沙漠地區光伏電場的風沙危害及光伏治沙模式

摘 要 掌握國內光伏治沙模式及其效應，可為光伏電場在沙漠區生態治理應用提供參考。通過對寧夏和內蒙古沙漠地區的光伏電場的風蝕和風積情況進行實地調查，分析風沙危害模式。結果表明：光伏板前后區域發生風蝕和堆積過程，在光伏板下和板間形成風蝕坑（溝） 和積沙堆（帶），光伏板聚風增加了光伏電場風險程度，風沙流對光伏板也有磨蝕危害。

光伏電場的光伏板起到“風障”和“沙障”的作用，覆蓋地表和調控地面蝕（積）程度，可降低風速，減少輸沙量。

光伏電場組件及其陣列耦合可進一步提高其防風固沙效能，光伏治沙已成為風沙災害治理的新途徑。關鍵詞 光伏電場；風蝕風積；風沙危害治理；治沙模式；生態耦合中圖分類號：S728.4；TM615""" 文獻標識碼：A"" doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2025.02.018

The Wind-sand Hazard of Photovoltaic Electric Fields and the Mode of Photovoltaic Sand Control in Desert Areas

Liu Shujuan1，Yuan Hongbo1，Liu Hujun1，He Fanglan1，Li Yinke1，Liu Shizeng2

（1.Gansu Desert Control Research Institute，Lanzhou 730070，China;2. Wuwei Yili Photovoltaic Desert Control Research Institute，Lanzhou 730070，China）

Abstract Grasping" the domestic photovoltaic sand control mode and its effects，can provide reference for the application of photovoltaic electric fields in desert ecological control. By conducting field investigation into the wind erosion and deposition conditions of photovoltaic electric fields in the desert areas of Ningxia and Inner Mongolia，the wind-sand hazard patterns were analyzed. The results showed that the wind erosion and deposition process occurred in the front and rear areas of the photovoltaic panels，and the wind erosion pits （ditches） and sand accumulation piles （belts） are formed under and between the photovoltaic panels. The wind accumulation of the photovoltaic panel increased the risk of the photovoltaic electric field，and the wind-sand flow also had abrasion effects on the photovoltaic panels.The photovoltaic panels of the photovoltaic electric field played the role of “wind barrier” and “sand barrier”，covering the surface and regulating the degree of ground erosion （accumulation），which could reduce the wind speed and reduce the amount of sand transport. The coupling of photovoltaic power station components and their arrays could further improve their wind prevention and sand fixation efficiency. Photovoltaic sand control has become a new way to control wind-sand disasters.

Key words photovoltaic electric field;wind erosion and deposition;wind-sand hazard control;mode of sand control;ecological coupling

沙漠地區光熱資源豐富，發展光伏電廠不僅可獲得綠色能源，產生經濟效益，而且可防治風沙，具有顯著的生態意義[1-3]。2021年10月12日舉行的《生物多樣性公約》第十五次締約方大會領導人峰會，我國正式提出將在沙漠、戈壁地區加快建設大型風電和光伏基地。《“十四五”可再生能源發展規劃》明確大力推進風電和光伏發電基地建設。其中，以“沙戈荒”地區為重點的風電和光伏發電基地的總規模將達到4.55億千瓦，裝機容量相當于20座三峽水電站[2]。從新能源發展和生態安全背景來看，光伏治沙產業建設與發展的意義重大。近年來，在我國的沙漠和戈壁地區建立了一批光伏發電廠，并進行了光伏電場的溫度、濕度和風沙活動等的觀測和分析[2-6]。沙漠光伏電場影響氣溫和地溫以及太陽輻射，不僅降低了風速，也減少了流沙移動，在不同的風向下，風沙抑制率從35.46%到88.51%不等[4]。光伏治沙已經成為產業發展與生態治理融合的新模式。目前在“光伏治沙”實踐中“傳統治沙”與“光伏治沙”耦合技術研究還剛起步，“光伏治沙”還只是以保護光伏電場為目的，進行電場內部流沙固定及其周邊防御系統建立[6，7]。系統化光伏治沙技術尚在形成，高效科學的“光伏+”技術模式仍在探索階段，急需開展相關研究工作，系統梳理相關技術模式并開展評價，以便總結提出科學規范具有代表性的典型范例[5-7]。為了總結國內沙漠光伏治沙成效，評價現有“光伏+”生態治理效果及光伏治沙發展現狀，我們調查了寧夏和內蒙古自治區的部分光伏電場，進行光伏治沙模式分析，為光伏治沙布局與效能分析提供依據，也為地方政府開展生態建設提供借鑒和參考。

