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风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析

陈曦 高永 娜仁格日勒 翟波 王余彦 史万林

陈曦, 高永, 娜仁格日勒, 翟波, 王余彦, 史万林. 风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
引用本文: 陈曦, 高永, 娜仁格日勒, 翟波, 王余彦, 史万林. 风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
CHEN Xi, GAO Yong, NARENGERILE, ZHAI Bo, WANG Yu-yan, SHI Wan-lin. Simulation analysis of effects of wind field and photovoltaic DC field allocation on aeolian-sand structure[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
Citation: CHEN Xi, GAO Yong, NARENGERILE, ZHAI Bo, WANG Yu-yan, SHI Wan-lin. Simulation analysis of effects of wind field and photovoltaic DC field allocation on aeolian-sand structure[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137

风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41461001

详细信息
    作者简介:

    陈曦,博士生。主要研究方向:荒漠化防治。Email:15184762218@163.com  地址:010018 内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区鄂尔多斯大街内蒙古农业大学新校区生命科学大楼沙漠治理学院733室

    通讯作者:

    高永,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。Email:13948815709@163.com   地址:同上

  • 中图分类号: S157.1

Simulation analysis of effects of wind field and photovoltaic DC field allocation on aeolian-sand structure

  • 摘要: 以对比分析不同风场及电站配置模式下光伏阵列对风沙输移的影响差异为研究目的,通过风洞模拟实验对不同风速、风向、电站阵列行距及是否布设麦草沙障时阵列在0~50 cm内的输沙情况进行分析,并对风沙流结构进行了探讨。结果表明:1)在0~50 cm高度范围内,阵列模型的输沙率与风速大小呈正比,与集沙高度呈反比,3个试验风速下输沙率均以多项式拟合关系最佳;2)当风向为南风时阵列输沙率及其风沙流结构特征值(λ)最高,南风(180°)、东北风(45°)、西北风(315°)的输沙最佳拟合函数分别为多项式函数、对数函数和指数函数;3)当阵列行距为20 cm时(以野外电场为原型等比例缩小值)阵列输沙率最高;4)当阵列前端布设麦草沙障后阵列风沙流结构特征值(λ)为1.75,即此时风沙流呈不饱和状态,具有挟沙能力。
  • 图  1  试验布设示意图

    Figure  1.  Schematic diagram for measurement setting

    图  2  不同风速下输沙率随集沙高度的变化

    Figure  2.  Sand transport rate with sand collection height under different wind speeds

    图  3  不同风向下输沙率随集沙高度的变化

    Figure  3.  Variation of sand transport rate with sand collection height

    图  4  不同光伏阵列行距下输沙率随集沙高度的变化

    Figure  4.  Sand transport rate under different line spaces of photovoltaic array

    图  5  有无麦草沙障条件下输沙率随集沙高度的变化

    Figure  5.  Sand transport rate under laying straw sand barriers or not

    表  1  光伏电板不同倾角理论发电值

    Table  1.   Theorectical power value for different dip angles of photovoltatic electroplax

    kWh·m-2·d-1
    月份
    Month
    安装角度Installation angle
    34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41°
    1月January 4.04 4.07 4.11 4.14 4.18 4.21 4.24 4.27
    2月February 5.00 5.03 5.06 5.09 5.11 5.14 5.16 5.18
    3月March 5.41 5.42 5.43 5.43 5.43 5.43 5.43 5.43
    4月April 5.75 5.74 5.72 5.70 5.69 5.67 5.65 5.62
    5月May 5.98 5.95 5.91 5.88 5.85 5.81 5.77 5.74
    6月June 5.75 5.71 5.67 5.63 5.60 5.56 5.51 5.47
    7月July 5.54 5.51 5.48 5.44 5.41 5.37 5.34 5.30
    8月Augest 5.28 5.26 5.24 5.44 5.20 5.17 5.15 5.12
    9月September 4.44 4.44 4.44 4.43 4.43 4.42 4.41 4.40
    10月October 4.54 4.55 4.56 4.58 4.59 4.60 4.61 4.61
    11月November 4.35 4.38 4.41 4.44 4.47 4.50 4.52 4.55
    12月December 3.86 3.90 3.94 3.98 4.01 4.05 4.08 4.12
    全年Annual/MWh 84 873.75 84 917.00 84 942.99 84 951.69 84 943.12 84 917.17 84 874.17 84 813.80
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    表  2  试验因素及水平的设置

    Table  2.   Test factors and levels for text

    控制因素Test factor 试验水平Test level
    水平1 Level 2 水平2 Level 2 水平3 Level 3
    风向Wind direction/(°) 45 315 180
    阵列行距Spacing of array/cm 18 20 22
    是否布设沙障Setting barrier or not 是Exist 否Without
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    表  3  试验土壤颗粒的描述性统计特征

