沙漠区光伏阵列布局对近地表风沙流场的影响

Influence of photovoltaic array configuration on near-surface aeolian sand flow in desert areas

摘要

目的 探究通过提升光伏板安装高度以抑制其下部狭管效应，从而减轻板下风蚀与风积，为保护荒漠地区原生植被和干旱沙漠区可再生能源开发提供科学依据。 方法 采用数值模拟与现场实证观测相结合的研究方法，重点考察了入口风速、光伏板安装高度及阵列排布方式等关键参数对阵列周围风场特性的影响规律。 结果 数据验证结果表明，数值模拟结果与风速观测值的最大相对误差仅为7%，验证了研究方法的可靠性与准确性。 ①气流经过光伏阵列时，首排光伏板迎风侧形成减速区，背风侧及板顶风速显著增大，近地面出现局部高速区；在多排阵列中，受前排阻滞作用，下游风速逐渐衰减，板间交替形成低速区与涡流区，整体风速降低。 ②背风侧涡流强度表现为首排最强、次排减弱，且随入口风速与安装高度增加，涡流强度先增强后趋于稳定。 ③3排光伏板之间及第3排背风侧均形成双旋涡结构，板间旋涡强度明显高于背风侧，且分别呈现逆时针与顺时针旋转特征；随风速和安装高度增加，旋涡区域扩大，强度先增后稳。 ④风速增大显著提高了沙粒体积分数及其影响范围；增加光伏板安装高度可改善板下气流流通，减少近板堆积；而增加阵列排数会扩大沙粒影响范围，多排结构引起的涡流交互作用加剧了沙粒的扩散与不均匀分布。 结论 增大风速是提升沙粒体积分数与扩散范围的首要驱动，增加安装高度为板下气流流通提供了关键途径，从而促进输运，减少堆积，而增加阵列排数则通过涡流交互这一核心机制，显著扩大影响范围并导致沙粒分布更趋不均。

Abstract

Objective The effectiveness of elevating photovoltaic panel installation height in mitigating wind erosion and deposition by suppressing the Venturi effect was investigated， in order to provide a scientific basis for protecting native vegetation in desert regions and for renewable energy development in arid desert areas. Methods A combined approach of numerical simulation and field observations was employed to examine the influence of key parameters-including inflow wind speed， photovoltaic panel installation height， and array layout configuration-on wind field characteristics around the array. Results Data validation results showed that the maximum relative error between numerical simulation results and measured wind speeds was only 7%， demonstrating the reliability and accuracy of the research methodology. ① When airflow passed through the photovoltaic array， a deceleration zone formed on the windward side of the front row panels， while wind speeds on the leeward side and panel tops increased significantly， creating localized high-speed zones near the ground. In multi-row arrays， downstream wind speeds gradually decreased due to blocking by upstream rows， with alternating low-speed zones and vortex regions forming between panels， resulting in overall wind speed reduction. ② Leeward vortex intensity was the strongest behind the first row and decreased behind the second row. As incoming wind speed and installation height increased， vortex intensity initially intensified before stabilizing. ③ Double vortex structures formed both between the third-row panels and on their leeward side. Vortex intensity between panels was significantly higher than on the leeward side， exhibiting counterclockwise and clockwise rotation patterns， respectively. As wind speed and installation height increased， the vortex area expanded， with intensity first increasing and then stabilizing. ④ Increased wind speed significantly elevated sand particle volume fraction and expanded its influence zone. Increasing installation height improved airflow circulation beneath panels， reducing accumulation near panels， while adding array rows broadened the sand particle influence zone. Vortex interactions in multi-row structures further exacerbated particle dispersion and uneven distribution. Conclusion Increasing wind speed is the primary driver for enhancing sand particle volume fraction and diffusion range. Elevating installation height provides a critical pathway for airflow circulation beneath panels， thereby promoting transport and reducing accumulation. Meanwhile， increasing the number of array rows significantly expands the influence range through vortex interaction as the core mechanism， resulting in more uneven sand particle distribution.

Graphical abstract

关键词

沙漠地区 / 光伏阵列 / 流场演化 / 数值模拟

Key words

desert regions / photovoltaic array / flow field evolution / numerical simulation

文献参数： 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）：236-249. Citation:Tian Xiaowu， Tang Ximing， Chen Shujin， et al. Influence of photovoltaic array configuration on near-surface aeolian sand flow in desert areas ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2026，46（1）：236-249.

