極端破壞性大風天氣對喀什地區光伏電站的影響分析

2024-12-31 00:00:00阿依努爾·買買提吐遜努爾比亞·吐尼亞孜尼亞孜艾力·買買提吐遜

農業災害研究 2024年9期

摘要：破壞性大風是一種對社會經濟活動及自然環境造成嚴重影響的氣候現象。提取了對喀什地區光伏電站發電作業及安全生產有高影響的大風天氣，利用喀什地區近60年（或30年）極端大風資料對其進行了危險性評估。研究表明：各種概率分布模型在估算不同重現周期下的風力極值時展現出一定差異性，并且這種差異隨時間跨度的增加而越發顯著?；诖耍芯繌娬{了加強極端大風現象科學研究的重要性，旨在為災害預防和預警系統的建立奠定更加堅實的理論基礎。

關鍵詞：光伏電站；重現期；光伏支架；風險性評估

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

風能與太陽能是最主要的可再生清潔能源，其清潔、環保的特質和廣泛的地理分布優勢，極大地促進了能源領域的節能減排和低碳經濟轉型。這促使全球范圍內大量建設風電場與光伏電站。而在這些綠色電力設施的日常運作中，高度警惕可能引發重大影響的天氣狀況，是保障其安全高效運行的關鍵考量[1]。

塔里木盆地（以下簡稱盆地），因地處歐亞大陸的核心地帶，周圍被山脈所環繞，導致水汽難以進入該區域，從而造就了亞洲大陸上最為顯著的極端干旱區。隨著氣候變化加劇，再加上沙源豐富，大風和沙塵天氣頻發，極端破壞性大風變得更加不可預測。這嚴重威脅了公共設施和能源基礎設施的安全，光伏電站也不例外。而風電場和光伏電站的不斷增加進一步推動了氣象服務的開展。分析影響光伏電站運作的天氣是一項專業氣象服務工作項目，也是配合政府大力發展風電場和光伏電站產業、積極開展高影響災害性天氣與光伏電站氣象條件之間關系的研究，對開展專業氣象服務十分必要。

當前，眾多學者深入研究了南疆大風災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]。

可有關重現期計算方法對喀什地區大風天氣之間的關系分析較少。利用喀什地區各區域光伏電站地理信息坐標繪制了喀什地區光伏電站分布圖；根據分布圖，利用2002—2022年喀什區域17個代表站點的大風極大風速和最大風速天氣資料，采用一元回歸分析極端大風演變趨勢，討論大風在年內分布形態的時空特征；運用計算極值序列和數據擬合通過多概率分布函數擬合工具軟件MuDFiT，采用不同分布函數對喀什地區基準氣候站極大風速和最大風速進行擬合度檢驗，計算重現期。

1 喀什地區光伏電站簡介及研究方法

1.1 喀什地區各光伏電站簡介

南疆太陽能資源豐富，為Ⅰ級利用地區，是光伏電站利用的最佳區域。喀什地區為沙漠干燥氣候、蒸發強烈、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，適合大規模鋪設太陽能光伏列陣。

1.2 研究方法

（1）采用一元回歸分析極端大風日數演變趨勢，用T檢驗方法檢測其趨勢變化的顯著性，并結合R/S方法，分析極端大風日數變化及其持續性。

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

2 分析與結果

喀什地區大風天氣常發生于春季，是該地區常見的氣象災害。最多的英吉沙縣平均每年出現1次，最少的塔什庫爾干縣每6～7年出現1次致災大風。2022年10月喀什地區大風災害風險性等級分區見圖1。

3 喀什地區光伏周邊區域大風特征

3.1 大風趨勢分析

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

3.2 極端大風重現期

根據喀什地區代表性測風站歷年最大風速趨勢線圖，最終選取1993—2022年近30年喀什國家基準氣候站的極大風速數據和1963—2022年近60年喀什國家基準氣候站的最大風速數據計算重現期。

利用MuDFiT軟件，應用多種分布函數對喀什國" 家基準氣象站的極端風速數據（包括極大風速和最大" 風速）進行匹配度分析，基于分析結果篩選出最貼合數據的前10種分布函數。針對這些選定的函數，記錄了在各種重現期限下預測的風速極值（包括極大風速和最大風速）。隨后，計算了各重現期內的最大和最小風速極值，以及它們之間的差值，進一步繪制了關于極大風速極值和最大風速的綜合曲線圖。由圖3可以發現，在喀什國家基準站的極端風速情景中，不同概率分布函數預測的極大風速值在各重現期差異明顯。值得注意的是，隨著重現期的延長，這些模型間預測風速的差異越發顯著。

