局部不同部位風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及通量模型。結(jié)果顯示：光伏陣列與風(fēng)向夾角在–12.30°～82.19°范圍內(nèi)，光伏陣列阻沙率為35.34%～93.02%，當(dāng)夾角超過45°時(shí)，光伏陣列平均阻沙率可達(dá)84.63%；隨光伏陣列與風(fēng)向之間夾角增大，板間和板后位置風(fēng)沙輸移高度有向上層移動的趨勢，而板前位置則更加貼近地表；雙參數(shù)指數(shù)函數(shù)可以較好地模擬光伏陣列內(nèi)不同部位近地層30 cm高度范圍內(nèi)輸沙率隨高度的變化規(guī)律。研究結(jié)果有助于認(rèn)識沙漠地區(qū)建設(shè)光伏陣列后近地層風(fēng)沙輸移規(guī)律，可為科學(xué)制定次生風(fēng)沙危害防治技術(shù)方案提供依據(jù)與參考。

太陽能；沙粒；光伏陣列；輸沙率；風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)；擬合模型；庫布齊沙漠

0 引 言

太陽能光伏發(fā)電是解決傳統(tǒng)化石能源日益減少與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對能源需求日益增長之間矛盾的可靠途徑之一[1-3]。據(jù)國家能源局報(bào)道，2020年中國太陽能發(fā)電量達(dá)到2.53億kW·h，同比增長24.10%。依據(jù)安裝方式，太陽能光伏電板一般可分為地面式光伏和屋頂式光伏[4]。屋頂式光伏裝機(jī)量十分有限，目前中國主要以地面式光伏為主，占到總裝機(jī)量的70%[5]。中國西北干旱半干旱荒漠地區(qū)由于太陽能資源豐富、土地占用成本低，成為了規(guī)?；孛媸焦夥娬窘ㄔO(shè)的理想場所[6]。

在沙漠地區(qū)建設(shè)太陽能光伏電站雖然有著諸多好處，但同時(shí)也并存著一些挑戰(zhàn)。沙漠地區(qū)原本氣候干旱、風(fēng)大沙多、水資源短缺、植被稀少，是生態(tài)環(huán)境最為脆弱地區(qū)[7]，隨著沙漠地區(qū)大規(guī)模太陽能光伏電站興建，施工對地表造成擾動，土壤活化為風(fēng)沙活動提供了豐富的沙源[8]，而光伏設(shè)施擾動下流場格局發(fā)生變異，打破了原有維持地表平衡狀態(tài)的動力分布，地表風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律隨之改變[9]。研究表明，庫布齊沙漠110 MW光伏陣列風(fēng)沙活動導(dǎo)致北側(cè)邊緣區(qū)域光伏電板板下出現(xiàn)掏蝕現(xiàn)象，形成以光伏電板下沿為軸線的風(fēng)蝕坑（溝）[10]，在電板背風(fēng)側(cè)板間區(qū)域形成堆積沙壟。地表形態(tài)變化一方面導(dǎo)致按照平坦沙表面風(fēng)荷載設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，嚴(yán)重風(fēng)蝕區(qū)光伏組件有倒塌風(fēng)險(xiǎn)，另一方面地表形態(tài)變化勢必會加劇地表粉塵釋放速率，增加沙塵在光伏電板上的沉積，從而加速降低光伏電板發(fā)電效率[11]。有效防治沙區(qū)光伏電站地表次生風(fēng)沙危害成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)階段關(guān)于沙區(qū)光伏陣列擾動下近地層輸沙通量相關(guān)研究較少，而且僅關(guān)注了單風(fēng)向環(huán)境下的風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律[12-13]。Jubayer等[14-15]數(shù)值模擬和野外觀測研究結(jié)果證明，環(huán)境風(fēng)向條件對光伏陣列近地層風(fēng)速流場分布規(guī)律有重要影響，風(fēng)是沙物質(zhì)運(yùn)移的動力因素，可見不同風(fēng)向下光伏陣列內(nèi)近地層風(fēng)沙輸移特征也將存在差異。風(fēng)向改變的實(shí)質(zhì)是光伏陣列排布方向與風(fēng)向之間的夾角（下文簡稱“夾角”）發(fā)生改變，不同夾角條件的氣流共同作用塑造了沙區(qū)光伏陣列地表形態(tài)。因此，研究不同夾角條件下沙區(qū)光伏陣列近地層風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步深入探究風(fēng)沙地貌形態(tài)的形成發(fā)育、演變發(fā)展等規(guī)律，進(jìn)而采取客觀有效的措施控制或促進(jìn)風(fēng)沙運(yùn)動，達(dá)到轉(zhuǎn)害為利的目的。