近年来，为践行“碳达峰碳中和”战略，中国积极推进沙漠、戈壁、荒漠地区的大型风电光伏基地建设，依托西部地区丰富的太阳能与土地资源构建新型能源体系^［1］。西北地区光照充足，土地成本低，已成为大规模地面光伏电站建设的战略区域^［2］。然而，沙漠与戈壁在下垫面性质及风沙环境方面存在显著差异。沙漠地表为松散细沙，支架基础易发生风蚀掏掘和不均匀沉降；戈壁则以坚硬砾石为主，抗侵蚀能力较强。

西北光伏矩阵面临多重风沙致灾机制^［3］，风沙复合作用通过三个维度影响电站运行： ①地表风蚀形成掏蚀槽，致使基础失稳，积沙诱发二次扬尘^［4］； ②面板积尘导致透光率下降，输出功率大幅衰减^［5-6］； ③极端风沙荷载引发结构共振，造成连接件疲劳断裂甚至阵列级联失效^［7］。这些灾害链严重制约沙漠光伏电站的安全运行与经济效益。

光伏电站的流场特性对于阐明光伏组件防风固沙机理具有重要作用。目前，光伏阵列风场特征研究已取得系列重要进展。例如，高一帆等^［8］通过风洞试验研究了光伏支架阵列的风致响应特性，发现阵列各排组件间存在显著的气动干扰效应，其中第2和3排组件在8~15 m/s风速范围内易发生尾流致振现象。Jubayer等^［9］基于Open Foam平台的数值模拟，发现多排光伏阵列中后续组件均处于首排尾流区，且涡流位置具有显著的风向依赖性。王浩等^［10］结合风洞试验与数值模拟，系统分析了6~10 m/s风速范围内光伏板在正、反风向下的流场变化规律。结果表明，光伏板改变了近地表风速和流场，形成了板前气流抬升区、板下气流加速区、板后涡流减速区及板尾气流恢复区。王建勃等^［11］的数值模拟研究揭示了光伏阵列风荷载的衰减特性，首排组件承受最大风压，后续阵列风荷载呈波动衰减趋势。针对复杂地形条件，Yao Jianfeng等^［12］通过风洞试验证实山坡坡度对山地光伏阵列风荷载分布具有决定性影响。此外，Xu Ang等^［13］采用数值模拟与风洞试验相结合的方法，分析了排间距和离地间隙的影响，发现行距是影响风荷载分布的关键参数，而离地间隙的影响相对有限。这些研究成果为深入理解光伏阵列与风场的相互作用机制奠定了重要基础。

综上所述，当前国内外关于光伏电站的研究主要聚焦于光伏板尾流效应及风荷载特性分析。针对光伏板安装高度、阵列排布方式与沙漠风沙流场之间的相互作用机制尚不明确，亟待深入研究。因此，本文以光伏板为研究对象，通过数值模拟方法，并通过现场试验验证，分析沙漠地区光伏阵列的风沙流场、涡量、速度变化特征，揭示风沙流与光伏阵列之间的相互作用机制，期望通过提高光伏板的高度，削弱板下狭管效应，减少板下风蚀和风积，这不仅为干旱沙漠区可再生能源开发提供科学依据和设计优化方向，而且有利于保护原生植被。

1 研究方法及其验证

1.1 计算模型及控制方程

在充分考虑计算机实际性能和沙相数量的基础上，采用欧拉-欧拉法进行数值模拟。流体速度为6~14 m/s，温度为20 ℃，与静止流体相比，数值模拟中流体密度变化范围为0.06%~0.24%。因此，数值模拟中的流体可近似视为不可压缩流体。风沙运动是一种典型的气固两相流运动，在欧拉-欧拉法中，气相和沙粒相均采用欧拉法进行处理，将气相和沙粒相均视为连续性介质。标准k—ε模型是对湍动能输运方程和耗散率方程进行推导计算，以此完成对流体运动特征的模拟，其适用范围广泛，计算精度较高，已经成为当下数值模拟中最常用的一种湍流输运模型^［14］。其控制方程为

\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}({\alpha }_{\mathrm{1}}{\rho }_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{1}})+\nabla \cdot ({\alpha }_{\mathrm{1}}{\rho }_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{1}})=\\ -{\alpha }_{\mathrm{1}}\nabla p+\nabla \cdot {\tau }_{\mathrm{1}}+{\alpha }_{\mathrm{1}}{\rho }_{\mathrm{1}}g+k_{\mathrm{12}}(v_{\mathrm{1}}-v_{\mathrm{2}})\end{array}（1）

