極端破壞性大風(fēng)天氣對喀什地區(qū)光伏電站的影響分析

摘 要：破壞性大風(fēng)是一種對社會經(jīng)濟(jì)活動及自然環(huán)境造成嚴(yán)重影響的氣候現(xiàn)象。提取了對喀什地區(qū)光伏電站發(fā)電作業(yè)及安全生產(chǎn)有高影響的大風(fēng)天氣，利用喀什地區(qū)近60年（或30年）極端大風(fēng)資料對其進(jìn)行了危險性評估。研究表明：各種概率分布模型在估算不同重現(xiàn)周期下的風(fēng)力極值時展現(xiàn)出一定差異性，并且這種差異隨時間跨度的增加而越發(fā)顯著?；诖耍芯繌?qiáng)調(diào)了加強(qiáng)極端大風(fēng)現(xiàn)象科學(xué)研究的重要性，旨在為災(zāi)害預(yù)防和預(yù)警系統(tǒng)的建立奠定更加堅實的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光伏電站；重現(xiàn)期；光伏支架；風(fēng)險性評估

中圖分類號：P434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

風(fēng)能與太陽能是最主要的可再生清潔能源，其清潔、環(huán)保的特質(zhì)和廣泛的地理分布優(yōu)勢，極大地促進(jìn)了能源領(lǐng)域的節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。這促使全球范圍內(nèi)大量建設(shè)風(fēng)電場與光伏電站。而在這些綠色電力設(shè)施的日常運(yùn)作中，高度警惕可能引發(fā)重大影響的天氣狀況，是保障其安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵考量[1]。

塔里木盆地（以下簡稱盆地），因地處歐亞大陸的核心地帶，周圍被山脈所環(huán)繞，導(dǎo)致水汽難以進(jìn)入該區(qū)域，從而造就了亞洲大陸上最為顯著的極端干旱區(qū)。隨著氣候變化加劇，再加上沙源豐富，大風(fēng)和沙塵天氣頻發(fā)，極端破壞性大風(fēng)變得更加不可預(yù)測。這嚴(yán)重威脅了公共設(shè)施和能源基礎(chǔ)設(shè)施的安全，光伏電站也不例外。而風(fēng)電場和光伏電站的不斷增加進(jìn)一步推動了氣象服務(wù)的開展。分析影響光伏電站運(yùn)作的天氣是一項專業(yè)氣象服務(wù)工作項目，也是配合政府大力發(fā)展風(fēng)電場和光伏電站產(chǎn)業(yè)、積極開展高影響災(zāi)害性天氣與光伏電站氣象條件之間關(guān)系的研究，對開展專業(yè)氣象服務(wù)十分必要。

當(dāng)前，眾多學(xué)者深入研究了南疆大風(fēng)災(zāi)害和高影響天氣對光伏電站的影響，同時也取得了不少成果[2-6]。

可有關(guān)重現(xiàn)期計算方法對喀什地區(qū)大風(fēng)天氣之間的關(guān)系分析較少。利用喀什地區(qū)各區(qū)域光伏電站地理信息坐標(biāo)繪制了喀什地區(qū)光伏電站分布圖；根據(jù)分布圖，利用2002—2022年喀什區(qū)域17個代表站點的大風(fēng)極大風(fēng)速和最大風(fēng)速天氣資料，采用一元回歸分析極端大風(fēng)演變趨勢，討論大風(fēng)在年內(nèi)分布形態(tài)的時空特征；運(yùn)用計算極值序列和數(shù)據(jù)擬合通過多概率分布函數(shù)擬合工具軟件MuDFiT，采用不同分布函數(shù)對喀什地區(qū)基準(zhǔn)氣候站極大風(fēng)速和最大風(fēng)速進(jìn)行擬合度檢驗，計算重現(xiàn)期。

1 喀什地區(qū)光伏電站簡介及研究方法

1.1 喀什地區(qū)各光伏電站簡介

南疆太陽能資源豐富，為Ⅰ級利用地區(qū)，是光伏電站利用的最佳區(qū)域。喀什地區(qū)為沙漠干燥氣候、蒸發(fā)強(qiáng)烈、日照充足、太陽輻射且原生植物稀少，太陽能資源豐富，利用價值較高，適合大規(guī)模鋪設(shè)太陽能光伏列陣。

1.2 研究方法

（1）采用一元回歸分析極端大風(fēng)日數(shù)演變趨勢，用T檢驗方法檢測其趨勢變化的顯著性，并結(jié)合R/S方法，分析極端大風(fēng)日數(shù)變化及其持續(xù)性。