鑒于此，本研究以庫布齊沙漠200 MW光伏電站為研究對象，野外觀測不同夾角下光伏電板不同部位風(fēng)輸沙通量，明確光伏陣列整體對近地層風(fēng)沙輸移的干擾效應(yīng)，闡明光伏陣列局部近地層風(fēng)沙流固體流量結(jié)構(gòu)、濃度分布和數(shù)學(xué)模型及其與夾角之間的關(guān)系，旨在揭示沙區(qū)建設(shè)太陽能光伏電站對近地層沙物質(zhì)輸移的影響，為科學(xué)制定沙區(qū)光伏電站地表次生風(fēng)沙危害防治技術(shù)方案提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫布齊沙漠中段，地屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為37°20′～39°50′N，107°10′～111°45′E。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，年平均氣溫?～8 ℃，年降水量在258.30 mm左右，年潛在蒸發(fā)量2 400 mm左右，年太陽總輻射量597.90 kJ/cm，無霜期149 d。風(fēng)沙活動主要集中時(shí)間在3－5月，全年大風(fēng)日數(shù)為25～35 d，全年盛行西北風(fēng)和西風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)。平均風(fēng)速≥5 m/s的次數(shù)為323.40次，最多年份達(dá)418次。該地區(qū)的沙丘主要呈西北-東南走向的新月形沙丘、新月形沙丘鏈和格狀沙丘鏈等，沙丘高度10～60 m，其中較為平緩的沙地占10%左右，半固定沙地占30%，其余60%為流動性沙地，且流動性較強(qiáng)。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 試驗(yàn)布設(shè)

研究光伏電站于2018年底完成安裝，整體占地面積約為5.20 km2，峰值發(fā)電量為200 MW。光伏電板面向正南，沿東西方向排布，南北相鄰兩排光伏電板間距800 cm，光伏電板傾角為36°，面板上沿距地面垂直高度270 cm，下沿距地面垂直高度35 cm。單組光伏電板由2排18列99 cm×195 cm基本光伏電板單元組成，單組光伏電板整體規(guī)格為400 cm×1 800 cm，地面投影寬度約為320 cm。

研究區(qū)域3－5月份平均風(fēng)速較大，且降雨量稀少，相對濕度較低，導(dǎo)致該時(shí)期風(fēng)沙活動最為活躍，因此野外試驗(yàn)觀測選擇在2019年3月25日—4月27日期間開展，測試期間試驗(yàn)光伏電板周圍地表植被蓋度為0。在野外試驗(yàn)觀測前，相較于建設(shè)初期，試驗(yàn)光伏電板周圍已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的吹蝕和堆積現(xiàn)象，光伏電板下掏蝕形成以光伏電板下沿為軸線的風(fēng)蝕溝槽，板間形成堆積沙壟地貌。在觀測儀器布設(shè)前，首先將試驗(yàn)光伏電板周圍地表進(jìn)行平整，整平后的光伏電板下沿高度距離地表約35 cm。具體的儀器布設(shè)方法如圖1所示，在光伏電板板間、板前和板后3個(gè)位置同時(shí)放置集沙儀，同時(shí)在上風(fēng)向無光伏電板覆蓋區(qū)域設(shè)置對照觀測。集沙儀采集高度為30 cm，共15個(gè)進(jìn)沙口，進(jìn)沙口規(guī)格為2 cm×2 cm。輸沙觀測依據(jù)風(fēng)況每次觀測時(shí)間為20～60 min不等，風(fēng)速越大觀測時(shí)間越短。所收集到的沙物質(zhì)用自封袋分層取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室用0.01 g電子天平稱質(zhì)量后，計(jì)算單位時(shí)間單位面積沙物質(zhì)傳輸速率，即輸沙率，g/(cm2·min)。進(jìn)而得出光伏電板不同位置各層（0～30 cm，每2 cm一層，共15層）輸沙率，累加得出總輸沙率。

