沙区柔性支架光伏阵列对风沙运动的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00051

摘要/Abstract

摘要：

随着新能源＋治沙模式的大力推广，光伏治沙因显著的防风固沙效应与改良土壤能力而被广泛应用。现对光伏治沙研究多关于传统刚性光伏支架，其生态效应与风沙调控机制已较为明确，而关于柔性支架的风沙输移特征尚不明晰。基于此，本文选取风沙活动强烈的柔性支架光伏电站为研究对象，在光伏阵列上风向、内部及下风向等典型部位设置观测点，通过HOBO小型气象站和阶梯式集沙仪测定风速变化和输沙情况。结果表明：柔性支架光伏阵列明显削弱了近地表气流，阵列各位置风速整体低于对照组22%~49%，且风速衰减程度随着深入阵列逐渐增强。阵列的布设提高了下垫面粗糙度，并改变了风速垂直分布结构，阵列内部10~300 cm随高度增加防风效能逐渐减小，但在300~400 cm高度层防风效能出现明显回升。光伏阵列内部风沙流状态发生明显转变，对照组（λ＝2.128）、阵列上风向（λ＝1.901）和阵列内部（λ＝1.648）以风蚀为主，阵列下风向（λ＝0.873）风沙流结构表现为堆积特征。阵列下风向较其他位置输沙率更低。因此，柔性支架光伏阵列的架设能够改变气流场分布，有效减缓风蚀过程速率。

关键词: 太阳能, 柔性光伏支架, 气流场, 风沙流结构, 库布齐沙漠

Abstract:

With the vigorous promotion of the “new energy + desertification control” model， photovoltaic （PV） desertification control has been widely applied owing to its strong windbreak and sand-fixation effects and its capacity to improve soil conditions. At present， research on PV-based desertification control has mainly focused on traditional rigid mounting systems， for which ecological effects and aeolian sand regulation mechanisms have been relatively well established， whereas the aeolian sand transport characteristics associated with flexible mounting systems remain unclear. In this study， a flexible-mount PV power plant located in an area of intense aeolian activity was selected as the research object. Monitoring points were arranged at typical positions of the PV array， including the upwind side， the interior， and the downwind side. Wind speed variations and sand transport were measured using HOBO compact meteorological stations and stepwise sand traps. The results indicate that the flexible-mount PV array markedly weakens near-surface airflow. Wind speeds at all positions within the array were generally lower than those at the control site， with reductions ranging from 22% to 49%， and the degree of wind speed attenuation increased progressively from the upwind side toward the interior of the array. The installation of the array increased surface roughness and modified the vertical structure of the wind speed profile. Within the array， windbreak efficiency gradually decreased with height from 10 cm to 300 cm， but exhibited a distinct increase in the 300-400 cm layer. The aeolian sand flow regime within the PV array underwent a clear transition. Wind erosion dominated at the control site （λ = 2.128）， the upwind side of the array （λ = 1.901）， and the array interior （λ = 1.648）， whereas the aeolian sand flow structure at the downwind side of the array showed depositional characteristics （λ = 0.873）. The sand transport rate at the downwind side of the array was lower than that at other positions. Therefore， the deployment of flexible-mount PV arrays can modify airflow field distributions and effectively reduce the rate of wind erosion processes.

Key words: solar energy, flexible photovoltaic support, airflow field, wind-sand flow structure, Kubuqi Desert

中图分类号:

TM615

杨焱秋, 刘静, 蒙仲举, 孟芮冰, 蔡佳乐, 高岳. 沙区柔性支架光伏阵列对风沙运动的影响[J]. 中国沙漠, 2026, 46(4): 321-332.

Yanqiu Yang, Jing Liu, Zhongju Meng, Ruibing Meng, Jiale Cai, Yue Gao. Impact of flexible-support photovoltaic arrays on wind-sand movement in desert regions[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(4): 321-332.