1.調查方法

在2023年8月24日至9月4日，選擇國家電力投資集團有限公司布設在寧夏和內蒙古的正常運營光伏電場進行光伏電場生態效應調查，共調查10個電場（表1）。調查內容包括光伏電場名稱、地點、經緯度、海拔；氣候類型、降水量；生境類型、地形地貌等。光伏項目（場站、基地）建設時間、光伏設施的格局、面積規模、光伏面板高度、面板規格、面板間距等。光伏電場風沙危害治理模式，包括沙障布設形式、類型和規格，以及治沙效果等。光伏+產業模式和效果。調查采用訪談、填寫調查表和實地觀測方法。

光伏電場的光伏板為跟蹤式和固定式各占相同比例（表1）。跟蹤式有4種類型：隨著時間光伏板變化傾角有2種模式，隨著時間變動傾角的東西向和南北向有2種（圖2）；還有板面向南隨著時間變動傾角的，1種是單個光伏板朝南，幾個一組整體隨太陽旋轉（圖3）；另一種是光伏板組朝南，同組光伏板一起隨太陽旋轉（圖4）。光伏板離地面高度多為2.5m，也有5 m的高架（圖5），還有1.6m左右高度。固定式是光伏板朝南固定不變，光伏板離地面高度有100 cm和20 cm的2種。光伏板排列方式不同，影響光伏電場的生態效應。

3.結果分析

3.1光伏電場的風沙危害模式

通過實地現場觀測發現，由于光伏板前后區域發生吹蝕和堆積現象，在光伏陣列區域形成風蝕坑（溝）和積沙堆（帶），加大了區域風沙對光伏電站的影響。另外，光伏板對大風的聚集作用，增加光伏板擺動，容易造成光伏變形或倒伏。風沙流也對光伏板有磨蝕作用，減少其壽命。

3.1.1光伏板下風蝕

光伏電場支架下有柱狀或方形基座，當風經過光伏陣列，光伏組件影響風向和風速，光伏支架底座受到風蝕。調查電站的光伏支架基座受到風蝕率達到75%，所有布設在沙漠的光伏支架底座都受到風蝕，最大風蝕深度達到127cm。風蝕程度與光伏板走向、光伏板組間距離和陣列結構相關（表2）。其中達拉特旗領跑者基地天賜湖光伏電站風蝕最嚴重，這主要是地面起伏，光伏陣列的光伏板不在一個水平面，每組光伏板之間縫隙較大，形成風口，加大了風蝕（圖6b）。

3.1.2光伏陣列行間積沙

在光伏板的阻擋作用下，在光伏陣列行道處沙粒積聚，逐漸形成沿光伏板走向的積沙堆（帶）。現場調查的沙漠光伏電場有50%出現積沙，由于光伏板行間堆積現象發生，在光伏陣列區域形成沙壟，增大了潛在的區域沙源。達拉特旗領跑者基地的天賜湖光伏電站跟蹤式光伏電站區的光伏板行間積沙（坡上）較大，形成了沙堆和沙帶，積沙厚30-50cm。

圖7光伏板行間風積沙堆（a達拉特旗領跑者基地天賜湖光伏電站，b平羅電站）

3.1.3大風威脅光伏板安全

沙漠地區大風天氣較多，大風是光伏電場安全的重要威脅。在余丁光伏電站調查中，大風進入光伏陣列區域，光伏板下高度100 cm 以內風速較大， 在光伏板出風口的地表 20 - 80 cm范圍產生風沙流渦旋。從整個區域垂直梯度來看，風速上下不均勻，區域風速加大，光伏板上下擺動，甚至有扭動現象，威脅光伏電場的光伏板安全。特別是跟蹤式光伏板，在固定時間轉動過程，如遇大風，光伏板可能會受到損壞。

