光伏发电是通过光伏电板将太阳辐射转化为电能，是解决能源需求日益增长的可靠途径^[1]。中国西北地区，太阳能资源丰富^[2]，是规模化建设光伏电站的理想场所^[3]。大规模光伏阵列引起了地表流场格局发生变化^[4]，改变了电站地表风沙运动规律^[5]。开展沙区光伏电站内风况与输沙特征的分析，为区域防风固沙过程和风沙灾害防治提供科学参考，对生态脆弱地区的生态文明建设具有一定的科学指导意义，有助于科学认识光伏产业的发展^[6]。

迄今为止，针对光伏电站的风况与输沙环境的研究，主要集中在共和盆地^[7-9]、毛乌素沙地^[10-11]、腾格里沙漠^[12]、乌兰布和沙漠^[13]、库布齐沙漠^{[4, 14-17]}、塔克拉玛干沙漠^[18]等。袁方等^[11]在毛乌素沙地研究发现，光伏阵列使得风速流场的空间分布发生了明显的变化；在库布齐沙漠，郭彩贇等^[4]和贾瑞庭等^[17]研究发现，光伏板干扰了流场分布，对风速和输沙具有明显的拦截作用；杨世荣等^[16]研究发现，风速脉动随高度增加呈先减少后增大的趋势；王雪芹等^[18]在沙漠—绿洲过渡带研究发现，植物群落结构的差异增加了风速脉动垂直方向的复杂性；唐国栋等^[19]研究发现，风向夹角是影响站内近地表风沙输移强度的重要因素；陈曦等^[13]在乌兰布和沙漠研究也发现光伏电板对风沙具有明显的拦截作用，同时发现，光伏电板前沿与电板后沿区域风沙流特征呈非饱和状态。综上，目前对沙漠地区光伏阵列风速流场的相关研究较少，尤其是光伏阵列+草方格防护措施的复杂流场结构探索不够深入。宁夏回族自治区中卫市沙漠光伏产业园是中国最大的沙漠光伏基地，有关该区域光伏阵列的风况和输沙特征的研究尚未见报道。为此，本文以该市沙漠光伏产业园内光伏阵列为研究对象，采用梯度风速观测设备，对风速流场、风速脉动与风沙流结构等进行研究，探索该区域光伏阵列的防风固沙效果，以期为沙漠地区风沙灾害治理提供科学参考，也为荒漠地区生态环境可持续发展提供重要的理论支撑。

1 研究区概况

研究观测区地处腾格里沙漠东南缘，该地区气候干旱，环境恶劣，平均海拔约1 339 m，年均气温9.6 ℃，月平均气温6.7~24.1 ℃，年均降雨量186 mm，年均风速为2.8 m/s，春夏两季的起沙风频率占全年总量的72.3%，主导风向为WNW—NNW(冬春)和NE—E(春夏)，大于5 m/s的风沙天气约200 d/a^[20]。土壤基质为松散贫瘠的流沙，主要植物为油蒿(Artemisia ordosica)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、花棒(Hedysarum scoparium)等^[21]。

中卫沙漠光伏产业园(37°32′20N, 105°1′32E)是中国最大的沙漠光伏产业园，总面积43.33 km^2[22]，每1 m²地区年接收太阳能约为2 000~3 000 kW·h^[23]。沙漠光伏产业园内地表以裸沙为主，固沙措施为草方格和砾石，电站偏西北侧光伏阵列区域出现不同程度的掏蚀现象，东侧护栏网外沙丘表现弱堆积形态，电站内腹地与东侧区域有一定程度的植被恢复。

