光伏立柱刷状草绳防掏蚀性能的风洞模拟

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00172

摘要/Abstract

摘要：

在光伏电站实际建设中，光伏立柱周围存在掏蚀问题，严重危害光伏电站运营安全。为此我们将有着优秀固沙效果的刷状草绳应用于此，并设计3种防掏蚀模式（草绳分别缠绕1圈、2圈和3圈）。通过风洞模拟试验，对比空白立柱与3种防掏蚀模式的流场特征、风沙流结构和蚀积变化，筛选出1种防风固沙效果最好的模式。结果表明：（1）空白立柱前缘底部（高度0~5 cm）出现加速区，导致基底掏蚀，经刷状草绳防护后，掏蚀现象得到减轻。不同模式后方均出现较大减速区和顺向涡流，3圈立柱减速区范围最大（8 m·s^-1风速以下范围可达450 cm），气流分布最平缓，对风速减弱的综合效果最好。（2）空白立柱在6、10、14 m·s^-1风速下输沙量于不同高度大幅提升3.4~10.0倍，而3种防掏蚀模式输沙量较其显著下降83.9%~99.9%。空洞和空白立柱输沙量分布遵循指数衰减规律，而防掏蚀模式存在复杂的输沙量分布，部分情况下出现指数衰减-高斯分布的双段结构。（3）在6 m·s^-1风速下，空白立柱已出现掏蚀，且随着风速增大而严重。防掏蚀模式可减轻风蚀强度，其中3圈立柱模式防掏蚀效果最佳。3圈立柱模式有着优异的防风固沙效果，在光伏电站建设中推广与应用价值较高。

关键词: 光伏立柱, 刷状草绳, 防掏蚀模式, 风洞模拟试验

Abstract:

In practical photovoltaic （PV） power plant construction， erosion around foundation column poses a serious threat to operational safety. To address this， brush straw rope， which has demonstrated efficacy in sand fixation， was applied to the base of PV column using three protective configurations： one-loop， two-loop， and three-loop winding patterns. Wind tunnel simulations were conducted to compare flow field characteristics， wind-sand flow structure， and erosion-deposition patterns between bare column and the three protective setups， aiming to identify the most effective pattern for windbreak and sand fixation. The results indicate：（1） A high-speed zone occurred near the base （0-5 cm height） upstream of the bare column， resulting in erosion. All protective configurations reduced erosion by inducing extensive low-speed zones and downstream vortex flows. The three-loop winding pattern produced the largest deceleration zone （extending up to 450 cm downstream at wind speeds below 8 m·s^-1）， the smoothest airflow distribution， and the most effective overall wind speed reduction. （2） Under wind speeds of 6， 10， and 14 m·s^-1， sediment flux densities for the bare column increased significantly by factors of 3.4 to 10.0 at certain heights， while all three protective patterns reduced sediment flux density by 83.9% to 99.9%. Sediment flux density profiles for both the empty tunnel and bare column followed an exponential decay model， whereas the protective patterns resulted in more complex distributions， in some cases exhibiting a two-segment structure combining exponential decay and Gaussian distribution. （3） Erosion was observed around the bare column at 6 m·s^-1 and intensified with increasing wind speed. All protective patterns reduced wind-induced erosion， with the three-loop configuration providing the best anti-erosion performance. The three-loop straw rope winding pattern demonstrates superior windbreak and sand fixation effects， showing strong potential for widespread application in PV power plant construction.

Key words: photovoltaic column, brush straw rope, anti-erosion mode, wind tunnel simulation test

中图分类号:

X169

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图/表 15

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风速/(m·s^-1)	集沙仪1			集沙仪2
风速/(m·s^-1)	拟合曲线公式	R²	P	拟合曲线公式	R²	P
6	q_z =0.007·exp(-z/2.846)	0.810	<0.001	q_z =0.036·exp(-z/1.342)	0.902	<0.001
10	q_z =2.205·exp(-z/1.506)	0.999	<0.001	q_z =4.501·exp(-z/1.183)+0.002	0.996	<0.001
14	q_z =9.075·exp(-z/1.994)+0.003	0.990	<0.001	q_z =25.119·exp(-z/1.144)+0.025	0.997	<0.001
18	q_z =40.504·exp(-z/2.542)+0.05	0.991	<0.001	q_z =44.507·exp(-z/2.138)+0.025	0.988	<0.001

风速/(m·s^-1)	集沙仪1			集沙仪2
风速/(m·s^-1)	拟合曲线公式	R²	P	拟合曲线公式	R²	P
6	q_z =0.007·exp(-z/2.846)	0.810	<0.001	q_z =0.036·exp(-z/1.342)	0.902	<0.001
10	q_z =2.205·exp(-z/1.506)	0.999	<0.001	q_z =4.501·exp(-z/1.183)+0.002	0.996	<0.001
14	q_z =9.075·exp(-z/1.994)+0.003	0.990	<0.001	q_z =25.119·exp(-z/1.144)+0.025	0.997	<0.001
18	q_z =40.504·exp(-z/2.542)+0.05	0.991	<0.001	q_z =44.507·exp(-z/2.138)+0.025	0.988	<0.001