（2）計算極值重現(xiàn)期。重現(xiàn)期指的是在一段給定的年份記錄中，某個強(qiáng)度或以上的極端事件重復(fù)發(fā)生的平均時間間隔。

2 分析與結(jié)果

喀什地區(qū)大風(fēng)天氣常發(fā)生于春季，是該地區(qū)常見的氣象災(zāi)害。最多的英吉沙縣平均每年出現(xiàn)1次，最少的塔什庫爾干縣每6～7年出現(xiàn)1次致災(zāi)大風(fēng)。2022年10月喀什地區(qū)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險性等級分區(qū)見圖1。

3 喀什地區(qū)光伏周邊區(qū)域大風(fēng)特征

3.1 大風(fēng)趨勢分析

為保證足夠多的氣象站點均衡分布于研究區(qū)域，在選取喀什地區(qū)正常開展工作的32家光伏電站地理位置的基礎(chǔ)上，選取17個代表性側(cè)風(fēng)站作為研究對象?？κ驳貐^(qū)各縣（市）代表性測風(fēng)站歷年年極值風(fēng)速趨勢情況見圖2。

3.2 極端大風(fēng)重現(xiàn)期

根據(jù)喀什地區(qū)代表性測風(fēng)站歷年最大風(fēng)速趨勢線圖，最終選取1993—2022年近30年喀什國家基準(zhǔn)氣候站的極大風(fēng)速數(shù)據(jù)和1963—2022年近60年喀什國家基準(zhǔn)氣候站的最大風(fēng)速數(shù)據(jù)計算重現(xiàn)期。

利用MuDFiT軟件，應(yīng)用多種分布函數(shù)對喀什國" 家基準(zhǔn)氣象站的極端風(fēng)速數(shù)據(jù) （ 包括極大風(fēng)速和最大" 風(fēng)速）進(jìn)行匹配度分析，基于分析結(jié)果篩選出最貼合數(shù)據(jù)的前10種分布函數(shù)。針對這些選定的函數(shù)，記錄了在各種重現(xiàn)期限下預(yù)測的風(fēng)速極值（包括極大風(fēng)速和最大風(fēng)速）。隨后，計算了各重現(xiàn)期內(nèi)的最大和最小風(fēng)速極值，以及它們之間的差值，進(jìn)一步繪制了關(guān)于極大風(fēng)速極值和最大風(fēng)速的綜合曲線圖。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在喀什國家基準(zhǔn)站的極端風(fēng)速情景中，不同概率分布函數(shù)預(yù)測的極大風(fēng)速值在各重現(xiàn)期差異明顯。值得注意的是，隨著重現(xiàn)期的延長，這些模型間預(yù)測風(fēng)速的差異越發(fā)顯著。

由圖3可知，喀什國家基準(zhǔn)氣候站最大風(fēng)速不同概率分布函數(shù)在各重現(xiàn)期水平下極值存在一定的差異，且隨著時間的增加差異越明顯。在10年重現(xiàn)期下，概率分布函數(shù)最大值22.072 0 m/s，最小極值21.483 2 m/s，在20年重現(xiàn)期下，概率分布函數(shù)最大值24.141 3 m/s，最小極值23.669 1 m/s，以此分析在100年重現(xiàn)期下最大值30.118 1 m/s，最小極值26.127 1 m/s，最優(yōu)函數(shù)27.115 9 m/s。以上研究表明，最大風(fēng)速對光伏電站影響可以說為比較安全。但考慮未來氣候變化的極端性和不確定性，不排除極端天氣，建議加強(qiáng)大風(fēng)的研究，為光伏電站氣候可行性和危險性評估提供科學(xué)參考。

為了深入探究極端風(fēng)速的特征，詳細(xì)分析了各重現(xiàn)期最優(yōu)函數(shù)極大風(fēng)速值和最大風(fēng)速值（表1和表2）。常見的光伏電站整體支架按照可抵抗12級臺風(fēng)進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計最大風(fēng)速，將12級臺風(fēng)風(fēng)速=32.6 m/s。通過圖4可知，在13.5年重現(xiàn)期下，概率分布函數(shù)最大值32.560 9 m/s，最小極值31.997 0 m/s。最優(yōu)函數(shù)100年又可達(dá)到38.005 2 m/s。由此可知，13.5年一遇及以上不同重現(xiàn)期情境下存在一定的致災(zāi)風(fēng)險極高。極端大風(fēng)在光伏電站經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展在未來仍存在一定的潛在隱患，建議繼續(xù)加強(qiáng)對極端大風(fēng)的研究。