2 研究方法与数据处理 2.1 研究方法

2023年4月中旬，开展气流场与风沙流结构野外观测。野外观测试验布置如图 1所示。

(1) 风速廓线观测布置。分别在光伏电站外西北侧1 km处与电站内腹地阵列间区域布置梯度风速仪(图 1a)。

(2) 集沙仪观测布置。选择光伏阵列草方格断面的电板前沿、电板后沿和阵列间布置集沙仪(图 1b^*)，同时安装梯度风速观测设备，且在流动沙丘(上风向与下风向)设置集沙仪对照观测点，单次观测时间为50~60 min，共进行3组有效观测。集沙仪的集沙孔为2 cm×2 cm，每层高度2 cm，共分为10层，观测时集沙孔与地面和主风向垂直，底部与地面平齐。收集结束后，对集沙仪中的各层进行称重。

(3) 风速脉动观测布置。选择光伏电站上风向边缘(断面1)、站内腹地(断面2)、风蚀坑(断面3)和流动沙丘(断面4)区域开展风速流场的观测。在电板前沿、电板后沿和阵列间中线处安装梯度风速仪，观测高度如图 1b^*所示，同时在流动沙丘参照点(上风向)布置对照点同步观测。其中，砾石断面和草方格断面观测同步进行，风蚀坑断面与流动沙丘断面观测同步进行，每次观测时间为30~50 min，重复观测3~5次。

(4) 风速流场观测布置。在各光伏阵列断面的电板前沿、后沿和阵列间，自北向南依次架设梯度风速仪，观测高度如图 1c^*所示，风速仪每1 min采集一次数据，单次观测时间为1h，重复观测3次。断面1地表为砾石，断面2地表为草方格，断面3地表性质为风蚀坑，其中，断面1和2观测同步进行，断面3和4观测同步进行。

2.2 数据计算和处理

(1) 风速相对加速率是体现近地表流场的重要指标。采用Jackson等^[24]定义的计算公式为:

$ \Delta s=\frac{u_z-U_z}{U_z} $

(1)

式中：Δs为风速相对加速率；u_z为z高度的实测风速(m/s)；U_z为基点(电板后沿)200 (cm)高度处的实测风速。

(2) 防风效果^[25]。计算公式为：

$ F=\frac{v_0-v_z}{v_0} \times 100 \% $

(2)

式中：F为防风效果；v₀, v_z为在同一高度下参照点和站内观测点的平均风速。

(3) 风速脉动(I)^[26]。计算公式为：

$ I=\left|u-u_m\right| $

(3)

式中：I为风速脉动；u为观测瞬时风速(m/s)；u_m为观测期间的平均风速(m/s)。

(4) 湍流度(G)^[26]。计算公式为：

$ G=I / u_m $

(4)

式中：G为湍流度；u为观测瞬时风速(m/s)；u_m为观测期间的平均风速(m/s)。

(5) 风沙流结构特征值(λ)^[27]。计算公式为：

$ \lambda=Q_{4-20} / Q_{0-2} $

(5)

式中：λ为风沙流结构特征值；Q_4—20，Q_0—2分别表示4—20 cm和0—2 cm高度的输沙量〔g/(min·cm)〕。

(6) 固沙效益^[25]。计算公式为：

$ E=\frac{q_0-q_z}{q_0} \times 100 \% $

(6)

式中：E为固沙效益；q₀，q_z分别为对照点和站内观测点高度的输沙量。

数据处理采用Excel和Origin 2021进行统计与绘图。

3 结果与分析 3.1 风速垂直分布

由图 2可知，试验观测期间，主风向为西风和西北风，站外流动沙丘观测点平均风速为9.58 m/s(图 2)，电站腹地观测点平均风速为5.41 m/s。电站内，阵列间行道与光伏电板后沿平均风速随高度上升呈现出增加趋势，光伏电板前沿平均风速随高度上升表现出先降低后增加的趋势，而流动沙丘参照点(上风向)风速随高度上升增幅更快，波动性更强，但在60 cm高度处，风速出现小幅下降(图 3—4)。

