王夢南，崔巍，王景航，李震宇，李云鵬

摘 要：為研究流動沙漠地區(qū)光伏電站如何進行防風固沙的問題，以塔克拉瑪干沙漠的光伏電站為研究對象，采用流動沙漠地區(qū)種植草方格的防風固沙方法，以及專項光伏支架和基礎設計方法對流動沙漠地區(qū)光伏電站防風固沙的可行性解決方案進行了分析。分析結果表明：通過在光伏場區(qū)圍欄外、光伏場區(qū)內(nèi)道路兩側、光伏箱逆變器一體機基礎外圍、光伏支架樁基周邊、升壓站圍墻四周內(nèi)種植草方格進行固沙，可以降低風沙流穿過光伏電站的風速，減緩流動沙漠的遷移速度；采用螺旋鋼管樁和前后雙立柱結構光伏支架與種植草方格相結合的方案，可以有效緩解流動沙漠地區(qū)風力作用對光伏支架基礎的侵蝕問題，有效預防光伏支架基礎周圍出現(xiàn)“沙窩”現(xiàn)象。研究結果可為流動沙漠地區(qū)光伏電站的防風固沙設計方案提供參考。

關鍵詞：流動沙漠；光伏電站；防風固沙；解決方案；光伏支架；光伏支架基礎

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

近年來，國家關于光伏電站開發(fā)建設的政策陸續(xù)出臺，其中，“雙碳”政策和國家能源局關于印發(fā)《光伏電站開發(fā)建設管理辦法》的通知（國能發(fā)新能規(guī)[2022]104號）中都明確表明，將大力支持光伏電站的開發(fā)、建設、管理，保障光伏電站和電力系統(tǒng)清潔低碳、安全高效運行，光伏電站的建設選址也逐步轉向沙漠、戈壁、荒漠等地區(qū)?，F(xiàn)有研究表明：光伏電站的選址將直接影響光伏電站的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。

塔克拉瑪干沙漠是中國最大的沙漠，同時也是世界第二大流動沙漠，荒漠化情況十分嚴峻[2]。且末縣10萬kW光伏電站（下文稱為“塔克拉瑪干光伏電站”）的選址位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州且末縣境內(nèi)，是塔克拉瑪干沙漠腹地的第1座集中式光伏電站，也是新疆維吾爾自治區(qū)“十四五”電力保供項目之一。該光伏電站選址于此，一方面，是因為該地區(qū)擁有豐富的太陽能資源及良好的建設環(huán)境；另一方面，是符合中國流動沙漠治理的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標[3]。在眾多治沙模式中，“光伏+治沙”是最新探索出的成果，并且在可持續(xù)發(fā)展和低碳循環(huán)經(jīng)濟模式推動中，光伏發(fā)電及綜合開發(fā)已經(jīng)被證實是進行沙漠治理的有效手段之一[4]。然而在沙漠地區(qū)建設光伏電站，可參考的工程案例較少，而且由于沙漠地區(qū)氣候的特殊性、顯著的風力作用及沙土的流動性，易對光伏電站造成發(fā)電量降低、基礎穩(wěn)定性降低、消耗光伏支架防腐層等危害。因此，如何進行防風固沙成為在沙漠地區(qū)建設光伏電站面臨的首要問題。

基于此，本文以塔克拉瑪干光伏電站這一具體的“光伏+治沙”工程實踐項目為例，從光伏電站建設、光伏支架及基礎設計選型、草方格防風固沙方案等方面進行論證，為沙漠地區(qū)建設光伏電站及如何將防風固沙與光伏電站建設相結合等問題提供可行性解決方案。

1? 塔克拉瑪干光伏電站項目簡介

本文具體分析的塔克拉瑪干光伏電站的規(guī)劃裝機容量為100 MW，站址位于且末縣西北方向約186 km的塔克拉瑪干沙漠的塔中鎮(zhèn)附近，平均海拔約為1087 m。本項目場區(qū)西側有沙漠公路，北側有塔中1#公路，交通較為便利。

該光伏電站建設前場地的地形地貌實景如圖1所示。該場地的特點為極度干旱缺水、蒸發(fā)強烈、氣候干燥、日照充足、太陽輻射強且原生植物稀少。

1.1? 塔克拉瑪干沙漠的太陽能資源分析

通過項目可行性研究報告可知，塔克拉瑪干沙漠的年最大風速為21.00 m/s，起沙風速大于4.00 m/s，年平均風速為2.35 m/s，屬于風速較大區(qū)域，這些條件極大地加速了流動沙漠的遷移擴張速度。