與風(fēng)沙輸移觀測同步進(jìn)行，利用HOBO小型氣象站記錄對照觀測點(diǎn)2 m高度處風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)定為1 s，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為3 s。為了探究風(fēng)向改變對光伏陣列內(nèi)近地層風(fēng)沙活動規(guī)律的影響，將風(fēng)沙輸移觀測期風(fēng)向情況用光伏陣列與風(fēng)向之間的夾角值表示。與光伏陣列平行風(fēng)向W或E，夾角記為0°；與光伏陣列垂直風(fēng)向?yàn)镹，夾角記為+90°（夾角值的“±”沒有物理意義，僅用于區(qū)別方向，下同）；風(fēng)向?yàn)镾，夾角記為–90°。本研究共收集16組不同夾角條件下輸沙同步觀測數(shù)據(jù)（圖2），覆蓋了研究區(qū)域主風(fēng)向與光伏陣列間的夾角范圍。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

1）阻沙率

阻沙率用于反映沙區(qū)光伏陣列內(nèi)近地層水平風(fēng)沙通量相較于流動沙丘對照的降低幅度，具體計(jì)算公式[16]如下：

式中q為光伏陣列阻沙率；0為流動沙丘上方輸沙率，g/(cm2·min)；PV為光伏陣列內(nèi)輸沙率，g/(cm2·min)；TP、FP和HP分別為光伏陣列內(nèi)板間、板前和板后同步觀測輸沙率，g/(cm2·min)。

2）輸沙通量擬合函數(shù)模型

目前對于水平輸沙通量分布函數(shù)仍然沒有定論，但大量的風(fēng)洞模擬和野外實(shí)地觀測試驗(yàn)結(jié)果顯示，指數(shù)函數(shù)[17-20]、冪函數(shù)[21-23]及其修正函數(shù)[24]能夠很好地模擬輸沙率隨著高度增加的衰減規(guī)律。因此，本研究采用以下4種模型對沙區(qū)光伏陣列近地層風(fēng)沙流通量進(jìn)行擬合分析：

式中為輸沙率，g/(cm2·min)；為集沙儀進(jìn)沙口中心距離地表高度，cm；1、2、3、4、1、2、3、4和2均為模型擬合系數(shù)。

3）赤池信息量準(zhǔn)則

風(fēng)沙流通量最佳擬合模型采用赤池信息量準(zhǔn)則（Akaike Information Criterion，AIC）確定，該準(zhǔn)則是衡量統(tǒng)計(jì)模型擬合效果的一種標(biāo)準(zhǔn)，AIC值越小，表明模型擬合效果越好。計(jì)算公式為

注：為光伏陣列與環(huán)境風(fēng)向之間的夾角。下同。圖中刻度線表示風(fēng)速段對應(yīng)的頻數(shù)，同心圓之間的間隔代表頻數(shù)差值（圖g、h為200，其余小圖均為100）。

Note:represents the intersection angle between solar photovoltaic array and wind direction. Same as below. The scale line in figures represents the frequency corresponding to the wind speed section, and the interval between concentric circles represents the frequency difference (200 in figures g and h, and 100 in other small figures).

圖2 無光伏覆蓋區(qū)的風(fēng)向玫瑰圖

Fig.2 Wind direction rose diagrams of no photovoltaic coverage area

2 結(jié)果與分析

2.1 光伏陣列近地層輸沙率

不同風(fēng)況條件光伏陣列局部典型部位和流動沙丘輸沙率如圖3所示，所有風(fēng)況條件下流動沙丘近地層輸沙率總是高于光伏陣列內(nèi)，在光伏陣列內(nèi)的3個(gè)典型部位輸沙率大小關(guān)系隨夾角變化存在差異。如圖3a所示，當(dāng)夾角為–12.30°時(shí)，不同典型位置輸沙率從大到小為：板前、板間、板后，板間和板后分別為板前輸沙的80.35%和27.77%。如圖3b～圖3d所示，當(dāng)夾角為從9.13°～10.71°時(shí)，板間輸沙率增大，板前和板后位置輸沙率大致相當(dāng)，平均為板間輸沙率的49.85%。當(dāng)夾角為18.07°時(shí)（圖3e），板前輸沙率增大，輸沙率從大到小為：板間、板前、板后。隨著夾角的繼續(xù)增大，夾角在29.67°～61.61°范圍內(nèi)時(shí)（圖3f～圖3p），板前輸沙率上升至光伏陣列內(nèi)最大，且光伏陣列內(nèi)不同部位輸沙率差異較小。