图/表 13

图1 柔性光伏支架结构示意

Fig.1 Schematic diagram of flexible photovoltaic mounting structure

表1 刚性光伏支架与柔性光伏支架对比［21-23］

Table 1 Comparison of rigid and flexible photovoltaic mounting systems［21-23］

	刚性光伏支架	柔性光伏支架
结构形式	钢结构支架＋桩基础	索系结构＋钢构件＋桩基础＋边锚
支架净空高度	常见≤2.0 m	≥4.0 m
单跨跨距（东西向）	3.0~4.0 m	10~60 m
组件倾角	沙区常见36°（固定倾角）	45°（可优化设计）
生态利用条件	农业机械通行受限，以人工维护为主	可满足大型农业机械通行与植被恢复
适用场地特点	地势平坦地段、地基条件良好	适应复杂地形条件，场地适应性强

图2 研究区位置与实验布设

Fig.2 Location of study area and experimental layout diagram

图3 电站内外观测时间内风玫瑰图

Fig.3 Wind rose diagram for the observation period at the power station's interior and exterior

图4 柔性支架光伏电站实景

Fig.4 Flexible mounting system photovoltaic power plant in action

图5 对照组和光伏电站内2 m高处风速对比

Fig.5 Comparison of wind speeds at 2 m height between the control group and the photovoltaic power station

图6 不同测点风速廓线变化趋势

Fig.6 Variations in wind speed profiles across monitoring points

表2 柔性支架光伏阵列在不同指示风速和不同位置下的粗糙度与摩阻速度

Table 2 Surface roughness and friction velocity of the flexible photovoltaic mounts array under varying indicated wind speeds and positions

指示风速	位置	风速廓线回归方程	粗糙度/m	摩阻速度/（m·s^-1）
7.54 m·s^-1	对照组	u=0.66ln(z)+3.55 R² =0.98	0.004	0.264
	阵列上风向	u=0.61ln(z)+3.17 R² =0.98	0.005	0.243
	阵列内部	u=0.78ln(z)+1.81 R² =0.94	0.100	0.314
	阵列下风向	u=0.75ln(z)+1.02 R² =0.95	0.256	0.300
指示风速	位置	风速廓线回归方程	粗糙度/m	摩阻速度/（m·s^-1）
9.16 m·s^-1	对照组	u=0.86ln(z)+4.13 R² =0.98	0.008	0.343
	阵列上风向	u=0.75ln(z)+3.34 R² =0.85	0.011	0.301
	阵列内部	u=0.76ln(z)+2.16 R² =0.91	0.058	0.304
	阵列下风向	u=0.79ln(z)+1.22 R² =0.96	0.213	0.315

图7 不同风速下柔性支架光伏阵列的风速流场

Fig.7 Airflow fields of the flexible photovoltaic array under varying wind speeds

图8 不同位置防风效能随高度变化示意图注：不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.8 Schematic of windbreak efficiency variations with height across positions

图9 柔性支架光伏阵列不同位置输沙量（g·cm-2·min-1）随高度的变化

Fig.9 Dynamic sand transport at different positions of flexible-supported photovoltaic arrays as a function of height

表3 柔性支架光伏阵列不同位置风沙流结构特征值

Table 3 Characteristic parameters of aeolian sand flow at different positions in the flexible photovoltaic mounts array

指示风速	高度	对照组	阵列上风向	阵列内部	阵列下风向
9.16 m·s^-1	0~10 cm	0.685	0.528	0.384	0.207
	2~10 cm（上层）	0.284	0.210	0.151	0.053
	1~2 cm（中层）	0.182	0.136	0.088	0.043
	0~1 cm（下层）	0.219	0.182	0.145	0.110
	特征值λ	2.128	1.901	1.648	0.873

图10 各位置累计输沙率随高度变化趋势

Fig.10 Spatial variations in vertical distribution of cumulative sand transport rate