通過太陽能資源數(shù)據(jù)庫Solargis的數(shù)據(jù)可知，塔克拉瑪干沙漠的代表年太陽輻射總量為5550.8 MJ/m2（即1541.9 kWh/m2），屬于太陽能資源豐富地區(qū)。根據(jù)GB/T 31155—2014《太陽能資源等級? 總輻射》[5]可知，本光伏電站場址區(qū)域的太陽能資源穩(wěn)定度等級名稱為“穩(wěn)定”，屬于B級；直射比為0.44，適宜光伏電站的建設。

1.2? 防風固沙設計方案

由于本光伏電站位于塔克拉瑪干沙漠腹地，全場區(qū)均受流動沙漠的風力作用，因此項目的防風固沙設計方案采用“內(nèi)防外固、內(nèi)外結合”的總體原則。

本光伏電站的局部規(guī)劃圖如圖2所示。在光伏電站圍欄（墻）外側設置草方格固定流動沙漠，同時對光伏電站內(nèi)部的樁基和光伏支架進行特殊的防風設計，即光伏支架基礎采用抗拔效果更好的螺旋鋼管樁、光伏支架采用穩(wěn)定性更好的雙立柱結構形式，以確保光伏電站在設計工作年限內(nèi)可正常運行。

2? 草方格防風固沙方案及其優(yōu)勢

2.1? 傳統(tǒng)治沙方法

為避免流動沙漠不斷地擴大、遷移，需要進行沙漠治理。傳統(tǒng)的治沙方法主要是通過植樹造林來減緩流動沙漠的擴大，但該方法存在的問題在于需要投入大量的人力、物力，見效慢，樹苗成活率低。也有學者通過研究提出了喬木、灌木和草本植物混合種植，以及根據(jù)地形條件種植不同樹種的沙漠育林方法，這種方法雖然可極大提高造林的效率和質(zhì)量，但受到場地、氣候環(huán)境的影響，還需要引進節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對操作技術的要求高。由此可見，傳統(tǒng)的治沙方法存在見效慢、技術要求高、成本投入大等缺點。

2.2? 草方格防風固沙方案

草方格防風固沙的機理主要是通過提高地表粗糙度來降低風沙流通過該區(qū)域時的速度。有研究結果表明：設置草方格沙障可使地表粗糙度增加15～24倍；且隨著地表粗糙度的增加，場區(qū)風沙流的摩阻風速也增加了1.0～1.5倍[6]，防風速最大值出現(xiàn)在草方格離地面0.2 m處。因此，種植草方格不但降低了風沙流的近地表風速，還有效攔截了風沙流。

本光伏電站建設中的固沙措施采用草方格防風固沙方案，草方格的種植局部規(guī)劃如圖2所示。本項目場地共種植草方格2103.3畝（1畝約為666.67 m2），單個草方格的尺寸為1.0 m×1.0 m的正方形。草方格材料選用蘆葦，蘆葦用量參考中國石油天然氣股份有限公司企業(yè)標準Q/SY TZ 0157—2005《流動性沙漠公路勘察、設計、施工及驗收規(guī)范》[7]，進場道路兩側場地的蘆葦用量為1 kg/m2，光伏場區(qū)的蘆葦用量為0.8 kg/m2。草方格種植范圍為：迎風側光伏場區(qū)圍欄外50 m以內(nèi)、下風側圍欄外20 m以內(nèi)、光伏場區(qū)內(nèi)檢修道路兩側2.5 m以內(nèi)、光伏箱逆變器一體機基礎外圍10 m以內(nèi)、光伏支架樁基周邊1.5 m以內(nèi)、升壓站圍墻四周50 m以內(nèi)。考慮到在風沙流長期作用下，沙丘會逐漸堆積到圍欄（墻）根部，產(chǎn)生安全隱患，因此在圍欄（墻）外側與草方格之間預留寬為4.5 m的清沙通道，便于后期光伏電站運維時清理積沙。

草方格沙障在有效控制流動沙漠近地面風速作用的同時固定風沙流并阻止沙丘移動，也避免了風沙流對整個光伏場區(qū)的沖刷。另外，草方格沙障還有很好的固水作用[6]，可為植物種子提供良好的生長環(huán)境。隨著植物在草方格中定居生長，植物根系盤結于地表使有機質(zhì)得以在沙層中累積，沙面更加趨于穩(wěn)定，進一步增強防風固沙效果[8]。