模式	风速/(m·s^-1)	高度/cm	集沙仪1			集沙仪2
模式	风速/(m·s^-1)	高度/cm	拟合曲线公式	R²	P	拟合曲线公式	R²	P
空白立柱	6	0~60	q_z =0.046·exp(-z/3.445)	0.954	<0.001	q_z =0.020·exp(-z/7.233)	0.903	<0.001
	10	0~60	q_z =0.867·exp(-z/4.534)+0.009	0.972	<0.001	q_z =0.606·exp(-z/2.478)+0.007	0.983	<0.001
	14	0~60	q_z =4.064·exp(-z/6.037)+0.035	0.988	<0.001	q_z =5.688·exp(-z/1.936)+0.095	0.943	<0.001
	18	0~60	q_z =3.254·exp(-z/7.995)+0.013	0.994	<0.001	q_z =7.106·exp(-z/2.948)+0.148	0.959	<0.001
1圈立柱	10	0~60	—			q_z =0.27·exp(-z/1.337)+0.001	0.969	<0.001
	14	0~20	q_z =0.101·exp(-z/4.147)+0.009	0.889	<0.001	q_z =7.407·exp(-z/0.926)+0.048	0.993	<0.001
	14	20~60	q_z =0.033·exp[-0.5(z-44.075)²/17.383²]+0.006	0.615	<0.001	q_z =7.407·exp(-z/0.926)+0.048	0.993	<0.001
	18	0~60	q_z =1.017·exp(-z/2.158)+0.209	0.934	<0.001	q_z =26.55·exp(-z/1.708)+0.345	0.984	<0.001
2圈立柱	10	0~60	q_z =0.043·exp(-z/1.613)	0.910	<0.001	q_z =0.043·exp(-z/0.919)	0.875	<0.001
	14	0~20	q_z =0.046·exp(-z/3.453)	0.978	<0.001	q_z =0.632·exp(-z/0.687)+0.049	0.971	<0.001
	14	20~60	q_z =0.046·exp(-z/3.453)	0.978	<0.001	q_z =0.137·exp(-z/18.875)	0.810	<0.001
	18	0~20	q_z =1.659·exp(-z/2.096)+0.086	0.987	<0.001	q_z =1.807·exp(-z/1.305)+0.306	0.974	<0.001
	18	20~60	q_z =0.363·exp[-0.5(z-49.58)²/13.473²]+0.066	0.904	<0.001	q_z =-0.297·exp(z/91.397)+0.661	0.929	<0.001
3圈立柱	10	0~60	q_z =0.165·exp(-z/2.48)	0.990	<0.001	q_z =0.034·exp(-z/4.71)	0.751	<0.001
	14	0~20	q_z =1.103·exp(-z/2.438)+0.004	0.982	<0.001	q_z =0.29·exp(-z/2.371)+0.065	0.943	<0.001
	14	20~60	q_z =1.103·exp(-z/2.438)+0.004	0.982	<0.001	q_z =0.143·exp(-z/33.591)-0.028	0.931	<0.001
	18	0~20	q_z =4.654·exp(-z/1.939)+0.116	0.991	<0.001	q_z =2.357·exp(-z/1.311)+0.452	0.985	<0.001
	18	20~60	q_z=-0.263·exp[-0.5(z-27.887)²/15.462²]+0.303	0.945	<0.001	q_z =0.675·exp(-z/35.451)+0.015	0.931	<0.001

模式	风速/(m·s^-1)	高度/cm	集沙仪1			集沙仪2
模式	风速/(m·s^-1)	高度/cm	拟合曲线公式	R²	P	拟合曲线公式	R²	P
空白立柱	6	0~60	q_z =0.046·exp(-z/3.445)	0.954	<0.001	q_z =0.020·exp(-z/7.233)	0.903	<0.001
	10	0~60	q_z =0.867·exp(-z/4.534)+0.009	0.972	<0.001	q_z =0.606·exp(-z/2.478)+0.007	0.983	<0.001
	14	0~60	q_z =4.064·exp(-z/6.037)+0.035	0.988	<0.001	q_z =5.688·exp(-z/1.936)+0.095	0.943	<0.001
	18	0~60	q_z =3.254·exp(-z/7.995)+0.013	0.994	<0.001	q_z =7.106·exp(-z/2.948)+0.148	0.959	<0.001
1圈立柱	10	0~60	—			q_z =0.27·exp(-z/1.337)+0.001	0.969	<0.001
	14	0~20	q_z =0.101·exp(-z/4.147)+0.009	0.889	<0.001	q_z =7.407·exp(-z/0.926)+0.048	0.993	<0.001
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2圈立柱	10	0~60	q_z =0.043·exp(-z/1.613)	0.910	<0.001	q_z =0.043·exp(-z/0.919)	0.875	<0.001
	14	0~20	q_z =0.046·exp(-z/3.453)	0.978	<0.001	q_z =0.632·exp(-z/0.687)+0.049	0.971	<0.001
	14	20~60	q_z =0.046·exp(-z/3.453)	0.978	<0.001	q_z =0.137·exp(-z/18.875)	0.810	<0.001
	18	0~20	q_z =1.659·exp(-z/2.096)+0.086	0.987	<0.001	q_z =1.807·exp(-z/1.305)+0.306	0.974	<0.001
	18	20~60	q_z =0.363·exp[-0.5(z-49.58)²/13.473²]+0.066	0.904	<0.001	q_z =-0.297·exp(z/91.397)+0.661	0.929	<0.001
3圈立柱	10	0~60	q_z =0.165·exp(-z/2.48)	0.990	<0.001	q_z =0.034·exp(-z/4.71)	0.751	<0.001
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	14	20~60	q_z =1.103·exp(-z/2.438)+0.004	0.982	<0.001	q_z =0.143·exp(-z/33.591)-0.028	0.931	<0.001
	18	0~20	q_z =4.654·exp(-z/1.939)+0.116	0.991	<0.001	q_z =2.357·exp(-z/1.311)+0.452	0.985	<0.001
	18	20~60	q_z=-0.263·exp[-0.5(z-27.887)²/15.462²]+0.303	0.945	<0.001	q_z =0.675·exp(-z/35.451)+0.015	0.931	<0.001