3.1.4風沙流磨蝕和沙塵覆蓋光伏板

風沙流對光伏板磨蝕作用是指由于風沙流緊貼光伏板面流動，運動的沙粒對光伏板進行沖擊和摩擦作用。在光伏板結合處的裂隙等凹進的表面，砂粒甚至可以鉆進去進行旋磨，也會嵌入光伏板縫隙。磨蝕作用的強度決定于風力的大小，同時和氣流中夾帶著的砂粒數量和大小有關。沙漠地區流沙地建立的光伏發電站，如果沙面不固定，當風速大于起沙風時，風夾帶沙粒沖擊和摩擦光伏板，造成光伏板壽命的縮減。

沙漠地區沙塵天氣較多，沙塵降落在光伏板上不僅直接降低光伏電池板的透光率，而且沙塵粘附光伏板還會形成鹽漬，產生腐蝕作用。有觀測表明：光伏板的積沙密度和沙塵粒徑都影響光伏組件最大輸出功率[9]。

3.2光伏治沙模式與效果

沙漠地區建立光伏發電站，光伏板起到“風障”和“沙障”的作用，增加地表粗糙度，降低風速，阻擋流沙，減少風沙危害。在條件優良區域，光伏電場形成了“板上發電，板下種植”的生態產業模式，實現光伏治沙項目實施區土地增綠、農民增收、企業增效的防沙治沙用沙典型模式。根據治沙目的，將光伏治沙分為光伏電場區風沙危害治理和光伏陣列治理區域風沙危害模式。在我們的調查中，布設在戈壁的光伏電場都沒有采取防護措施，沙漠區的光伏電場只有25%的電場布設沙障固定流沙，還有25%的電場只在光伏板下風蝕區布設沙障固定流沙，防止風蝕。光伏都進行了場地整平。

光伏電場內部設置沙障有兩種模式，一種是光伏板下風蝕區設置草方格沙障，這種治沙模式應用的電場比較多；另一種是光伏電站地表全面鋪設沙障，沙障材料有稻草和沙柳（表1 ）。

3.2.1 光伏電場區風沙危害治理

在流動沙地建設光伏電場，受光伏組件和設施干擾，近地表風沙流運移過程發生改變，引起光伏板下地表掏蝕和板間積沙，威脅光伏電站安全運營。為了保障電場安全，保證光伏發電效率，各地沙漠光伏電場多采用沙障固沙措施。在庫布齊沙漠光伏電場，采用沙障固沙和植物防風固沙相結合技術模式。光伏電場建成后，在場區全面建立規格為1.5×1.5m的沙柳方格沙障，形成均勻的覆蓋全場的沙障。另外，開展了新材料沙障治沙與灌木固沙結合的試驗示范， 設置了高度20cm的1m×1m和1.5 m×1.5 m的HDPE網和植物纖維網方格沙障，并配合種植沙柳、沙蒿和沙米等沙生灌木和草本植物，形成了光伏治沙綜合示范區。

3.2.2光伏陣列區域治沙模式

不同光伏陣列類型，治沙效果不同。根據報道[10，16]，對比分析固定式（固定軸）和跟蹤式支架（平單軸和斜單軸）光伏子陣區的氣候因子的變化特征，分別在固定軸光伏子陣和平單軸轉動光伏子陣的光伏場內平均起沙風速最大值較過渡區和場外分別降低了 37.66%、41.19%，最小值較過渡區和場外分別降低 52.37%、44.72%，光伏場內月平均風速遠小于過渡區和場外。

庫布齊沙漠建立了大面積的光伏電場生態產業模式，在流沙區建立高架光伏板，光伏陣列間種植經濟作物。這種“板上發電，板下種植”的光伏發電與種植配套的立體治沙模式，形成了沙漠治理、能源產業和農業經濟 “三位一體”的沙產業新模式。