進(jìn)一步探究光伏陣列對近地層沙物質(zhì)輸移的擾動效應(yīng)及其與環(huán)境風(fēng)向之間的關(guān)系。運(yùn)用光伏陣列內(nèi)3個(gè)部位輸沙率均值來表征光伏陣列內(nèi)近地層輸沙率，與上風(fēng)向無光伏電板覆蓋的流動沙丘下墊面同步觀測的輸沙率數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算得到光伏陣列阻沙率如表1所示，可以看出不同風(fēng)向條件下光伏陣列阻沙率有明顯差別，夾角由9.13°向18.07°變化時(shí)，阻沙率呈下降趨勢，由59.93%下降至35.34%。當(dāng)夾角為29.67°時(shí)，阻沙率迅速上升至62.73%。隨著夾角的進(jìn)一步增大，夾角在56.97°～82.19°范圍時(shí)，光伏陣列阻沙率為84.63%±6.11%（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）。換言之，該風(fēng)向條件下光伏陣列可降低近地層過境風(fēng)沙流84.63%的輸沙量。此外，夾角為10.71°時(shí)阻沙率為43.84%，夾角為18.07°時(shí)阻沙率為35.34%，可知夾角為12.30°時(shí)的阻沙率值在35.34%～43.84%之間，而夾角為–12.30°時(shí)，阻沙率高達(dá)56.00%。由此推斷在夾角絕對值相等條件下，夾角為負(fù)值時(shí)的光伏陣列阻沙率較高。

表1 不同風(fēng)況下光伏陣列阻沙率

2.2 光伏電板典型部位風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

為更加直觀地認(rèn)識光伏電板不同位置沙粒濃度與高度之間的關(guān)系，將累積輸沙率隨高度的變化做成柱狀圖。由圖4可以看出，流動沙丘下墊面風(fēng)沙流運(yùn)移基本貼近地表，不同風(fēng)況條件下90%以上的輸沙量均分布在0～10 cm高度范圍內(nèi)，且隨著風(fēng)速的增大，沙物質(zhì)輸移的高度有所上升。

光伏陣列內(nèi)不同部位風(fēng)沙流垂直結(jié)構(gòu)隨風(fēng)況變化差異明顯。比較相似風(fēng)速不同風(fēng)向條件下的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征（圖4e、圖4f、圖4h、圖4l、圖4n風(fēng)況下，風(fēng)速在7～8 m/s范圍內(nèi)，對應(yīng)夾角差異較大，分別為18.07°、29.67°、61.61°、77.48°和79.39°），結(jié)果顯示夾角較小時(shí)（圖4e和圖4f），光伏陣列不同部位沙物質(zhì)輸移高度較低且差異較小，75%以上的輸沙量在0～6 cm高度范圍內(nèi)傳輸，90%以上的輸沙量在0～10 cm高度范圍內(nèi)傳輸。夾角較大時(shí)（圖4h、圖4l和圖4n風(fēng)況），板間和板后位置沙物質(zhì)輸移高度增加，75%以上的輸沙量在0～10 cm高度范圍內(nèi)傳輸，90%以上的輸沙量在0～20 cm高度范圍內(nèi)傳輸。而板前位置沙物質(zhì)輸移高度則略有降低，75%以上的輸沙量在0～4 cm高度范圍內(nèi)傳輸，90%以上的輸沙量在0～6 cm高度范圍內(nèi)傳輸。

比較不同風(fēng)速和不同風(fēng)向條件下的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，在夾角較小且風(fēng)速較大風(fēng)況條件下（圖4a～圖4d，風(fēng)速在10.35～11.57 m/s范圍內(nèi)，夾角絕對值在9.13°～12.30°范圍內(nèi)），75%以上的輸沙量在0～8 cm高度范圍內(nèi)傳輸，90%以上的輸沙量在0～12 cm高度范圍內(nèi)傳輸。與之相比，夾角較大且風(fēng)速較小風(fēng)況條件下（圖4m～圖4p，風(fēng)速在7.21～9.75 m/s范圍內(nèi)，夾角在78.45°～82.19°范圍內(nèi)），板間和板后位置沙物質(zhì)輸移的高度明顯上升，75%以上的輸沙量在0～11 cm高度范圍內(nèi)傳輸，90%以上的輸沙量在0～20 cm高度范圍內(nèi)傳輸，板前位置沙物質(zhì)輸移高度則表現(xiàn)出小幅下降趨勢，75%以上的輸沙量在0～4 cm高度范圍內(nèi)傳輸，90%以上的輸沙量在0～5 cm高度范圍內(nèi)傳輸。一般來說，風(fēng)速越大，沙物質(zhì)輸移高度越高，然而通過上述比較發(fā)現(xiàn)，即使風(fēng)速相對較小，仍然呈現(xiàn)出隨著夾角的增大，板間和板后位置沙物質(zhì)輸移高度表現(xiàn)出較強(qiáng)的向上層移動的趨勢。