2.3? 草方格防風固沙的優(yōu)勢分析

草方格防風固沙方法在中國治沙史上存在悠久的歷史，這不僅體現(xiàn)在草方格原材料獲取較為容易，更表現(xiàn)為該方法具有施工快捷、見效快等優(yōu)點。

塔克拉瑪干光伏電站草方格種植全景圖如圖3所示。

通過種植草方格建立草方格護林帶，將整個光伏場區(qū)包圍起來，以及在光伏支架基礎四周種植草方格進行外圍固沙與內(nèi)部防風相結合的方式，既減少了外圍沙流對光伏電站實體的沖刷，降低了運維成本，又可以保護光伏支架基礎本體，減少風力侵蝕，提高了光伏支架基礎的穩(wěn)定性。同步實現(xiàn)了光伏組件發(fā)電及光伏組件下方防風固沙，減緩了流動沙區(qū)的運動。

3? 光伏支架及基礎的防風沙設計

3.1? 光伏支架基礎的防風沙設計

在光伏發(fā)電系統(tǒng)設計中，光伏支架基礎形式的選擇需考慮場地的地質(zhì)條件、光伏組件最低點離地高度、前后排光伏陣列間距等因素。目前集中式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[9]。

塔克拉瑪干光伏電站場址位于沙漠腹地，場地粗糙類別為A類，風壓高度修正系數(shù)為1.09，巖土分類為稍密砂土。光伏支架基礎若采用微孔灌注樁，施工時難以成孔，需要采取注水等措施，但沙漠腹地水源獲取極其困難。相對于螺旋鋼管樁，PHC管樁的入沙施工也更困難，并且在風力作用下風沙流會不斷沖刷PHC管樁的表面，造成風力侵蝕，降低PHC管樁的質(zhì)量；PHC管樁與沙漠接觸面還會在風力作用下在管樁周圍形成渦流區(qū)，砂粒在被風力搬運與遷移后會出現(xiàn)明顯的“沙窩”現(xiàn)象，如圖4所示，會導致光伏支架基礎埋深下降，降低光伏組件的穩(wěn)定性。因此，流動沙漠場地光伏支架基礎形式的選擇不僅需要考慮施工難易程度、材料獲取成本，還應考慮防風、固沙設計。

根據(jù)GB 51101—2016《太陽能發(fā)電站支架基礎技術規(guī)范》[10]的規(guī)定，稍密砂土地區(qū)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(qū)光伏支架基礎，具有較好的抗彎能力[11]。另外，由于螺旋鋼管樁是由中心鋼軸與不同幾何尺寸的螺旋葉片連接組成的異型樁，因此可根據(jù)場地條件、設計要求提前在工廠預制；同時，其運輸過程也不需要耗費太多人力、物力，可大幅減少施工周期與成本。螺旋鋼管樁與沙土之間通過螺旋葉片相互作用為光伏支架穩(wěn)定提供相應的抗壓承載力、抗拔承載力及水平承載力，樁土之間的作用機理也較為簡單，便于沉樁施工作業(yè)。螺旋鋼管樁鋼軸的直徑比PHC管樁的小，因此，其在風力作用下導致的風力侵蝕作用面積會更小，抗侵蝕能力更高。

螺旋鋼管樁的離地高度一般低于其他光伏支架基礎形式，再結合光伏支架基礎四周種植了草方格，以及在光伏場區(qū)迎風側設置了防風圍欄，使光伏場區(qū)內(nèi)的風力作用大幅減緩，光伏支架基礎周圍的“沙窩”現(xiàn)象也得到了良好的預防。另外，螺旋鋼管樁在采用特殊的熱鍍鋅防腐處理措施后，其在沙土中的腐蝕速率是微小的[12]，符合設計使用年限的要求。

3.2? 流動沙漠地區(qū)光伏支架的防風設計

根據(jù)NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規(guī)程》[13]中的規(guī)定，光伏支架結構體系可采用單立柱結構體系、雙立柱結構體系，以及獨立柱結構體系等。其中，相對于單列柱結構體系和獨立柱結構體系而言，雙立柱結構體系具有穩(wěn)定性高、結構受力均勻穩(wěn)定、可以適應不良地質(zhì)的優(yōu)點，能很好的適應流動沙漠地區(qū)場地多風的特點。