    Table  3.   Descriptive statistical characteristics of soil particle composition information

    %
    粒级Particle size 平均值Mean 最大值Max. 最小值Min. 标准差Standard deviation
    粗沙Coarse sand (1.0~0.5 mm) 11.99 15.95 7.08 4.38
    中沙Middle sand (0.5~0.25 mm) 47.46 49.18 44.45 2.04
    细沙Silver sand (0.25~0.1 mm) 38.93 43.04 35.36 3.16
    极细沙Very fine sand (0.1~0.05 mm) 1.49 2.65 0.7 0.88
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    表  4  不同风速下输沙率随集沙高度变化拟合方程

    Table  4.   Fitting equations for the relationships between sand transport rate and sand collection heights under different wind speeds

    风速Wind speed/
    (m·s-1)
    关系式
    Relational expression
    相关系数
    Correlation coefficient
    相关选择
    Correlate selection
    10 Q=2×10-6h2-7×10-5h+0.000 7 R2=0.844 2 最佳Optimum
    Q=-3×10-4ln(h)+0.000 8 R2=0.840 4 相关Related
    12 Q=-0.022ln(h)+0.065 3 R2=0.932 1 最佳Optimum
    Q=0.000 2h2-0.006 4h+0.061 6 R2=0.807 5 相关Related
    16 Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳Optimum
    Q=0.001 8h2-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳Better
    Q=-0.249ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳Better
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    表  5  风速对风沙流结构分布的影响

    Table  5.   Sand flow structure with different wind speeds

    风速Wind speed/
    (m·s-1)
    总输沙率
    Total sand transport
    rate/(g·min-1·cm-2)
    不同高度气流场输沙率
    Sand transport rate of airflow field under different heights/%
    特征值
    Characteristic value
    (λ)
    0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
    10 0.004 54.67 39.72 5.61 0.10
    12 0.370 57.80 30.25 11.95 0.21
    16 4.770 59.37 26.16 14.47 0.24
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    表  6  不同风向下输沙率随集沙高变化拟合方程

    Table  6.   Fitting equation for the relationships between sand transport rate and sand collection heights under different wind directions

    风向 Wind direction 拟合关系式 Simulated relation expression 相关系数 Correlation coefficient 相关选择 Correlate selection
    45° Q=0.379 8e-0.249h R2=0.974 2 最佳 Optimum
    Q= 1.703 8h-2.042 R2=0.842 0 相关 Related
    315° Q=0.240 9e-0.159h R2=0.931 2 最佳 Optimum
    Q=-0.113 ln(h)+0.3273 R2=0.860 9 较佳 Better
    Q=0.001 1h2-0.039 3h+0.328 1 R2=0.809 6 较佳 Better
    180° Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳 Optimum
    Q=0.001 8h2-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳 Better
    Q=-0.249 ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳 Better
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    表  7  风向对风沙流结构分布的影响

    Table  7.   Sand flow structure with different sand directions

    风向
    Wind direction
    总输沙率
    Total sand tansport rate/
    (g·min-1·cm-2)
    不同高度气流场输沙率
    Sand transport rate of different height airflow field/%
    特征值
    Characteristic value (λ)
    0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
    180° 4.77 59.37 26.16 14.47 0.24
    315° 1.65 66.70 20.51 12.79 0.19
    45° 1.42 72.46 17.53 10.02 0.14
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    表  8  输沙率随光伏阵列行距变化的拟合方程

    Table  8.   Fitting equations for the relationships between sand transport rate and sand collection heights with different line spaces of photovoltaic array

    行距 Spacing/cm 关系式 Relation expression 相关系数 Correlation coefficient 相关选择 Correlate selection
    18 Q=-0.122ln(h)+0.331 4 R2=0.626 2 最佳 Optimum
    Q=0.001 4h-0.045 4h+0.334 5 R2=0.559 3 较佳 Better
    20 Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳 Optimum
    Q=0.001 8h-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳 Better
    Q=-0.249ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳 Better
    22 Q=0.537 2e-0.25h R2=0.975 3 最佳 Optimum
    Q=2.330 9h2.032 R2=0.829 4 相关 Related
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    表  9  光伏阵列行距对风沙流结构分布的影响

    Table  9.   Sand flow structure with different line spaces of photovoltaic array

    行距
    Spacing/cm
    总输沙率
    Total sand transport rate/
    (g·min-1·cm-2)
    不同高度气流场输沙率
    Sand transport rate of different height airflow field/%
    特征值
    Characteristic value
    (λ)
    0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
    18 1.22 85.73 10.13 4.15 0.05
    20 4.77 59.37 26.16 14.47 0.24
    22 1.98 72.72 17.29 9.99 0.14
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    表  10  输沙率随是否布设沙障的拟合方程

