塔克拉玛干沙漠光伏电站防风固沙解决方案浅析

王梦南，崔巍，王景航，李震宇，李云鹏

摘 要：为研究流动沙漠地区光伏电站如何进行防风固沙的问题，以塔克拉玛干沙漠的光伏电站为研究对象，采用流动沙漠地区种植草方格的防风固沙方法，以及专项光伏支架和基础设计方法对流动沙漠地区光伏电站防风固沙的可行性解决方案进行了分析。分析结果表明：通过在光伏场区围栏外、光伏场区内道路两侧、光伏箱逆变器一体机基础外围、光伏支架桩基周边、升压站围墙四周内种植草方格进行固沙，可以降低风沙流穿过光伏电站的风速，减缓流动沙漠的迁移速度；采用螺旋钢管桩和前后双立柱结构光伏支架与种植草方格相结合的方案，可以有效缓解流动沙漠地区风力作用对光伏支架基础的侵蚀问题，有效预防光伏支架基础周围出现“沙窝”现象。研究结果可为流动沙漠地区光伏电站的防风固沙设计方案提供参考。

关键词：流动沙漠；光伏电站；防风固沙；解决方案；光伏支架；光伏支架基础

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

近年来，国家关于光伏电站开发建设的政策陆续出台，其中，“双碳”政策和国家能源局关于印发《光伏电站开发建设管理办法》的通知（国能发新能规[2022]104号）中都明确表明，将大力支持光伏电站的开发、建设、管理，保障光伏电站和电力系统清洁低碳、安全高效运行，光伏电站的建设选址也逐步转向沙漠、戈壁、荒漠等地区。现有研究表明：光伏电站的选址将直接影响光伏电站的经济效益和社会效益[1]。

塔克拉玛干沙漠是中国最大的沙漠，同时也是世界第二大流动沙漠，荒漠化情况十分严峻[2]。且末县10万kW光伏电站（下文称为“塔克拉玛干光伏电站”）的选址位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州且末县境内，是塔克拉玛干沙漠腹地的第1座集中式光伏电站，也是新疆维吾尔自治区“十四五”电力保供项目之一。该光伏电站选址于此，一方面，是因为该地区拥有丰富的太阳能资源及良好的建设环境；另一方面，是符合中国流动沙漠治理的可持续发展战略目标[3]。在众多治沙模式中，“光伏+治沙”是最新探索出的成果，并且在可持续发展和低碳循环经济模式推动中，光伏发电及综合开发已经被证实是进行沙漠治理的有效手段之一[4]。然而在沙漠地区建设光伏电站，可参考的工程案例较少，而且由于沙漠地区气候的特殊性、显著的风力作用及沙土的流动性，易对光伏电站造成发电量降低、基础稳定性降低、消耗光伏支架防腐层等危害。因此，如何进行防风固沙成为在沙漠地区建设光伏电站面临的首要问题。

基于此，本文以塔克拉玛干光伏电站这一具体的“光伏+治沙”工程实践项目为例，从光伏电站建设、光伏支架及基础设计选型、草方格防风固沙方案等方面进行论证，为沙漠地区建设光伏电站及如何将防风固沙与光伏电站建设相结合等问题提供可行性解决方案。

1  塔克拉玛干光伏电站项目简介

本文具体分析的塔克拉玛干光伏电站的规划装机容量为100 MW，站址位于且末县西北方向约186 km的塔克拉玛干沙漠的塔中镇附近，平均海拔约为1087 m。本项目场区西侧有沙漠公路，北侧有塔中1#公路，交通较为便利。

该光伏电站建设前场地的地形地貌实景如图1所示。该场地的特点为极度干旱缺水、蒸发强烈、气候干燥、日照充足、太阳辐射强且原生植物稀少。

1.1  塔克拉玛干沙漠的太阳能资源分析

通过项目可行性研究报告可知，塔克拉玛干沙漠的年最大风速为21.00 m/s，起沙风速大于4.00 m/s，年平均风速为2.35 m/s，属于风速较大区域，这些条件极大地加速了流动沙漠的迁移扩张速度。

通过太阳能资源数据库Solargis的数据可知，塔克拉玛干沙漠的代表年太阳辐射总量为5550.8 MJ/m2（即1541.9 kWh/m2），属于太阳能资源丰富地区。根据GB/T 31155—2014《太阳能资源等级  总辐射》[5]可知，本光伏电站场址区域的太阳能资源稳定度等级名称为“稳定”，属于B级；直射比为0.44，适宜光伏电站的建设。