塔克拉瑪干光伏電站確定的光伏支架形式為前后雙立柱結構，采用工程管理軟件PKPM對光伏支架形式進行結構內(nèi)力分析，嚴格控制鋼結構應力比。分析計算結果表明：前后雙立柱結構光伏支架的承載力滿足設計與施工要求，其后立柱的上拔力遠小于單立柱結構光伏支架中立柱的上拔力。

針對沙漠地區(qū)長期風沙環(huán)境，本光伏電站抬高了光伏組件最低點離地高度，取1.0 m，可有效防止風沙覆蓋光伏組件導致影響整個光伏電站發(fā)電效率的問題。

雙立柱螺旋鋼管樁施工完畢后種植草方格，該模式稱為“螺旋鋼管樁+草方格”防風模式，施工完成后的現(xiàn)場照片如圖5所示。

從圖5可以看出：采用“螺旋鋼管樁+草方格”防風模式，光伏支架基礎四周已無明顯的“沙窩”現(xiàn)象。因此，通過這種螺旋鋼管樁基礎設計與草方格防風措施相結合的方式，可以有效緩解流動沙漠地區(qū)風力作用對光伏支架基礎的侵蝕，進而延長光伏支架基礎的使用年限。

4? 結論

本文以塔克拉瑪干光伏電站為研究對象，從光伏電站建設、光伏支架及基礎設計選型、草方格防風固沙方案等方面進行論證，為沙漠地區(qū)建設光伏電站及如何將防風固沙與光伏電站建設相結合等問題提供可行性解決方案。首先，采用草方格防風固沙方案對該光伏電站進行固沙，在光伏場區(qū)圍欄外、光伏場區(qū)內(nèi)道路兩側、光伏箱逆變器一體機基礎外圍、光伏支架樁基周邊、升壓站圍墻四周內(nèi)種植草方格進行固沙，降低了風沙流穿過光伏電站的風速，減緩了流動沙漠的遷移速度。其次，通過對比及綜合分析多種光伏支架基礎結構形式，確定了螺旋鋼管樁和前后雙立柱結構光伏支架的方案，以該方案與草方格結合的方式解決了流動沙漠地區(qū)風力作用對光伏支架基礎的侵蝕問題，有效預防光伏支架基礎出現(xiàn)“沙窩”現(xiàn)象。此種種植草方格的防風固沙方法及流動沙漠地區(qū)專項光伏支架和基礎設計方法可為后續(xù)流動沙漠地區(qū)光伏電站的防風固沙設計方案提供參考。

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ANALYSIS OF WINDBREAK AND SAND FIXATION SOLUTIONS FOR PV POWER STATIONS IN TAKLAMAKAN DESERT

Wang Mengnan1，Cui Wei2，Wang Jinghang1，Li Zhenyu2，Li Yunpeng2

（1. Xian LONGi Clean Energy Co.，Ltd.，Xian 710055，China；2. China National Petroleum Corporation （CNPC） Tarim Oilfield Company，Bayingol Mongolian Autonomous Prefecture 841000，China）

Abstract：In order to study the issue of how PV power stations in mobile desert areas can prevent wind and fix sand，a PV power station in the Taklamakan Desert is taken as the research object. The feasibility solution of windbreak and sand fixation for PV power stations in mobile desert areas is analyzed using the method of planting grass squares for windbreak and sand fixation，as well as special PV brackets and foundation design methods. The analysis results show that by planting grass squares outside the fence of the PV field，on both sides of the road in the PV field，around the foundation of the integrated machine of PV box and inverter，around the pile foundation of the PV bracket，and around the fence of the booster station for sand fixation，the wind speed of sand flow passing through the PV power station can be reduced，and the migration speed of the mobile desert can be slowed down. The scheme of combining spiral steel pipe piles and front and rear double column structure PV brackets with planting grass squares can effectively alleviate the erosion problem of PV bracket foundations caused by wind forces in mobile desert areas，and effectively prevent the phenomenon of "sand nest" around the PV bracket foundations. The research results can provide reference for the windbreak and sand fixation design scheme of PV power stations in mobile desert areas.

Keywords：mobile desert；PV power stations；wind prevention and sand fixation；solution；PV bracke；PV bracket foundation