参考文献 50

[1]	邹才能，陈艳鹏，熊波，等.碳中和目标下中国新能源使命［J］.中国科学院院刊，2023，38（1）：48-58.
[2]	欧阳志政.太阳能光伏电站助力乡村振兴发展［J］.太阳能学报，2024，45（11）：757.
[3]	刘永杰，杨琴，苏军虎，等.光伏发电与“三北”工程建设协同发展分析［J］.中国草地学报，2024，46（12）：122-129.
[4]	乔慧.光伏电站风沙运动特征及植被恢复对土壤的影响［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2023.
[5]	Campana P E， Macknick J， Croci M，et al.Scientific frontiers of agrivoltaic cropping systems［J］.Nature Reviews Clean Technology，2025：1-21.
[6]	Li M， Chen T， Ma S，et al.Wind field characteristics of photovoltaic arrays based on wind tunnel tests［J］.Solar Energy，2025，300：113867.
[7]	刘雅婧，王丹阳，常旭，等.光伏电站建设对西北荒漠区生态环境的影响研究进展［J］.中国水土保持科学，2025，23（2）：9-17.
[8]	周茂荣，王喜君.光伏电站工程对土壤与植被的影响：以甘肃河西走廊荒漠戈壁区为例［J］.中国水土保持科学，2019，17（2）：132-138.
[9]	王喜君.河西走廊戈壁荒漠区光伏电站占地分析及水土流失特征研究［J］.中国水土保持，2019（9）：11-14.
[10]	Abdeen E， Orabi M， Hasaneen E S.Optimum tilt angle for photovoltaic system in desert environment［J］.Solar energy，2017，155：267-280.
[11]	赵飞燕.库布齐沙漠集中固定式光伏阵列扰流效应及地表蚀积调控研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2025.
[12]	牛清河，苏春丽，肖建华，等.青藏高原苏干湖盆地光伏电站对戈壁风沙环境的影响［J］.中国沙漠，2025，45（6）：249-257.
[13]	田小武，唐希明，陈淑瑾，等.沙漠区光伏阵列布局对近地表风沙流场的影响［J］.水土保持通报，2026，46（1）：236-248.
[14]	杨世荣，凌侠，蒙仲举，等.库布齐沙漠生态光伏电站风速脉动特征［J］.干旱区研究，2019，36（5）：1309-1317.
[15]	Shi F， Huang N.Measurement and simulation of sand saltation movement under fluctuating wind in a natural field environment［J］.Physica A：Statistical Mechanics and its Applications，2012，391（3）：474-484.
[16]	唐国栋.沙区光伏阵列地表形变规律及其动力学机制［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2021.
[17]	贾瑞庭，蒙仲举，党晓宏，等.库布齐沙漠200MWp光伏阵列的截流阻沙效应研究［J］.中国农业科技导报，2021，23（4）：137-144
[18]	王浩，李生宇，王海峰，等.沙漠光伏电站地表蚀积发生机制实验研究［J］.干旱区研究，2025，42（2）：349-359.
[19]	赵明智，张丹，宫博，等.沙漠环境对光伏组件的影响研究［J］.太阳能学报，2020，41（5）：365-370.
[20]	李晓诚，张营营，周祎，徐俊豪.柔性光伏支架结构研究综述［J］.土木工程，2023，12（3）：290-297.
[21]	罗叠峰，李文露，翟朗.柔性光伏支架结构的抗风设计及风振研究综述［J］.自然灾害学报，2025，34（4）：1-15.
[22]	Lou Y， Zhang J， Pan Y.Static and dynamic response analysis of flexible photovoltaic mounts［J］.Buildings，2024，14（7）：2037.
[23]	郭涛，杨渊茗，孙震，等.光伏组件柔性拖曳结构与传统刚性结构风振响应对比［J］.太阳能学报，2024，45（10）：317-325
[24]	张春伟，柯世堂，余玮，等.基于风洞试验大跨柔性光伏阵列上下表面脉动风压联合概率分布模型［J］.太阳能学报，2025，46（7）：701-709.
[25]	Zhou R， Xu Z， Wang H.Parametric study on flutter performance of three-cable-supported flexible photovoltaic support structure［J］.Thin-Walled Structures，2025，210：112975.
[26]	Cai Q， Ke S， Wang L，et al.Evolution of wind-induced vibration form of large-span flexible PV aeroelastic arrays［J］.Solar Energy，2024，277：112684.