由圖3可知，喀什國家基準氣候站最大風速不同概率分布函數在各重現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年重現期下，概率分布函數最大值22.072 0 m/s，最小極值21.483 2 m/s，在20年重現期下，概率分布函數最大值24.141 3 m/s，最小極值23.669 1 m/s，以此分析在100年重現期下最大值30.118 1 m/s，最小極值26.127 1 m/s，最優函數27.115 9 m/s。以上研究表明，最大風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，建議加強大風的研究，為光伏電站氣候可行性和危險性評估提供科學參考。

為了深入探究極端風速的特征，詳細分析了各重現期最優函數極大風速值和最大風速值（表1和表2）。常見的光伏電站整體支架按照可抵抗12級臺風進行設計。設計最大風速，將12級臺風風速=32.6 m/s。通過圖4可知，在13.5年重現期下，概率分布函數最大值32.560 9 m/s，最小極值31.997 0 m/s。最優函數100年又可達到38.005 2 m/s。由此可知，13.5年一遇及以上不同重現期情境下存在一定的致災風險極高。極端大風在光伏電站經濟建設與發展在未來仍存在一定的潛在隱患，建議繼續加強對極端大風的研究。

4 太陽能光伏電站與極端破壞性大風之間的影響和原因

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前倡導和流行的“環保、可持續、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。

在規劃光伏發電系統時，選取光伏支架的基礎類型需綜合考量以下幾個因素：地面的地質特性、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。當前，光伏電站常用的光伏支架基礎形式有微孔灌注樁、預應力高強度混凝土（PHC）管樁、混凝土獨立基礎、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，機械裝置和建（構）筑物暴露在大氣中，對災害性天氣高度敏感。此外，當并網太陽能光伏電成為電力供應的重要組成部分時，天氣變化帶來的太陽能光伏發電力的波動將給電網的穩定和安全運行帶來嚴重影響。

《太陽能發電站支架基礎技術規范》規定，稍密砂土地區光伏支架基礎的形式可選擇螺旋鋼管樁。螺旋鋼管樁用作沙漠區光伏支架基礎，具有較強的抗彎能力。據統計，工業廠房的屋頂常常鋪設數以萬計的光伏面板，加之光伏電站配備的很多逆變器、支架體系及復雜的線路網絡，這一龐大的設施在面對極端惡劣的大風天氣時，暴露出多個脆弱環節。具體而言，從光伏板與支架的接口到支架內部鋼結構的每一連接點，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、被強風卷走，還可能導致隱蔽的面板裂紋、電路短路等問題，對電站的長期使用產生隱患。極端風力會嚴重損害光伏電站，風速嚴重超過設計風速標準值時，廠房頂棚的光伏板矩陣會遭受毀滅性的打擊。據了解，這些被掀起摔落的光伏板會對光伏電站造成二次災害。需要特別注意的是，光伏電站運行電壓可高達數千伏，一旦發生部件損壞，有可能在運營過程中引發漏電，這不僅會對電站維護人員的人身安全構成威脅，還可能給周圍人員帶來安全隱患。

5 結論

（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節的氣象災害風險，并采取科學合理的防災措施，對減少災害帶來的損失、確保電站和電網的穩定運行，以及提高太陽能產業的經濟效益和社會效益具有至關重要的實際意義。

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

（3）提高光伏組件和支架和光伏的設計和安裝質量。組件材料應選擇考慮針對一些特殊氣候環境區域，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）嚴格把控施工質量，嚴控組件、支架、逆變器等產品的質量，合理計算風壓、雪壓等，杜絕偷工減料。

（5）密切關注光伏電站區域氣候變化特征，在極端高影響天氣來襲時，加強與氣象部門對接，關注氣象部門發布的預報預警信息，加強高影響天氣來臨前的安全生產檢查，采取有效的管理和運行、維護等措施降低風險。

參考文獻

[1] 李海南，張建華，朱星陽，等.計及天氣影響的含風電場電力系統風險評估[J].華東電力，2014，42（6）：1084-1091.

[2] 楊顯玉，朱俊橙，文軍，等.南疆大風氣候特征分析及其對沙塵天氣的影響[J].高原氣象，2023，42（1）：186-196.

[3] 王夢南，崔巍，王景航，等.塔克拉瑪干沙漠光伏電站防風固沙解決方案淺析[J].太陽能，2023（11）：74-79.

[4] 張文波，王亞同，尹春，等.高影響天氣對甘肅省風電場及光伏電站的影響分析及安全生產建議[J].太陽能，2021（6）： 85-88.

[5] 韋媛.“彩虹”臺風災害對太陽能光伏電站損毀性影響原因分析和應對措施[J].通訊世界，2015（22）：103-105.