4 太陽能光伏電站與極端破壞性大風(fēng)之間的影響和原因

太陽能資源屬于可再生清潔能源，它的廣泛普及和成功利用符合當(dāng)前倡導(dǎo)和流行的“環(huán)保、可持續(xù)、低碳”的要求，同時對緩解煤炭等化石資源快速減少的局面起著重要作用。

在規(guī)劃光伏發(fā)電系統(tǒng)時，選取光伏支架的基礎(chǔ)類型需綜合考量以下幾個因素：地面的地質(zhì)特性、光伏組件距離地面的最短距離和陣列間前后排的間隔距離。當(dāng)前，光伏電站常用的光伏支架基礎(chǔ)形式有微孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土（PHC）管樁、混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)、螺旋鋼管樁、H型鋼樁等[7-8]。無論哪種太陽能利用方式，都有大量電氣部件，機(jī)械裝置和建（構(gòu)）筑物暴露在大氣中，對災(zāi)害性天氣高度敏感。此外，當(dāng)并網(wǎng)太陽能光伏電成為電力供應(yīng)的重要組成部分時，天氣變化帶來的太陽能光伏發(fā)電力的波動將給電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。

《太陽能發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，稍密砂土地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)的形式可選擇螺旋鋼管樁。螺旋鋼管樁用作沙漠區(qū)光伏支架基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的抗彎能力。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)廠房的屋頂常常鋪設(shè)數(shù)以萬計的光伏面板，加之光伏電站配備的很多逆變器、支架體系及復(fù)雜的線路網(wǎng)絡(luò)，這一龐大的設(shè)施在面對極端惡劣的大風(fēng)天氣時，暴露出多個脆弱環(huán)節(jié)。具體而言，從光伏板與支架的接口到支架內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的每一連接點，再到支架與建筑物（屋頂或地面）的錨固部位，以及貫穿其中的電纜連接，都可能成為大風(fēng)損害的突破口。這種天氣不僅可引起光伏板的劇烈震動甚至使其從安裝位置脫落、被強(qiáng)風(fēng)卷走，還可能導(dǎo)致隱蔽的面板裂紋、電路短路等問題，對電站的長期使用產(chǎn)生隱患。極端風(fēng)力會嚴(yán)重?fù)p害光伏電站，風(fēng)速嚴(yán)重超過設(shè)計風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值時，廠房頂棚的光伏板矩陣會遭受毀滅性的打擊。據(jù)了解，這些被掀起摔落的光伏板會對光伏電站造成二次災(zāi)害。需要特別注意的是，光伏電站運(yùn)行電壓可高達(dá)數(shù)千伏，一旦發(fā)生部件損壞，有可能在運(yùn)營過程中引發(fā)漏電，這不僅會對電站維護(hù)人員的人身安全構(gòu)成威脅，還可能給周圍人員帶來安全隱患。

5 結(jié)論

（1）極端破壞性天氣對光伏電站的影響研究中國各地光伏工程各環(huán)節(jié)的氣象災(zāi)害風(fēng)險，并采取科學(xué)合理的防災(zāi)措施，對減少災(zāi)害帶來的損失、確保電站和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，以及提高太陽能產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益具有至關(guān)重要的實際意義。

（2）確保光伏項目所依托的建筑物質(zhì)量可靠。設(shè)計是主要考慮支撐能力及各種高溫、寒潮、極端大風(fēng)、強(qiáng)沙塵暴等高影響天氣和地震等風(fēng)險的防范。

（3）提高光伏組件和支架和光伏的設(shè)計和安裝質(zhì)量。組件材料應(yīng)選擇考慮針對一些特殊氣候環(huán)境區(qū)域，提高組件的抗撞擊、抗震等性能，從而提高抵御特殊情況能力。

（4）嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，嚴(yán)控組件、支架、逆變器等產(chǎn)品的質(zhì)量，合理計算風(fēng)壓、雪壓等，杜絕偷工減料。

（5）密切關(guān)注光伏電站區(qū)域氣候變化特征，在極端高影響天氣來襲時，加強(qiáng)與氣象部門對接，關(guān)注氣象部門發(fā)布的預(yù)報預(yù)警信息，加強(qiáng)高影響天氣來臨前的安全生產(chǎn)檢查，采取有效的管理和運(yùn)行、維護(hù)等措施降低風(fēng)險。

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收稿日期：2024-06-25

作者簡介：阿依努爾·買買提吐遜（1985—），女，新疆喀什人，工程師，研究方向為氣象服務(wù)。#通信作者：努爾比亞·吐尼亞孜（1988—），女，新疆喀什人，高級工程師，研究方向為天氣預(yù)報，E-mail：yiziz5265861@qq.com。