3.2 风速流场与防风效果

由图 5可知，砾石观测断面(A)风速流场较为平缓，在电板后沿(300 cm)和阵列间(800 cm)200 cm高度处风速明显增加，40 cm以下高度处风速降低，20 cm高度处风速相对加速率呈现下降趋势(图 6a)。草方格观测断面(B)电板前沿(0 cm)区域的风速明显增加，在150 cm处形成了小型涡旋区，电板后沿区域风速降低，阵列间100 cm高度以上区域风速增加，100 cm高度以下区域风速降低(图 5)，电板前沿的风速相对加速率为正值，电板后沿的风速相对加速率为负值，阵列间的风速相对加速率随垂直高度上升而增加(图 6b)。风蚀坑观测断面(C)电板前沿和电板后沿10 cm高度以下区域风速降低，阵列间行道区域风速明显增加，电板前沿风速相对加速率为负值，风速相对加速率为正值。

由表 1可知，砾石观测断面的电板前沿、电板后沿、阵列间防风效果分别为52.36%，51.59%和51.36%，草方格观测断面的电板前沿、电板后沿、阵列间防风效果分别为47.97%，52.68%和49.55%，砾石观测断面的防风效果较草方格断面更明显。

3.3 风速脉动与湍流度

由表 2可以看出，砾石观测断面的电板前沿、电板后沿和阵列间风速脉动分别为1.13，1.17和1.12 m/s，电板前沿的平均脉动风速随高度的上升呈先减小后增大的趋势，而电板后沿和阵列间的平均脉动风速呈现出随高度的上升而增加的趋势；草方格观测断面的电板前沿、电板后沿和阵列间风速脉动分别为1.51，1.03和1.09 m/s，电板前沿和电板后沿的平均脉动风速随高度的上升呈先减小后增大的趋势，而阵列间的平均脉动风速表现出随高度的上升而增加；风蚀坑观测断面的电板前沿、电板后沿和阵列间风速脉动分别为0.93，1.27和1.69 m/s，电板前沿的平均脉动风速随高度的上升表现出先减小后增大的趋势，而电板后沿和阵列间表现出随高度的上升而增加的趋势(表 2)。

从图 7可知，砾石和草方格观测断面的电板前沿和电板后沿不同高度的风速脉动差异不明显，二者阵列间的不同高度的风速脉动变化均较明显；风蚀坑观测断面电板前沿、电板后沿和阵列间不同高度的风速脉动呈现出明显的不同。

由图 8可知，草方格观测断面的电板前沿、电板后沿、阵列间的湍流度平均值分别为0.46，0.34，0.35；砾石观测断面的电板前沿、电板后沿、阵列间的湍流度平均值分别为0.36，0.37，0.36；风蚀坑观测断面的电板前沿、电板后沿、阵列间的湍流度平均值分别为0.25，0.27和0.33。

因此可以得出，草方格观测断面的电板前沿的湍流度最高，风蚀坑观测断面电板前沿的湍流度最低。

3.4 光伏电板不同位置输沙量特征

在风速条件为9.51 m/s时，各观测点单位时间总输沙量分别为：流动沙丘参照点上风向〔10.129 g/(min·cm²)〕、流动沙丘参照点下风向〔4.435 g/(min·cm²)〕、电板前沿〔0.078 g/(min·cm²)〕，电板后沿〔0.011 g/(min·cm²)〕与阵列间中线〔0.01 g/(min·cm²)〕(表 3)；在风速条件为7.57 m/s时，各观测点单位时间总输沙量分别为：流动沙丘参照点上风〔6.211 g/(min·cm²)〕、流动沙丘参照点下风向〔4.163 g/(min·cm²)〕、电板前沿〔0.201 g/(min·cm²)〕，电板后沿〔0.072 g/(min·cm²)〕与阵列间中线〔0.052 g/(min·cm²)〕(表 4)。电站内观测点的单位时间总输沙量均表现为：电板前沿＞电板后沿＞阵列间中线。