    Table  10.   Fitting equations for the relationships between sand transport rate and sand collection heights with laying straw sand barriers or not

    是否布设沙障
    Setting barrier or not
    关系式
    Relation expression
    相关系数
    Correlation coefficient
    相关选择
    Correlate selection
    有 With Q=-0.000 3h2+0.004 2h+0.075 4 R2=0.855 2 最佳 Optimum
    Q=0.147 2e-0.078h R2=0.732 4 较佳 Better
    无 Without Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳 Optimum
    Q=0.001 8h2-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳 Better
    Q=-0.249ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳 Better
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    表  11  布设沙障对风沙流结构分布的影响

    Table  11.   Sand flow structure with laying straw sand barriers or not

    是否布设沙障
    Setting barrier or not
    总输沙率
    Total sand transport rate/
    (g·min-1·cm-2)
    不同高度气流场输沙率
    Sand transport rate of airflow field under different heights/%
    特征值
    Characteristic value
    (λ)
    0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
    有沙障Exist 1.59 24.43 32.93 42.64 1.75
    无沙障Without 4.77 59.37 26.16 14.47 0.24
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-14
  • 修回日期:  2017-06-06
  • 刊出日期:  2017-08-01

风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 41461001

    作者简介:

    陈曦,博士生。主要研究方向:荒漠化防治。Email:15184762218@163.com  地址:010018 内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区鄂尔多斯大街内蒙古农业大学新校区生命科学大楼沙漠治理学院733室

    通讯作者: 高永,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。Email:13948815709@163.com   地址:同上
  • 中图分类号: S157.1

摘要: 以对比分析不同风场及电站配置模式下光伏阵列对风沙输移的影响差异为研究目的,通过风洞模拟实验对不同风速、风向、电站阵列行距及是否布设麦草沙障时阵列在0~50 cm内的输沙情况进行分析,并对风沙流结构进行了探讨。结果表明:1)在0~50 cm高度范围内,阵列模型的输沙率与风速大小呈正比,与集沙高度呈反比,3个试验风速下输沙率均以多项式拟合关系最佳;2)当风向为南风时阵列输沙率及其风沙流结构特征值(λ)最高,南风(180°)、东北风(45°)、西北风(315°)的输沙最佳拟合函数分别为多项式函数、对数函数和指数函数;3)当阵列行距为20 cm时(以野外电场为原型等比例缩小值)阵列输沙率最高;4)当阵列前端布设麦草沙障后阵列风沙流结构特征值(λ)为1.75,即此时风沙流呈不饱和状态,具有挟沙能力。

English Abstract

陈曦, 高永, 娜仁格日勒, 翟波, 王余彦, 史万林. 风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
引用本文: 陈曦, 高永, 娜仁格日勒, 翟波, 王余彦, 史万林. 风场及光伏电场配置对阵列风沙结构影响的模拟分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
CHEN Xi, GAO Yong, NARENGERILE, ZHAI Bo, WANG Yu-yan, SHI Wan-lin. Simulation analysis of effects of wind field and photovoltaic DC field allocation on aeolian-sand structure[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
Citation: CHEN Xi, GAO Yong, NARENGERILE, ZHAI Bo, WANG Yu-yan, SHI Wan-lin. Simulation analysis of effects of wind field and photovoltaic DC field allocation on aeolian-sand structure[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(8): 68-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170137
  • 光伏发电是指以半导体材料为中间媒介,将太阳能辐射转换为可直接利用的电能的技术,是当今世界依靠太阳能发电的主要技术手段。但光伏电站占地面积广,土地问题正在成为光伏项目开发面临的一大难题[1]。我国沙地面积广袤,具有得天独厚的土地优势[2]。但同时沙漠地区是我国生态环境最为严酷和脆弱的地区,存在严重的沙害和潜在的环境问题。在风沙理论研究与防沙实践中,输沙量是一个重要的物理量和工程参数,它表示地表一定高度范围内的输沙总量,是区域风沙活动强度的最直接表征,也是目前风沙活动强度计算中应用最为广泛的指标[3]。而风洞实验研究是进行单因素精准实验的重要媒介[4-6]。本文以输沙率及风沙流结构为指标,分析风洞实验室内光伏阵列对风场及电站配置参数的响应模式,旨在分析当风向、风速等外因发生变化时同一光伏阵列对风沙流结构影响的差异,研究沙区光伏电站建设对项目实施区域风沙输移的影响。