\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}({\alpha }_{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{2}}{v}_{\mathrm{2}})+\nabla \cdot ({\alpha }_{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{2}}{v}_{\mathrm{2}}{v}_{\mathrm{2}})=\\ -{\alpha }_{\mathrm{2}}\nabla p-\nabla p_{\mathrm{2}}+\nabla \cdot {\tau }_{\mathrm{2}}+{\alpha }_{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{2}}g+k_{\mathrm{21}}(v_{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{1}})\end{array}（2）

式中：u_i为速度沿i方向的分量（m/s）； t代表时间（s）； ρ代表空气密度（kg/m³）； k为湍动能（m²/s²）； ε为湍动耗散率（m²/s³）； μ为动力黏度（Pa·s）； μ_t 为湍动黏度（Pa·s）； G_k 为空气相平均速度梯度产生的湍动能（m²/s²）； σ_k，σ_ε 分别为与湍动能及其耗散率对应的特朗普常数， σ_k =1.0， σ_ε =1.3； C_1ε，C_2ε 为经验常数， C_1ε =1.44， C_2ε =1.92。

风沙两相流，从本质上来说就是气固两相流，即把流场中的气相和固相均视为连续性介质，气相和固相同时充斥在整个计算域，建立起一套包含多个连续性方程和动量方程的方程组，以此来求解气相和固相。在数值模拟的求解过程中，风沙流运动主要满足以下方程。

（1） 质量守恒方程。

\frac{\partial }{\partial t}({\alpha }_i{\rho }_i)+\nabla \cdot ({\alpha }_i{\rho }_i{v}_i)=\mathrm{0}（3）

式中： α_i 为i相的体积分数，此外α₁+α₂=1； ρ_i 为i相的密度（kg/m³）； v_i 为i相的速度（m/s）。

（2） 动量守恒方程。

①气相流：

\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}({\alpha }_{\mathrm{1}}{\rho }_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{1}})+\nabla \cdot ({\alpha }_{\mathrm{1}}{\rho }_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{1}})=\\ -{\alpha }_{\mathrm{1}}\nabla p+\nabla \cdot {\tau }_{\mathrm{1}}+{\alpha }_{\mathrm{1}}{\rho }_{\mathrm{1}}\mathrm{g}+k_{\mathrm{12}}(v_{\mathrm{1}}-v_{\mathrm{2}})\end{array}（4）

②固相流：

\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}({\alpha }_{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{2}}{v}_{\mathrm{2}})+\nabla \cdot ({\alpha }_{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{2}}{v}_{\mathrm{2}}{v}_{\mathrm{2}})=\\ -{\alpha }_{\mathrm{2}}\nabla p-\nabla p_{\mathrm{2}}+\nabla \cdot {\tau }_{\mathrm{2}}+{\alpha }_{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{2}}\mathrm{g}+k_{\mathrm{21}}(v_{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{1}})\end{array}（5）

式中：ρ为气相、固相的共享压力（N/m²）； τ₁，τ₂分别为气相、固相的应力应变张量（N/m²）； g为重力加速度（m/s²）； k₁₂，k₂₁分别为气相、固相的动量交换系数〔kg/（m³·s）〕。

1.2 几何建模与网格划分

本研究针对单排、双排及三排光伏阵列开展数值模拟分析，在中国北方地区，光伏板一般朝南方向，风向一般为北风。图1为双排光伏阵列示意图。为确保建模精度并避免几何信息缺失，本研究采用与Fluent具有良好兼容性的Ansys SCDM 2019R3软件进行前处理建模。计算域设置为长150 m×高30 m的矩形区域，光伏板安装倾角为39°，其实际长度为4.05 m，地面投影长度为3.15 m。重点考察4种不同安装高度工况：板底距地面高度H分别为0.5，1.0，1.45和2 m，对应板顶高度分别为3.05，3.55，4.00和4.55 m。所有排布方案单排、双排及3排光伏板均采用统一几何参数，且多排布置时阵列间距固定为6.0 m。