綜上所述，隨著光伏陣列與風(fēng)向夾角的增大，板間和板后位置沙物質(zhì)輸移高度表現(xiàn)出較強(qiáng)的向上層移動趨勢，而板前位置沙物質(zhì)輸移則相對更加貼近地表。

2.3 光伏電板典型部位輸沙通量模型

為研究輸沙率隨高度的變化規(guī)律，利用Origin軟件做出輸沙率隨高度變化的散點(diǎn)圖，結(jié)果顯示輸沙率隨著高度增加均呈現(xiàn)下降趨勢，不同風(fēng)況下大致呈現(xiàn)3種變化規(guī)律，如圖5所示，隨著夾角的增大，光伏陣列內(nèi)不同部位各高度層輸沙率大小關(guān)系發(fā)生改變，且相較于流動沙丘，光伏陣列內(nèi)近地層10 cm高度范圍內(nèi)輸沙率隨夾角增大而下降明顯。

為探究沙區(qū)光伏陣列擾動下近地層最佳風(fēng)沙通量模型，運(yùn)用指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)及其修正函數(shù)4種模型，對4個(gè)觀測點(diǎn)在16種不同風(fēng)況下的64組數(shù)據(jù)擬合共256次，其中14次擬合失敗。擬合的2、AIC值和RMSE統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，指數(shù)函數(shù)及其修正函數(shù)均方根誤差較小、2較大和AIC值更小。從擬合相關(guān)度2來看，有60.94%的情況下雙參數(shù)指數(shù)模型（模型1）與三參數(shù)指數(shù)模型（模型2）擬合結(jié)果一致，有39.06%的情況下雙參數(shù)指數(shù)模型略低于三參數(shù)指數(shù)模型擬合結(jié)果，而且這種差異性非常小，一般表現(xiàn)在0.001量級上；從AIC值來看，有64.06%情況下雙參數(shù)指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果更佳，有32.81%情況下三參數(shù)指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果更佳；綜合得出，雙參數(shù)指數(shù)模型可以較好地模擬光伏陣列內(nèi)3個(gè)典型部位近地層30 cm高度范圍內(nèi)輸沙率隨高度的變化規(guī)律。

表2 4種函數(shù)模型輸沙率擬合結(jié)果對比

注：AIC為赤池信息量準(zhǔn)則；(z)為高度處輸沙率，g·cm-2·min-1；為集沙儀進(jìn)沙口中心距離地表高度，cm；1、2、3、4、1、2、3、4和2均為擬合系數(shù)。下同。

Note: AIC is Akaike Information Criterion;(z)is the sand transport rate at height of, g·cm-2·min-1;represents the arithmetic mean of the top and bottom of each chamber in the sampler, cm;1,2,3,4,1,2,3,4, and2are regression coefficients. Same as below.

對于指數(shù)函數(shù)而言，系數(shù)表征風(fēng)沙流中沙粒濃度的最大值或蠕移輸沙量[26]，系數(shù)一般認(rèn)為是反映沙粒濃度隨高度的衰減程度[27]，即遞減率，值越大衰減速度越慢，值越小衰減速度越快。如表3所示，流動沙丘、板間、板前和板后位置系數(shù)值范圍為0.278～1.633、0.009～0.945、0.026～0.729和0.004～0.687。流動沙丘處的值高于光伏陣列內(nèi)不同部位，表明光伏陣列的存在使得近地表風(fēng)沙流的塵粒濃度或輸沙率降低。光伏陣列內(nèi)不同部位的值隨風(fēng)況條件變化存在差異，當(dāng)夾角為9.13°～10.17°時(shí)，值表現(xiàn)為光伏電板板間較高，板前和板后相當(dāng)且較低。當(dāng)夾角增大至18.07°時(shí)，板前位置值略高于板間位置增至光伏陣列內(nèi)最大。隨夾角繼續(xù)增大，夾角在29.67°～82.19°范圍內(nèi)時(shí)，板前位置值最大，板間和板后位置值相當(dāng)，平均僅為板前位置的0.33倍。