1.2  防风固沙设计方案

由于本光伏电站位于塔克拉玛干沙漠腹地，全场区均受流动沙漠的风力作用，因此项目的防风固沙设计方案采用“内防外固、内外结合”的总体原则。

本光伏电站的局部规划图如图2所示。在光伏电站围栏（墙）外侧设置草方格固定流动沙漠，同时对光伏电站内部的桩基和光伏支架进行特殊的防风设计，即光伏支架基础采用抗拔效果更好的螺旋钢管桩、光伏支架采用稳定性更好的双立柱结构形式，以确保光伏电站在设计工作年限内可正常运行。

2  草方格防风固沙方案及其优势

2.1  传统治沙方法

为避免流动沙漠不断地扩大、迁移，需要进行沙漠治理。传统的治沙方法主要是通过植树造林来减缓流动沙漠的扩大，但该方法存在的问题在于需要投入大量的人力、物力，见效慢，树苗成活率低。也有学者通过研究提出了乔木、灌木和草本植物混合种植，以及根据地形条件种植不同树种的沙漠育林方法，这种方法虽然可极大提高造林的效率和质量，但受到场地、气候环境的影响，还需要引进节水灌溉系统，对操作技术的要求高。由此可见，传统的治沙方法存在见效慢、技术要求高、成本投入大等缺点。

2.2  草方格防风固沙方案

草方格防风固沙的机理主要是通过提高地表粗糙度来降低风沙流通过该区域时的速度。有研究结果表明：设置草方格沙障可使地表粗糙度增加15～24倍；且随着地表粗糙度的增加，场区风沙流的摩阻风速也增加了1.0～1.5倍[6]，防风速最大值出现在草方格离地面0.2 m处。因此，种植草方格不但降低了风沙流的近地表风速，还有效拦截了风沙流。

本光伏电站建设中的固沙措施采用草方格防风固沙方案，草方格的种植局部规划如图2所示。本项目场地共种植草方格2103.3亩（1亩约为666.67 m2），单个草方格的尺寸为1.0 m×1.0 m的正方形。草方格材料选用芦苇，芦苇用量参考中国石油天然气股份有限公司企业标准Q/SY TZ 0157—2005《流动性沙漠公路勘察、设计、施工及验收规范》[7]，进场道路两侧场地的芦苇用量为1 kg/m2，光伏场区的芦苇用量为0.8 kg/m2。草方格种植范围为：迎风侧光伏场区围栏外50 m以内、下风侧围栏外20 m以内、光伏场区内检修道路两侧2.5 m以内、光伏箱逆变器一体机基础外围10 m以内、光伏支架桩基周边1.5 m以內、升压站围墙四周50 m以内。考虑到在风沙流长期作用下，沙丘会逐渐堆积到围栏（墙）根部，产生安全隐患，因此在围栏（墙）外侧与草方格之间预留宽为4.5 m的清沙通道，便于后期光伏电站运维时清理积沙。

草方格沙障在有效控制流动沙漠近地面风速作用的同时固定风沙流并阻止沙丘移动，也避免了风沙流对整个光伏场区的冲刷。另外，草方格沙障还有很好的固水作用[6]，可为植物种子提供良好的生长环境。随着植物在草方格中定居生长，植物根系盘结于地表使有机质得以在沙层中累积，沙面更加趋于稳定，进一步增强防风固沙效果[8]。

2.3  草方格防风固沙的优势分析

草方格防风固沙方法在中国治沙史上存在悠久的历史，这不仅体现在草方格原材料获取较为容易，更表现为该方法具有施工快捷、见效快等优点。

塔克拉玛干光伏电站草方格种植全景图如图3所示。

通过种植草方格建立草方格护林带，将整个光伏场区包围起来，以及在光伏支架基础四周种植草方格进行外围固沙与内部防风相结合的方式，既减少了外围沙流对光伏电站实体的冲刷，降低了运维成本，又可以保护光伏支架基础本体，减少风力侵蚀，提高了光伏支架基础的稳定性。同步实现了光伏组件发电及光伏组件下方防风固沙，减缓了流动沙区的运动。

3  光伏支架及基础的防风沙设计

3.1  光伏支架基础的防风沙设计

在光伏发电系统设计中，光伏支架基础形式的选择需考虑场地的地质条件、光伏组件最低点离地高度、前后排光伏阵列间距等因素。目前集中式光伏电站常用的光伏支架基础形式有微孔灌注桩、预应力高强度混凝土（PHC）管桩、混凝土独立基础、螺旋钢管桩、H型钢桩等[9]。