    • 试验于2016年6月在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室宁夏中卫沙坡头风洞实验室进行。该风洞为直流开口吹气式风洞,洞体总长67 m,实验段长24 m,横断面积3 m×2 m(内壁尺寸),实验段扩散角0.5°左右。野外光伏面板材质为钢化玻璃,而模拟光伏电板的材质为三合板,经过预实验分析二者对风沙流的结构导向基本相同。本文仅对比试验因素之间的差异而不与野外情况进行比较。

      电板原型为乌兰布和沙漠东北缘光伏电站电板,实际规格为5 m×3 m,本实验模型按50:1将电板缩小为10 cm×6 cm。电板厚度为0.8 cm。野外电站行间距为10 m,同比例缩小为20 cm。电板支架采用一次性竹筷,直径为4 mm。

      光伏电板倾角以当地具体气象资料为依据,通过RET screen优化设计软件优化设计得出最佳倾角值。软件计算不同倾角对应的倾斜面各月日太阳总辐射量及其平均值和单位面积发电量结果数据(表 1),故本次试验电板与地面夹角设置为37°。

      表 1  光伏电板不同倾角理论发电值

      Table 1.  Theorectical power value for different dip angles of photovoltatic electroplax

      kWh·m-2·d-1
      月份
      Month
      安装角度Installation angle
      34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41°
      1月January 4.04 4.07 4.11 4.14 4.18 4.21 4.24 4.27
      2月February 5.00 5.03 5.06 5.09 5.11 5.14 5.16 5.18
      3月March 5.41 5.42 5.43 5.43 5.43 5.43 5.43 5.43
      4月April 5.75 5.74 5.72 5.70 5.69 5.67 5.65 5.62
      5月May 5.98 5.95 5.91 5.88 5.85 5.81 5.77 5.74
      6月June 5.75 5.71 5.67 5.63 5.60 5.56 5.51 5.47
      7月July 5.54 5.51 5.48 5.44 5.41 5.37 5.34 5.30
      8月Augest 5.28 5.26 5.24 5.44 5.20 5.17 5.15 5.12
      9月September 4.44 4.44 4.44 4.43 4.43 4.42 4.41 4.40
      10月October 4.54 4.55 4.56 4.58 4.59 4.60 4.61 4.61
      11月November 4.35 4.38 4.41 4.44 4.47 4.50 4.52 4.55
      12月December 3.86 3.90 3.94 3.98 4.01 4.05 4.08 4.12
      全年Annual/MWh 84 873.75 84 917.00 84 942.99 84 951.69 84 943.12 84 917.17 84 874.17 84 813.80
    • 实验进行之前对洞体风速进行标定,建立风速与风机转数的关系。同时对试验用沙进行采样,带回实验室采用Malvern公司的Mastersizer3000型土壤粒度分析仪进行,该仪器测量范围0.01~3 500 μm,测量误差为±2%,3次重复测定后取算术平均值。

      实验设置如图 1所示,于试验段前方铺设长度为50 cm、厚度为3 cm的沙床。试验段高度与沙床齐平,其中用于固定模型的下垫面板材厚度为1.3 cm,板材表面覆沙厚度为1.7 cm。电板模型投影面积为10 cm×4.8 cm。将模型置于试验段前端,电板下缘距离沙表面高度为3 cm。模型沿风洞实验室中轴线布设,横向布设8块电板,纵向布设6行,模型采用超薄双面胶与下垫面连接。沿主风方向在阵列模型后放60 cm处放置一台集沙仪,开口对准迎风方向。该仪器沙尘采集高度为50 cm,每个进沙口高2 cm,分为25个高度(图 1)。吹蚀试验后将沙样放入样品袋称质量。测定风速为10、12、16 m/s。

      图  1  试验布设示意图

      Figure 1.  Schematic diagram for measurement setting

    • 通过控制风向及光伏阵列的配置参数,对比分析阵列风沙结构的差异。本试验的参数控制对象为风向、阵列行距以及是否在阵列前端布设麦草沙障。各试验因素的设置水平如表 2所示。

      表 2  试验因素及水平的设置

      Table 2.  Test factors and levels for text

      控制因素Test factor 试验水平Test level
      水平1 Level 2 水平2 Level 2 水平3 Level 3
      风向Wind direction/(°) 45 315 180
      阵列行距Spacing of array/cm 18 20 22
      是否布设沙障Setting barrier or not 是Exist 否Without