由图 9可知，各观测点的输沙量随高度的上升而减少，沙粒跃移主要集中在10 cm以内，最大值均出现在0~2 cm高度内。由表 3—4可知，流动沙丘参照点(上风向)与电板前沿风沙流结构特征值λ＜1，表现为堆积，表明沙粒在搬运过程中向近地面贴近，下层沙量增大很快，呈现饱和状态；而流动沙丘参照点(下风向)、电板后沿和阵列间风沙流结构特征值λ＞1，表现为侵蚀，表明近地层流场出现扰动，使得上层气流挟沙能力增强，呈现非饱和状态。光伏阵列电板前沿固沙效益为98.33%、电板后沿固沙效益为99.77%，对过境气流具有较强的削弱作用，转化与消耗了风沙流的动力，起到了明显的固沙作用。

4 讨论 4.1 风速垂直分布

本研究发现，在电站内，阵列间行道与光伏电板后沿平均风速随高度上升呈现出增加趋势，光伏电板前沿平均风速随高度上升表现出先降低后增加的趋势，而流动沙丘参照点(上风向)风速随垂直高度上升增幅更快，波动性更强，这与杨若婷等^[9]和袁方等^[11]研究结果基本一致，光伏阵列和站内植被对风速具有削减和拦截作用，层层削弱过境气流，光伏板下区域的上方气流与下方地表气流在电板前沿相汇，使得100 cm高度风速略微下降。肖建华等^[28]研究也发现，电站设施引起的表面粗糙度增加导致风速降低了20%。

4.2 风速流场与防风效果

光伏电站边缘区域与腹地区域风况与风能环境不同，风速流场格局差异明显。本研究发现，草方格观测断面的电板前沿出风口处风速明显增加，在150 cm高度处形成小型涡旋，但电板后沿和阵列间100 cm高度以下的风速降低，这与袁方等^[11]在毛乌素沙地研究结果基本一致。这是因为，气流经过多排光伏电板层层阻挡与削弱后能量衰减，且电板布设与地面存在一定夹角，在电板后沿遇阻气流方向改变，随电板集流后从电板前沿相汇加速流出^[4]，地表草方格和植被的存在，引起了流场格局发生变异。风蚀坑观测断面的电板前沿100 cm高度处风速降低，形成低速反向涡旋，风沙流颗粒聚积在反向涡旋周围形成堆积，在电板后沿100 cm高度以下风速降低，但阵列间100~200 cm高度处风速增加，这与郭彩贇等^[4]在库布齐沙漠的研究结果基本一致。这是因为，本研究区光伏阵列地基出现了45~70 cm的风蚀坑，在阵列间形成了积沙区，气流在风蚀坑中产生回旋涡流，持续掏蚀砂质地表，与光伏阵列本身的阻风作用叠加，致使梯度风速发生变化，电板后沿风速下降，阵列间区域风速增加。由于本研究区部分区域存在草方格以及少量植被，草方格观测断面的风速流场与风蚀坑观测断面存在着明显的不同，这与郭彩贇等^[4]在库布齐沙漠研究结果基本一致。因此，在未来电站维护过程中，应关注电板前沿风能环境所造成的影响。

4.3 风速脉动与湍流度

本研究发现，草方格观测断面的电板前沿和电板后沿的平均脉动风速均随高度上升呈先减小后增大的趋势，与杨世荣等^[16]在库布齐沙漠研究结果基本一致。砾石观测断面的电板前沿的平均脉动风速随高度上升呈先减小后增大的趋势，电板后沿和阵列间的平均脉动风速随高度的增加呈上升趋势。这是由于电板前沿的出风口存在集流汇聚作用，150 cm高度处风速脉动增强，在离心力的作用下，涡旋能量传递减弱，导致50~100 cm高度处风速脉动减弱^[16]。流动沙丘参照点(上风向)的平均脉动风速呈现出随着高度的上升而增加的趋势，毛东雷等^[29]研究也发现，流动沙丘的风速脉动幅度变化和地表植被盖度有明显关系，本研究中，由于光伏阵列的存在以及地表植被覆盖，影响了风速脉动的幅度。近地表湍流度的变化与沙粒运动的干扰有关，距地表越远，湍流度越趋向于稳定^[30]。本研究发现，草方格观测断面电板前沿的湍流度最高，风蚀坑观测断面电板前沿的湍流度最低。这是因为，气流沿光伏电板后沿进入，而电板布设与地面存在一定夹角，气流集流加速从电板前沿流出，引起了湍流幅度增强^[31]影响风速脉动，而风蚀坑观测断面，气流经过凹陷的风蚀坑遇阻减速留住，与电板下方气流汇聚电板前沿扩散形成低速反向涡旋，沙粒在离心力作用下能量衰减，风速降低，引起局部湍流度下降。