不同風(fēng)況條件下流動沙丘、板間、板前和板后位置系數(shù)值范圍為2.103～3.826、3.820～6.120、2.163～3.821和2.525～3.953。隨著夾角的增大，板間位置值有一定的增大趨勢，表明輸沙率隨高度衰減速度越慢，即沙物質(zhì)傳輸向高層移動，板前位置則隨夾角的增大值有減小的趨勢，表明輸沙率隨高度衰減速度變快，即沙物質(zhì)傳輸向貼地層方向移動。板后位置值隨著夾角變化無明顯的規(guī)律。

表3 風(fēng)沙流通量系數(shù)a，b與夾角之間的關(guān)系

注：和為函數(shù)模型擬合系數(shù)。當(dāng)=56.97°時(shí)，由于風(fēng)速低且輸沙率太小而擬合失敗。

Note:andare the fitting coefficients of function models. When the angle is 56.97°, the fitting fails because the wind speed is low and the sand transport rate is too small.

3 討 論

目前，關(guān)于沙區(qū)光伏陣列擾動下近地層風(fēng)沙通量模型的研究相對較少，陳曦等[12]在烏蘭布和沙漠東南緣光伏電站的研究結(jié)果顯示，電板下沿、上沿及板間位置輸沙率隨高度增加均符合多項(xiàng)式函數(shù)形式。楊世榮[13]在庫布齊沙漠中部光伏電站的研究結(jié)果顯示，不同風(fēng)速條件下電板不同部位最佳模型存在差異，6.5 m/s風(fēng)速條件板下和板前輸沙通量指數(shù)函數(shù)模型表現(xiàn)最佳，而板間則冪函數(shù)模型最佳；8.4 m/s時(shí)板下和板前表現(xiàn)為冪函數(shù)模型最佳，而板間則為多項(xiàng)式函數(shù)模型最佳。不同的研究者觀測時(shí)環(huán)境地形地貌和風(fēng)況不同，研究光伏電板規(guī)格、安裝角度、高度、間距等條件均存在差異，這將導(dǎo)致得出不同的甚至是截然相反的結(jié)論。本研究基于野外觀測數(shù)據(jù)，采用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)及其修正函數(shù)共4種模型進(jìn)行擬合分析，運(yùn)用擬合相關(guān)度2和赤池信息量準(zhǔn)則綜合對擬合結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示雙參數(shù)指數(shù)函數(shù)模擬效果較好。本研究結(jié)果與上述他人研究結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，主要是由于采用集沙儀的高度差異所致。陳曦等人和楊世榮觀測時(shí)均采用25層50 cm高度集沙儀，本研究采用的是15層30 cm高度集沙儀。而本研究光伏電板下沿野外觀測時(shí)距離地表約35～40 cm，因此在板前位置布設(shè)較高的集沙儀，當(dāng)來流方向與光伏電板布置方向呈一定角度時(shí)，高出電板下沿以上的集沙盒子必定收集不到沙物質(zhì)，即光伏電板對風(fēng)沙流垂直結(jié)構(gòu)有阻斷影響，由此可見，光伏陣列地表不同高度范圍內(nèi)不同部位沙塵通量模型可能存在差別。綜上所述，本研究結(jié)果可以證實(shí)，不同風(fēng)向光伏陣列擾動下地表30 cm高度范圍內(nèi)雙參數(shù)指數(shù)能夠很好模擬輸沙率隨高度的變化趨勢。