      风向试验主要参考西北地区的风向进行制定,该地区风季的风向主要以偏北风为主,试验风向为西北风(315°)、东北风(45°)及南风(180°)。因北风与阵列成垂直角度,故不做考虑;阵列的行间距试验水平布设依据为以野外电站行距为中点,增加(减少)2 cm;沙障布设于阵列的最前端,为麦草沙障。将麦草裁剪为4 cm段,固定于下垫面上,沙面外露高度为1 cm,距首行模型5 cm。

      上述试验均在16 m/s下进行,吹蚀时间为8 min。各试验除控制因素外其他实验条件、集沙仪放置位置及方式均与1.2.1试验相同。

    • 本研究数据采用Excel 2013进行处理并绘图,SPSS 13.0进行数据相关性分析。风沙流结构特征值(λ)的计算方法采用吴正[7]提出计算公式:

      $$ \lambda {\rm{ = }}{Q_{20 - 50}}/{\mathit{Q}_{0 - 10}} $$

      式中:Q20-50为风沙流中20~50 cm输沙量,g/(min·cm);Q0-10为风沙流中0~10 cm输沙量,g/(min·cm)。

    • 对4种粒径颗粒百分含量均值进行了统计学分析结果显示(表 3),颗粒直径范围在0.05~1 mm的4种粒级总含量达到99.87%,极粗沙与粉沙含量极少可以忽略。

      表 3  试验土壤颗粒的描述性统计特征

      Table 3.  Descriptive statistical characteristics of soil particle composition information

      %
      粒级Particle size 平均值Mean 最大值Max. 最小值Min. 标准差Standard deviation
      粗沙Coarse sand (1.0~0.5 mm) 11.99 15.95 7.08 4.38
      中沙Middle sand (0.5~0.25 mm) 47.46 49.18 44.45 2.04
      细沙Silver sand (0.25~0.1 mm) 38.93 43.04 35.36 3.16
      极细沙Very fine sand (0.1~0.05 mm) 1.49 2.65 0.7 0.88
    • 图 2可知,当试验风速10 m/s时输沙率较小,随着集沙高度的增加输沙率无规律性变化。当风速为12 m/s时,随着集沙高度的增加输沙率逐渐降低。当风速为16 m/s时,输沙率随着高度的增加呈现先增加后降低的趋势,输沙率最高值位于集沙高度为2~4 cm高度层,为0.71 g/(min·cm2)。总体来讲,在0~50 cm高度范围内输沙率与风速大小呈正比,与集沙高度呈反比,这与李得禄等[7]、包岩峰等[8]的研究结果相一致。

      图  2  不同风速下输沙率随集沙高度的变化

      Figure 2.  Sand transport rate with sand collection height under different wind speeds

      将各风速梯度下输沙率与集沙高度进行曲线拟合,通过对比分析各拟合曲线及其相关系数(表 4)得出:当风速为10 m/s时,为多项式拟合程度最高,拟合方程为Q=2×10-6h2-7×10-5h+0.000 7,相关系数为0.844 2;当风速为12 m/s时,对数函数拟合程度最佳,拟合方程为Q=-0.022ln(h)+0.065 3,相关系数为0.932 1;当风速为16 m/s时,指数函数拟合程度最佳,拟合方程为Q=1.258 3e-0.215h,相关系数为0.985 4。

      表 4  不同风速下输沙率随集沙高度变化拟合方程

      Table 4.  Fitting equations for the relationships between sand transport rate and sand collection heights under different wind speeds

      风速Wind speed/
      (m·s-1)
      关系式
      Relational expression
      相关系数
      Correlation coefficient
      相关选择
      Correlate selection
      10 Q=2×10-6h2-7×10-5h+0.000 7 R2=0.844 2 最佳Optimum
      Q=-3×10-4ln(h)+0.000 8 R2=0.840 4 相关Related
      12 Q=-0.022ln(h)+0.065 3 R2=0.932 1 最佳Optimum
      Q=0.000 2h2-0.006 4h+0.061 6 R2=0.807 5 相关Related
      16 Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳Optimum
      Q=0.001 8h2-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳Better
      Q=-0.249ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳Better

      对各风速条件下的总输沙率及其风沙流结构分布情况进行对比分析可知,当风速不同时总输沙率之间有所不同。具体表现为,在本试验的风速梯度研究中,随着风速的增加,总输沙率逐渐增大。结合前人的研究情况[9-11]及本试验的研究数据,以各层输沙率的占比为依据对光伏电站模型的0~50 cm高度范围内的集沙进行分层划分。将0~10 cm划定为底层,10~20 cm划定为平层,20~50 cm划定为顶层(表 5)。对各风速梯度下的风沙流结构进行分析可知,当风速为10 m/s时,底层相对输沙率为54.67%,随着风速的增加,当风速增加到16 m/s时相对率增加至59.37%,但平层相对输沙率则随着风速的增加逐渐减小,顶层相对输沙率由10 m/s风速条件下的5.61%增加为16 m/s的14.47%。就沙流结构特征值λ(λ=Q20-50/Q0-10)而言,随着风速的增加而逐渐增大。