4.4 光伏电板不同位置输沙量特征

本研究发现，电站内观测点均表现为：电板前沿＞电板后沿＞阵列间中线，这与贾瑞庭等^[17]在库布齐沙漠的研究结论相似，可能是因为观测期间电板后沿为进风口，电板前沿为出风口，气流经过电板后沿遇阻减速，电板前沿至地表集流加速流出，风速明显增加，引起了地表沙粒起动^[1]，输沙量增加。流动沙丘(上风向)与电板前沿的风沙流结构特征值λ＜1，表明沙粒在搬运过程中向近地面贴紧，下层沙量增大很快，呈现饱和状态；而下风向、电板后沿和阵列间的风沙流结构特征值λ＞1，表明电板后沿处近地层流场出现扰动，使得上层气流挟沙能力增强，风沙流呈现非饱和状态，这与陈曦等^[13]在乌兰布和沙漠研究结果不同，这可能是因为电板前沿与电板后沿高度不同，对近地表风沙流结构影响表现出差异。

综上所述，气流进入光伏电站后，受光伏阵列的阻挡，风速不断地削弱，风速流场格局发生明显变化，风速脉动和湍流度变化明显，并且光伏阵列的存在改变了风沙流运动，引起了输沙量降低，表明光伏阵列可以有效地防风固沙。本研究基于野外试验观测数据，探索了沙漠地区光伏电站内的风速流场和输沙变化特征，因为本研究区全年主要风向为西北风，在观测计划实施期间，整个观测期间气象站观测的风向也主要为西北风，因此缺少了观测东北风的影响，未来还需完善补充观测内容，进一步开展风速流场数值模拟和下垫面耦合互馈机制的研究，从而深入探索光伏阵列对区域气流场与输沙环境的影响。

5 结论

(1) 光伏电站内的平均风速与流动沙丘(上风向)相比降低了82.07%，光伏阵列具有明显减弱风速的作用，阵列间行道与光伏电板后沿平均风速随高度上升呈现出增加趋势，光伏电板前沿平均风速随高度上升表现出先降低后增加的趋势。

(2) 草方格观测断面、风蚀坑观测断面和砾石观测断面的风速流场格局存在差异。草方格观测断面，电板前沿出风口处的风速明显增加，电板后沿进风口和阵列间中线100 cm以下部分的风速降低；风蚀坑观测断面，光伏电板150 cm以下部分风速降低，阵列间行道风速上升相对加速率增加，风速脉动变化明显；砾石观测断面，风速相对变化率与风速流场格局稳定变化较小，电板后沿150 cm以上部分风速增加。光伏电板防风效果在33%~66%，平均防风效果排序为：砾石＞草方格。

(3) 不同位置输沙量大小关系为：流动沙丘参照点(上风向)＞流动沙丘参照点(下风向)＞电板前沿＞电板后沿＞阵列间中线。输沙量随高度上升而增加，最大值均出现在0~2 cm。流动沙丘参照点(上风向)与电板前沿风沙流结构特征呈现饱和状态，流动沙丘参照点(下风向)、电板后沿和阵列间中线风沙流结构特征呈现非饱和状态。

(4) 光伏电站总体上明显减少风沙输移，具有较好的防风固沙效益；根据观测结果建议：在电站内腹地区域增加草方格铺设面积，上风向边缘区铺设砾石增加地表粗糙度，降低风速，站内风蚀坑深度达到20—30 cm时应引起重视，需及时填埋维护，并建议采用草方格措施进行防护。