4.討論

我國沙漠地區光伏發電站規模不斷擴大，在沙漠地區發揮了積極的作用。光伏治沙不簡單等于用“光伏設施”覆蓋沙化或沙戈荒土地，而是要實現“1+1gt;2”的系統和規模治理效應[1，2]。

（1）光伏電站的光伏電板起到“風障”和“沙障”的作用，已成為風沙災害治理的新途徑。光伏電場的光伏主板及其組件通過覆蓋地表、改變氣流運動模式、降低風速和減少輸沙量。不同光伏電站的布設模式降低風速和輸沙量差異顯著 [8，10]，造成這一差異的主要原因是光伏組件結構及陣列、風與光伏板夾角不同。風向和光伏板夾角小于90°時，降低風速的作用較弱[11]，兩光伏板間距越小，前板對后板近地表面風速的影響越大[12]。在光伏電站內輸沙量隨著深入電站深處，輸沙率降低[13]。光伏板下的集流加速和板前板后的反向渦旋，是塑造地表風蝕坑（溝）及積沙堆（帶）的主要動力[14]。光伏電板周圍的風速脈動形成板下和板前的渦流，進而造成光伏板下掏蝕與板間積沙帶[15]。光伏電站通過降低近地層風速和改變地表蝕積模式能夠有效防治區域風沙危害。

（2）光伏陣列的排列方式不但影響采集光能發電，而且風沙危害方式和治沙效能也會發生改變。無論是最佳傾角固定式，還是跟蹤可調式光伏板設置，光伏板不同區域的風蝕和堆積都會發生，形成風蝕坑（溝）和積沙堆（帶），形成區域風沙對光伏電站的安全威脅。另外，光伏板對大風的聚集作用，也增加了光伏板不穩定；風沙流也對光伏板有磨蝕作用，減少其壽命。

（3）光伏電站建設與治沙作用耦合，建立生態光伏治沙區，實現光伏電站生態凈效益，是生態光伏電站建設目標。在光伏發電站建設過程，將光伏電場結構與生態治理結合，即光伏治沙、生態產業相融合。光伏電站保護采用外圍固沙林、內部設置沙障和灌木組成防護林體系，在光伏陣列間種植沙生經濟植物，實現經濟效益和生態效益的共贏[16]。在光伏治沙過程遵循因地制宜的原則，建立綜合固沙模式，發展光伏基地與種植養殖業組合配套的立體生態治理模式[17]，發展農光一體、牧光一體等資源綜合利用模式，實現光伏電場與生態治理耦合[18-22]，建立適應區域的生態光伏發展模式。

（4）光伏電站治沙效能不一致，生態光伏電站建設有待加強。盡管有大量研究報道了光伏電站具有治沙效應，但是不同區域治沙效能存在差異，生態光伏標準及其模式較少。在后續的工作中，可進一步關注光伏電站治沙的原理及其區域差異性研究，并針對光伏電場結構制定相應治沙方案。光伏治沙對于生態環境的利弊還存在爭議[3]，傳統治沙模式與光伏治沙結合，光伏電站建設與生態作用耦合還有待深入研究。

（5）光伏電站區保護性治沙與光伏陣列治沙結合，提高光伏電站治沙效能。不同結構的光伏電站展現的治沙效能不同。根據沙漠地區的地理位置、氣候、水資源、風沙危害程度等及光伏電場模式，科學制定光伏治沙規劃，形成不同區域光伏治沙模式。加強光伏治沙項目區生態變化監測評估，科學評價光伏治沙績效，為光伏治沙提供可復制可推廣的模式。

5.結論

光伏電站的光伏電板及其陣列的排列方式不但影響采集光能發電，而且風沙危害方式和治沙效能也會發生改變。光伏治沙補充傳統治沙模式，已成為風沙災害治理的新途徑，光伏電站組件及其陣列耦合可進一步提高其防風固沙效能。

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