      表 5  风速对风沙流结构分布的影响

      Table 5.  Sand flow structure with different wind speeds

      风速Wind speed/
      (m·s-1)
      总输沙率
      Total sand transport
      rate/(g·min-1·cm-2)
      不同高度气流场输沙率
      Sand transport rate of airflow field under different heights/%
      特征值
      Characteristic value
      (λ)
      0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
      10 0.004 54.67 39.72 5.61 0.10
      12 0.370 57.80 30.25 11.95 0.21
      16 4.770 59.37 26.16 14.47 0.24
    • 该部分研究旨在分析不同风向条件对光伏阵列输沙率及风沙流结构的影响,其中315°为模拟西北风,45°为模拟东北风。

      图 3为不同风向对光伏阵列输沙率的影响分析。如图所示,当风向不同时,0~50 cm高度范围内,阵列输沙率有所差异。其中当风向为南风时,阵列输沙率随着集沙高度的增加呈现先增加后降低趋势,当风向为西北风及东北风时阵列输沙率随集沙高度的增加而降低。

      图  3  不同风向下输沙率随集沙高度的变化

      Figure 3.  Variation of sand transport rate with sand collection height

      对不同风向条件下阵列输沙率与集沙高度的进行函数拟合,拟合方程及其相关系数见表 6。当风向为东北风时(45°),拟合最佳函数为指数函数,关系式为Q=0.379 8e-0.249h,相关系数为0.974 2;当风向为西北风时(315°),拟合最佳函数为指数函数,关系式为Q=0.240 9e-0.159h,相关系数为0.931 2;当风向为南风时(180°),拟合最佳函数为指数函数,关系式为Q=1.258 3e-0.215h,相关系数为0.985 4。

      表 6  不同风向下输沙率随集沙高变化拟合方程

      Table 6.  Fitting equation for the relationships between sand transport rate and sand collection heights under different wind directions

      风向 Wind direction 拟合关系式 Simulated relation expression 相关系数 Correlation coefficient 相关选择 Correlate selection
      45° Q=0.379 8e-0.249h R2=0.974 2 最佳 Optimum
      Q= 1.703 8h-2.042 R2=0.842 0 相关 Related
      315° Q=0.240 9e-0.159h R2=0.931 2 最佳 Optimum
      Q=-0.113 ln(h)+0.3273 R2=0.860 9 较佳 Better
      Q=0.001 1h2-0.039 3h+0.328 1 R2=0.809 6 较佳 Better
      180° Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳 Optimum
      Q=0.001 8h2-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳 Better
      Q=-0.249 ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳 Better

      对不同风向试验条件下光伏阵列的总输沙率及其风沙流结构进行分析(见表 7),0~50 cm高度范围内相对输沙率均随着高度的增加而减少,阵列总输沙率大小依次为南风(180°)>西北风(315°)>东北风(45°)。底层相对输沙率则表现为东北风(45°)>西北风(315°)>南风(180°),平层相对输沙率及顶层相对输沙率规律于总输沙率一直。

      表 7  风向对风沙流结构分布的影响

      Table 7.  Sand flow structure with different sand directions

      风向
      Wind direction
      总输沙率
      Total sand tansport rate/
      (g·min-1·cm-2)
      不同高度气流场输沙率
      Sand transport rate of different height airflow field/%
      特征值
      Characteristic value (λ)
      0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
      180° 4.77 59.37 26.16 14.47 0.24
      315° 1.65 66.70 20.51 12.79 0.19
      45° 1.42 72.46 17.53 10.02 0.14
    • 光伏电站阵列行间距的设置是影响光伏用地面积的重要指标之一。现有的电站间距设置大多根据工程参数范围进行设定,并未结合沙区特有的环境特征。而行间距的布设对近地表粗糙度产生影响。以输沙率及风沙流结构为研究对象,分析行间距布设对电站内近地表风沙结构的影响。

      由该图 4知在0~50 cm高度范围内,当阵列行距为18 cm和22 cm时输沙率随着集沙高度的增加而减少,当行距为18 cm时单层输沙率最高值0.63 g/(min·cm2),当行距为22 m时单层输沙率最高值0.75 g/(min·cm2);当行距为20 cm时输沙率随着集沙高度的增加呈现先增大后减小的趋势,其中2~4 cm高度层为最高值。