[27]	亿恒智慧（北京）能源技术有限公司，亿利资源集团有限公司.一种光伏发电支架系统及其安装方法：202311266679.4［P］.2023-12-22.
[28]	Wiggs G F S.Desert dune dynamics and the evaluation of shear velocity：an integrated approach［J］.Geological Society，London，Special Publications，1993，72（1）：37-46.
[29]	Wiggs G F S， Livingstone I， Thomas D S G，et al.Airflow and roughness characteristics over partially vegetated linear dunes in the southwest Kalahari Desert［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1996，21（1）：19-34.
[30]	Sharratt B， Feng Guanglong.Friction velocity and aerodynamic roughness of conventional and undercutter tillage within the Columbia Plateau，USA［J］.Soil and Tillage Research，2009，105（2）：236-241
[31]	张呈春，张维福，展秀丽，等.腾格里沙漠光伏阵列对气流场和风沙流的扰动作用［J］.水土保持通报，2024，44（4）：55-65+76.
[32]	郭树江，杨自辉，王强强等.青土湖干涸湖底风沙流结构及输沙粒径特征［J］.生态学杂志，2021，40（4）：1166-1176.
[33]	唐国栋，蒙仲举，高永，等.基于风洞试验的风沙区光伏阵列近地表形态变化规律研究［J］.水土保持通报，2022，42（4）：1-8.
[34]	杨若婷，牛清河，屈建军，等.青海共和盆地固定支架式光伏阵列对阵内风场的影响［J］.中国沙漠，2022，42（5）：114-121.
[35]	袁方，张振师，卜崇峰，等.毛乌素沙地光伏电站项目区风速流场及风蚀防治措施［J］.中国沙漠，2016，36（2）：287-294.
[36]	梁志，师宇，张哲，等.大气稳定度对边界层垂直风切变的影响［J］.中国科学院大学学报（中英文），2024，41（3）：365-374.
[37]	赵鹏宇.光伏电板对地表土壤颗粒及小气候的影响［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2016.
[38]	Zhang F， Wen Y， Jiang M，et al.Wind speed profile model of the desert photovoltaic arrays［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2025，267：106239.
[39]	谢贇.榆林毛乌素沙地光伏+治沙生态恢复效应与功能评价［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2025.
[40]	李锦荣，韩兆恩，唐国栋，等.冻结对沙丘土壤抗风蚀能力的影响［J］.水土保持学报，2025，39（1）：38-45.
[41]	郭彩贇，韩致文，李爱敏，等.库布齐沙漠110MW光伏基地次生风沙危害的动力学机制［J］.中国沙漠，2018，38（2）：225-232.
[42]	Zhang J， Lou Y.Study of wind load influencing factors of flexibly supported photovoltaic panels［J］.Buildings，2024，14（6）： 1677.
[43]	李寿英，杨丹，刘佳琪，等.复杂工况下柔性光伏支架阵列风荷载特性及其遮挡效应［J］.东南大学学报（自然科学版），2025，55（5）：1228-1235.
[44]	黄斌，周之杰，李正农，等.风沙流对沙漠光伏组件及其发电效率的影响研究进展［J］.空气动力学学报，2025，43（04）：64-79.
[45]	Wang X， Zhang C， Huang X，et al.Wind tunnel tests of the dynamic processes that control wind erosion of a sand bed［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2019，44（2）：614-623.
[46]	陈曦，高永，翟波，等.沙区光伏电场的风沙流输移特征［J］.干旱区研究，2019，36（3）：684-690.
[47]	张正偲，董治宝.腾格里沙漠东南部野外风沙流观测［J］.中国沙漠，2013，33（4）：973-980.
[48]	张春伟，柯世堂，王伯洋，等.基于物理约束深度学习的大跨柔性光伏阵列绕流场重构［J］.空气动力学学报，2025，43（4）：91-102.
[49]	Wang Z， Chen H， Li Q，et al. Photovoltaic alters microhabitats and soil-vegetation feedbacks in a fragile semi‐arid ecosystem［J］.Land Degradation & Development，2025.
[50]	左强，杨昊天，杨奕颖，等.沙漠光伏建设模式通过土壤水分影响固沙草本植物生长特征［J］.中国沙漠，2025，45（3）：291-301.