風(fēng)沙運(yùn)動是一種貼近地表的沙粒搬運(yùn)現(xiàn)象。張正偲等[25]通過451次風(fēng)沙流觀測數(shù)據(jù)研究得出，騰格里沙漠東南緣平坦沙地上0～20 cm高度范圍內(nèi)輸沙量占總輸沙量的比例大于95%。陳新闖等[28]對烏蘭布和沙漠流動沙丘野外觀測得出，80%以上輸沙量集中于0～10 cm高度，90%以上的輸沙量集中于0～20 cm高度。本研究發(fā)現(xiàn)，對照平坦裸沙地90%以上的輸沙量均分布在0～10 cm高度范圍內(nèi)，與上述研究結(jié)果基本一致。在光伏陣列的擾動下，風(fēng)向變化對沙粒傳輸高度有影響，夾角較大時(shí)，板間和板后位置沙物質(zhì)輸移高度增加，90%以上的輸沙量在0～20 cm高度范圍內(nèi)傳輸。而板前位置沙物質(zhì)輸移高度則有下降趨勢，90%以上的輸沙量在0～6 cm高度范圍內(nèi)傳輸。這是由于過境氣流運(yùn)動方向與光伏陣列排布方向呈一定角度時(shí)，傾斜的光伏電板發(fā)揮導(dǎo)流作用使得下沿出風(fēng)口氣流運(yùn)動方向更加貼近于地表，因此板前沙物質(zhì)輸移高度降低。而板間和板后區(qū)域此時(shí)容易產(chǎn)生渦旋[14]，從而增加了垂直向上的升力，導(dǎo)致風(fēng)沙流表現(xiàn)出較強(qiáng)的向上層移動趨勢。

在流動沙丘地區(qū)，任何植被或機(jī)械沙障的覆蓋都會減少地表裸露，從而降低土壤可蝕性，達(dá)到保護(hù)土壤不被風(fēng)蝕的作用[29-31]。通過與無光伏電板覆蓋區(qū)域?qū)Ρ妊芯堪l(fā)現(xiàn)，夾角在–12.30°～82.19°范圍內(nèi)，近地層水平輸沙通量降低幅度在35.34%～93.02%之間，隨夾角增大而增大。當(dāng)夾角超過45°時(shí)，光伏陣列平均可降低近地層84.63%的水平輸沙通量。光伏陣列與風(fēng)向夾角相同而來流方向不同時(shí)，即夾角絕對值相等符號不同，光伏陣列阻沙率存在差異。本研究結(jié)果顯示，夾角為負(fù)值時(shí)光伏陣列的阻沙率更強(qiáng)，這是由于光伏陣列本身結(jié)構(gòu)特性所致，光伏電板面朝正南，北高南低呈36°角傾斜。對于過境氣流的作用機(jī)理與風(fēng)沙危害防治中的下導(dǎo)風(fēng)工程相似。已有下導(dǎo)風(fēng)工程領(lǐng)域相關(guān)模擬研究[32-33]表明，當(dāng)夾角為+90°時(shí)，傾角為60°的導(dǎo)板迎面來向氣流在距離下沿約7/10的位置產(chǎn)生分離點(diǎn)，也就是說導(dǎo)板層流的70%導(dǎo)向地面端出風(fēng)口，而30%導(dǎo)向大氣端出風(fēng)口。夾角為–90°時(shí)則正好相反，導(dǎo)板層流的30%導(dǎo)向地面端出風(fēng)口。以此類比，可以很好地解釋夾角為負(fù)值時(shí)光伏陣列的阻沙率強(qiáng)于夾角為正值時(shí)的情況。

綜合來看，光伏陣列與風(fēng)向夾角是影響陣列內(nèi)近地層風(fēng)沙輸移強(qiáng)度的重要因素，夾角較大時(shí)，陣列本身可以具有較強(qiáng)的截流阻沙效應(yīng)，此時(shí)迎風(fēng)側(cè)邊緣區(qū)是防護(hù)重點(diǎn)；夾角較小時(shí)，陣列截流阻沙作用有限，挾沙氣流更加容易進(jìn)入陣列內(nèi)，進(jìn)而引起地表的形態(tài)變化。此時(shí)陣列邊緣區(qū)域不僅要做好地表固沙措施，同時(shí)應(yīng)設(shè)置具有防風(fēng)作用的高立式機(jī)械沙障或建設(shè)防護(hù)林等，以削弱氣流進(jìn)入光伏陣列時(shí)的初始動能，從而降低光伏陣列內(nèi)風(fēng)沙活動強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

本研究主要分析不同風(fēng)況條件下，庫布齊沙漠200 MW光伏電站整體對近地層水平輸沙通量的攔截效能和腹地區(qū)域電板不同部位（板間、板前和板后）輸沙率、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及通量模型。得到如下結(jié)論：