      图  4  不同光伏阵列行距下输沙率随集沙高度的变化

      Figure 4.  Sand transport rate under different line spaces of photovoltaic array

      对行间距梯度下输沙率与集沙高度进行曲线拟合(见表 8)。通过对多种拟合函数进行分析可知,当阵列行间距为18 cm时为对数函数拟合程度最佳,拟合方程为Q=-0.122ln(h)+0.331 4,相关系数为0.626 2;当行距为20 cm时,指数函数拟合程度最佳,拟合方程为Q=1.258 3e-0.215h,相关系数为0.985 4;当阵列行间距为22 cm时为指数函数拟合程度最佳,拟合方程为Q=0.537 2e-0.25h,相关系数为0.975 3。

      表 8  输沙率随光伏阵列行距变化的拟合方程

      Table 8.  Fitting equations for the relationships between sand transport rate and sand collection heights with different line spaces of photovoltaic array

      行距 Spacing/cm 关系式 Relation expression 相关系数 Correlation coefficient 相关选择 Correlate selection
      18 Q=-0.122ln(h)+0.331 4 R2=0.626 2 最佳 Optimum
      Q=0.001 4h-0.045 4h+0.334 5 R2=0.559 3 较佳 Better
      20 Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳 Optimum
      Q=0.001 8h-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳 Better
      Q=-0.249ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳 Better
      22 Q=0.537 2e-0.25h R2=0.975 3 最佳 Optimum
      Q=2.330 9h2.032 R2=0.829 4 相关 Related

      对不同行间距光伏阵列的总输沙率及其风沙流结构进行分析可以发现(表 9),总输沙率并未随着阵列行间距的增加呈现规律性变化,总输沙率最大值出现在行间距为20 cm处。底层相对输沙率(Q0-10)表现为行间距20 cm<22 cm<18 cm,平层及顶层相对输沙率(Q10-20)表现为行间距18 cm<22 cm<20 cm。沙流结构特征值λ(λ=Q20-50/Q0-10)与绝对输沙率规律一致,即行间距为20 cm时最大。

      表 9  光伏阵列行距对风沙流结构分布的影响

      Table 9.  Sand flow structure with different line spaces of photovoltaic array

      行距
      Spacing/cm
      总输沙率
      Total sand transport rate/
      (g·min-1·cm-2)
      不同高度气流场输沙率
      Sand transport rate of different height airflow field/%
      特征值
      Characteristic value
      (λ)
      0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
      18 1.22 85.73 10.13 4.15 0.05
      20 4.77 59.37 26.16 14.47 0.24
      22 1.98 72.72 17.29 9.99 0.14
    • 麦草沙障是指以麦草为原材料,在流动沙地上沙障布设成的网格状或条带状的挡风墙。前期学者的研究证明[12],麦草沙障的设置能够增加地表粗糙度,减弱近地方风力,从而削弱其挟沙能力。本研究在光伏阵列前端布设麦草沙障,旨在分析其对阵列风沙结构的影响状况。

      图 5可知,当光伏阵列模型前方有无沙障布设时,阵列输沙率均随着集沙高度的增加呈现先增加后降低的趋势,其中无设置沙障时输沙率最高点为2~4 cm高度处,为0.71 g/(min·cm2),设置沙障后输沙率最高点为12~14 cm高度处,为0.11 g/(min·cm2)。

      图  5  有无麦草沙障条件下输沙率随集沙高度的变化

      Figure 5.  Sand transport rate under laying straw sand barriers or not

      对阵列输沙率与集沙高度之间的关系进行函数拟合(见表 10),设置沙障后多项式函数拟合最佳,拟合关系式为Q=-0.000 3h2+0.004 2h+0.075 4,相关系数为R2=0.855 2;无沙障布设时最佳拟合函数为指数函数,其拟合关系式为Q=1.258 3e-0.215h,相关系数为0.985 4。

      表 10  输沙率随是否布设沙障的拟合方程

      Table 10.  Fitting equations for the relationships between sand transport rate and sand collection heights with laying straw sand barriers or not

      是否布设沙障
      Setting barrier or not
      关系式
      Relation expression
      相关系数
      Correlation coefficient
      相关选择
      Correlate selection
      有 With Q=-0.000 3h2+0.004 2h+0.075 4 R2=0.855 2 最佳 Optimum
      Q=0.147 2e-0.078h R2=0.732 4 较佳 Better
      无 Without Q=1.258 3e-0.215h R2=0.985 4 最佳 Optimum
      Q=0.001 8h2-0.072 7h+0.744 1 R2=0.970 4 较佳 Better
      Q=-0.249ln(h)+0.769 1 R2=0.925 2 较佳 Better