塔克拉玛干光伏电站场址位于沙漠腹地，场地粗糙类别为A类，风压高度修正系数为1.09，岩土分类为稍密砂土。光伏支架基础若采用微孔灌注桩，施工时难以成孔，需要采取注水等措施，但沙漠腹地水源获取极其困难。相对于螺旋钢管桩，PHC管桩的入沙施工也更困难，并且在风力作用下风沙流会不断冲刷PHC管桩的表面，造成风力侵蚀，降低PHC管樁的质量；PHC管桩与沙漠接触面还会在风力作用下在管桩周围形成涡流区，砂粒在被风力搬运与迁移后会出现明显的“沙窝”现象，如图4所示，会导致光伏支架基础埋深下降，降低光伏组件的稳定性。因此，流动沙漠场地光伏支架基础形式的选择不仅需要考虑施工难易程度、材料获取成本，还应考虑防风、固沙设计。

根据GB 51101—2016《太阳能发电站支架基础技术规范》[10]的规定，稍密砂土地区光伏支架基础的形式可选择螺旋钢管桩。螺旋钢管桩用作沙漠区光伏支架基础，具有较好的抗弯能力[11]。另外，由于螺旋钢管桩是由中心钢轴与不同几何尺寸的螺旋叶片连接组成的异型桩，因此可根据场地条件、设计要求提前在工厂预制；同时，其运输过程也不需要耗费太多人力、物力，可大幅减少施工周期与成本。螺旋钢管桩与沙土之间通过螺旋叶片相互作用为光伏支架稳定提供相应的抗压承载力、抗拔承载力及水平承载力，桩土之间的作用机理也较为简单，便于沉桩施工作业。螺旋钢管桩钢轴的直径比PHC管桩的小，因此，其在风力作用下导致的风力侵蚀作用面积会更小，抗侵蚀能力更高。

螺旋钢管桩的离地高度一般低于其他光伏支架基础形式，再结合光伏支架基础四周种植了草方格，以及在光伏场区迎风侧设置了防风围栏，使光伏场区内的风力作用大幅减缓，光伏支架基础周围的“沙窝”现象也得到了良好的预防。另外，螺旋钢管桩在采用特殊的热镀锌防腐处理措施后，其在沙土中的腐蚀速率是微小的[12]，符合设计使用年限的要求。

3.2  流动沙漠地区光伏支架的防风设计

根据NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》[13]中的规定，光伏支架结构体系可采用单立柱结构体系、双立柱结构体系，以及独立柱结构体系等。其中，相对于单列柱结构体系和独立柱结构体系而言，双立柱结构体系具有稳定性高、结构受力均匀稳定、可以适应不良地质的优点，能很好的适应流动沙漠地区场地多风的特点。

塔克拉玛干光伏电站确定的光伏支架形式为前后双立柱结构，采用工程管理软件PKPM对光伏支架形式进行结构内力分析，严格控制钢结构应力比。分析计算结果表明：前后双立柱结构光伏支架的承载力满足设计与施工要求，其后立柱的上拔力远小于单立柱结构光伏支架中立柱的上拔力。

针对沙漠地区长期风沙环境，本光伏电站抬高了光伏组件最低点离地高度，取1.0 m，可有效防止风沙覆盖光伏组件导致影响整个光伏电站发电效率的问题。

双立柱螺旋钢管桩施工完毕后种植草方格，该模式称为“螺旋钢管桩+草方格”防风模式，施工完成后的现场照片如图5所示。

从图5可以看出：采用“螺旋钢管桩+草方格”防风模式，光伏支架基础四周已无明显的“沙窝”现象。因此，通过这种螺旋钢管桩基础设计与草方格防风措施相结合的方式，可以有效缓解流动沙漠地区风力作用对光伏支架基础的侵蚀，进而延长光伏支架基础的使用年限。

4  结论

本文以塔克拉玛干光伏电站为研究对象，从光伏电站建设、光伏支架及基础设计选型、草方格防风固沙方案等方面进行论证，为沙漠地区建设光伏电站及如何将防风固沙与光伏电站建设相结合等问题提供可行性解决方案。首先，采用草方格防风固沙方案对该光伏电站进行固沙，在光伏场区围栏外、光伏场区内道路两侧、光伏箱逆变器一体机基础外围、光伏支架桩基周边、升压站围墙四周内种植草方格进行固沙，降低了风沙流穿过光伏电站的风速，减缓了流动沙漠的迁移速度。其次，通过对比及综合分析多种光伏支架基础结构形式，确定了螺旋钢管桩和前后双立柱结构光伏支架的方案，以该方案与草方格结合的方式解决了流动沙漠地区风力作用对光伏支架基础的侵蚀问题，有效预防光伏支架基础出现“沙窝”现象。此种种植草方格的防风固沙方法及流动沙漠地区专项光伏支架和基础设计方法可为后续流动沙漠地区光伏电站的防风固沙设计方案提供参考。

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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