1）沙漠地區(qū)建設(shè)光伏陣列后對近地層風(fēng)沙輸移有一定攔截作用，尤其當(dāng)光伏陣列與風(fēng)向夾角超過45°時(shí)，光伏陣列平均可降低近地層84.63%的水平輸沙通量。此外，夾角絕對值相等條件下，夾角為負(fù)值比正值時(shí)光伏陣列對風(fēng)沙輸移的攔截效能更加明顯。

2）光伏陣列局部不同部位沙粒濃度與高度之間的關(guān)系表現(xiàn)為：隨夾角增大，板間和板后位置風(fēng)沙輸移高度表現(xiàn)出較強(qiáng)的向上層移動趨勢，而板前位置則相對更加貼近地表。雙參數(shù)指數(shù)模型可以較好地模擬光伏陣列內(nèi)3個(gè)典型部位近地層30 cm高度范圍內(nèi)輸沙率隨高度的變化規(guī)律，擬合相關(guān)度2達(dá)0.923～1.000，RMSE僅為0.740×10-3～567.262×10-3g/(cm2·min)。

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Interference effect of solar photovoltaic array on near surface aeolian sand transport in sandy areas

Tang Guodong1,2, Meng Zhongju3※, Gao Yong3, Dang Xiaohong3, Shi Ruijia4

(1.,,100038,; 2.,010020,; 3./,,010011,; 4.,010300,)

Deserts are ideal places to develop ground-mounted large-scale solar photovoltaic (PV) power stations. However, it is evitable surface erosion that may occur after the construction of a solar PV power station, where solar energy production, operation, and maintenance depend mainly on geomorphological changes in sandy areas. This study aims to investigate the characteristics of wind-sand movement under the interference of solar PV array, thereby reducing the damage to solar energy. The study area was located in the middle part of the Hobq Desert in China. The observation field was 300 m from the west edge of the test solar PV power station that was built at the end of 2018. There were no any protective measures on the surface of the solar PV power station during the test, such as sand-binding plants or sand-barriers. Field observations were conducted from 20 March to 13 April 2019. The reason was that the aeolian sand activity was the strongest in the study area during from March to May, due to the frequent occurrence of strong wind, extended drought, and limited rain. Thus, wind erosion led to the formation of trenches in the immediate vicinity of the downwind of panels, and sand ripples between adjacent north-south panels. The surface surrounding the test PV panels was smoothened, while the underlying surface was flattened before the experimental instruments were arranged. The flatting operation allowed for the comparison of experimental data. Sediment transport was measured in different wind directions above shifting dunes at three observation sites around the PV panels, such as between, in front of, and behind the panels. Meanwhile, the wind speed and direction were recorded using a HOBO sensor at the observation sites of shifting dunes. The sediment transport data was also collected at sixteen wind regimes. Sand-fixation of solar photovoltaic array, aeolian-sand flow structure and fitted model around the PV panels were then analyzed under the different wind regimes. The results showed that the near-surface sand transport rate above shifting dunes was always larger than that in the solar PV array in all cases, where the intersection angle between the solar PV array and wind direction was a key parameter to dominate the sand inhibition rate of solar PV array. Specifically, the sand inhibition rate ranged from 35.34% to 93.02% at the angle range from -12.30° to 82.19°. The mean value of sand transport rate above the solar PV array reduced to 84.63%, compared with the shifting dunes, especially with the angle exceeding 45°. There was also no change in the sand transport rate model when applying the solar PV array, similar to the shifting dunes. A two-parameter exponential function was better fit for the measured profiles of flux density on the near-surface of solar PV array. Wind-sand flow between and behind the panels tended to evidently move towards a high layer with the angle increased, where the rising range was 8-10 cm, whereas, the saltation height at the observation site before the panels tended to move towards a low layer, where the decrease range was 4-5 cm. The finding can contribute to the understanding of the wind-sand movement characteristics under the interference of solar PV array, providing insightful ideas to plan better technical schemes against wind-sand hazards at solar PV power stations.

solar energy; sand; photovoltaic array; sand transport rate; aeolian-sand flow structure; fitting model; the Hobq Desert

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2021-04-12

2021-06-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC0507101）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)（zdzx2018058-3）

唐國棟，博士，研究方向?yàn)榛哪乐巍mail：18247158690@163.com

蒙仲舉，博士，教授，研究方向?yàn)榛哪乐?。Email：mengzhongju@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.012

TM615

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1002-6819(2021)-13-0101-10