      表 10为是否布设情况下光伏阵列模型的风沙流结构。由该表可知,布设麦草沙障后阵列的总输沙率降低明显,各层的相对输沙率对比无沙障阵列各层相对输沙率而言分布均匀,底层和顶层的相对输沙率大于无沙障情况,平层则较无沙障时有所增加。其风沙流结构特征值λ(λ=Q20-50/Q0-10)>1,即当风沙流经过光伏阵列后呈不饱和状态,气流具有挟沙能力。

      表 11  布设沙障对风沙流结构分布的影响

      Table 11.  Sand flow structure with laying straw sand barriers or not

      是否布设沙障
      Setting barrier or not
      总输沙率
      Total sand transport rate/
      (g·min-1·cm-2)
      不同高度气流场输沙率
      Sand transport rate of airflow field under different heights/%
      特征值
      Characteristic value
      (λ)
      0~10 cm 10~20 cm 20~50 cm
      有沙障Exist 1.59 24.43 32.93 42.64 1.75
      无沙障Without 4.77 59.37 26.16 14.47 0.24
    • 诸多学者在各个分支上对风沙通量的情况进行详实的研究。周颖等[13]对古尔班通古特沙漠东北缘半固定沙丘的风沙流结构进行研究发现,输沙率随着高度的变化呈幂函数递减,同时风速、风向以及局地植被分布差异均会对风沙流结构产生影响。徐军[14]、高函等[15]的研究显示不同下垫面输沙量均随高度的增加呈幂函数递减。马小明[16]的研究则表明由于研究区域等诸多因素的影响,风沙流量函数是多样的,同一问题的不同函数模拟之间差异较大。但因光伏电站下垫面具有特殊性,对其展开研究并进行讨论是十分必要的。本研究发现,当风速、风向不同时,电站阵列模型的输沙率在0~50 cm高度范围内整体上沿着高程的增加呈降低趋势,但当上述因素发生变化时,输沙率与集沙高度之间的最佳拟合方程有所不同,其风沙流结构特征也有所差异,这与薛智德等[17]、邳华伟[18]、陶彬彬等[19]、王翠等[20]的研究结果相一致。

      本研究所依托课题的研究意义在于探究建设光伏电站是否会对沙区环境产生影响,并分析这些影响是正向的还是逆向的,这些影响是否可控,从而进一步分析光电项目在沙区的发展前景。而本文的研究目的以输沙率及风沙流结构为指标,对比分析当阵列固定时不同风速、风向及其他外界条件发生变化时对输沙及风沙流结构影响的差异性,日后还将对其他方面的影响进行研究。笔者认为需要将多项指标的研究结果进行综合讨论才能就光电项目在沙区的建设与发展提供理论基础。

      本试验是基于风洞实验室展开的,主要用于分析单因子对光伏阵列模型的影响。与野外试验存在一定的耦合偏差,课题组将在日后的试验中结合野外实测数据,对光伏电站阵列等系列因素引发的风沙流结构分异现象进行进一步研究。

    • 1) 在0~50 cm集沙高度范围内,随着风速的增加光伏阵列模型的输沙率增大。当风速为10 m/s、12 m/s时输沙率随着高度的增加呈增加趋势,风速为16 m/s时输沙率随高度的增加先增加后减小,最大值为0.71 g/(min·cm2);当风速为10 m/s、12 m/s和16 m/s时,输沙率与集沙高度的最佳拟合函数分别为多项式函数、对数函数和指数函数;风沙流结构在各风速梯度下有所差异,风沙流结构特征值λ在风速为16 m/s时最大,为0.24。

      2) 风向不同时光伏阵列的输沙率及风沙流结构有所差异,当风向为南风时阵列输沙率最高。当风速一定时,各风向条件下输沙率与集沙高度之间的最佳拟合函数方程均为指数函数;风沙流结构特征值λ表现为λ180°(0.24)>λ315°(0.19)>λ45°(0.14)。

      3) 不同光伏阵列模型行间距对输沙率及风沙流结构的影响不尽相同,当阵列行距为20 cm时输沙率最高。对于拟合函数而言,当阵列行距为18 cm时,输沙率与集沙高度的最佳函数拟合曲线为对数函数,行距为20 cm、22 cm时最佳拟合函数为指数函数;风沙流结构特征值λ表现为λ20 cm(0.24)>λ22 cm(0.14)>λ18 cm(0.05)。

      4) 在光伏阵列模型前段设置麦草沙障可以有效减小阵列输沙率,其与集沙高度的最佳拟合函数为多项式函数,风沙流结构特征值λ为1.75。即在布设麦草沙障情况下,经过阵列的风沙流呈非饱和状态。

参考文献 (20)

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