图2展示了单排、双排及三排光伏阵列的网格划分结果。研究采用Workbench Mesh中的四面体非结构网格划分方法，通过在光伏板附近设置0.1 m的最小网格尺寸和对计算域采用0.5 m的最大网格尺寸，实现了对光伏板周围流场特征的精确捕捉。为确保近壁区流动模拟的准确性，在底部壁面设置了10层边界层网格，其中第1层边界层高度为y⁺，使第1层网格位于对数律分布的范围内，增长率为1.2。最终生成的网格中，单排、双排和三排光伏阵列的网格数量分别控制在70，140和200万左右，且最大倾斜率均低于0.7，表明网格质量满足计算要求。这种网格划分方案在保证计算精度的同时，有效平衡了计算资源的消耗。

1.3 材料及边界条件

经现场实际调查，积沙主要以细沙为主，因此沙粒粒径设置为10^-4 m，沙粒密度为2 650 kg/m³，又因为在风沙两相流中，沙相为稀相，因此沙粒的体积分数设置为2%^［15］，介质类型均为流体。在模型中，入口面设置为速度入口（velocity-inlet），假设流动发展完全，出口面设置为自由出流（out-flow），计算流域的上表面和左右两个侧面均设置为对称（symmetry），计算流域的下表面和光伏板均设置为壁面（wall）（详见表1）。模型设置的边界条件如图3所示。

入口处利用Fluent中UDF功能，风速廓线采用普朗特-冯·卡门对数分布规律，其方程为

v\left(z\right)=\frac{v}{\kappa }\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{z}{z_{\mathrm{0}}}（6）

式中：v（z）代表z高度处的速度（m/s）； v为摩阻风速（m/s）； K为冯卡门系数，K =0.4； z为高度（m）； z₀为粗糙长度（m）。

1.4 求解参数及计算方法

本研究采用基于压力求解器的瞬态数值模拟方法，并开启双精度模式以确保计算精度^［16］。针对风沙两相流的模拟特点，选用PISO算法，该算法在保证计算精度的同时具有较好的收敛性和计算效率。在壁面处理方面，采用standard wall functions方法来准确模拟近壁面流动特性。空间离散方面，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式。计算过程中设置收敛残差为10^-5，时间步长取0.1 s。

1.5 试验方法验证

研究区位于“世行贷款宁夏黄河东岸防沙治沙项目”实施区内，地理坐标为37.32—37.26 N，105.03—104.4 E。该实施区东至迎水桥，西至甘塘，于2013年建立，位置属腾格里沙漠东南缘，隶属宁夏回族自治区中卫市沙坡头区。为实测光伏阵列流场特征，国家能源集团在项目区内拟建光伏项目段布设HOBO梯度风速仪，对现场风速进行观测（如图4所示）。并搭建了一组单排螺旋桩光伏阵列。该阵列长度为14.48 m，投影宽度为4.02 m，阵列前缘距地面高度为1.45 m，后缘距地面高度为4.0 m。其中，2022年8月25—30日，在阵列前后选择空旷、光伏板后沿、光伏板中间、光伏板前沿5个位置，开展不同高度风速风向梯度观测。其中入口边界至光伏板后沿水平距离设置为30 m。以光伏板后沿为坐标原点，沿风向布置监测点（如图5所示）。具体位置包括P₂板后沿（x=0 m）、P₃板中心（x=2 m）、P₄板前沿（x=4 m）及P₅在板前10 m（x=10 m）和P₁板后8 m（x=-8 m）处。观测期内8月27日22：00至8月28日20：00，当地风向为西北风（NW，平均风向617°），与光伏阵列垂直，符合观测要求。因此，选择该时间段内风速风向数据对阵列周围流场特征进行分析。

图6为现场观测布置以及在1 m高度处风速观测与模拟对比结果。其中图6a为现场观测布点示意图。选取现场观测数据中1 m高度处6 m/s和10 m/s入口风速，与数值模拟得到的光伏阵列后沿、中间及前沿等关键位置的风速进行对比分析。结果如图6b所示。对比结果表明，数值模拟结果与现场观测数据的最大相对误差仅为7%，误差控制在10%以内，二者变化趋势基本一致，表明数值模拟结果与现场观测具有较好吻合度，验证了数值模拟方法的准确性。

2 结果与分析

2.1 不同风速对光伏阵列周围流场与沙粒分布的影响

图7为光伏板下沿高度为2 m时，不同风速下双排光伏板的流场图。由图7可知，当气流接触前排光伏板时，气流受阻后在迎风侧形成明显的减速区，同时部分气流向上偏转并在光伏板上方和后方形成加速区。值得注意的是，由于光伏板倾斜安装的特殊几何构型，在板体下方近地面处产生了显著的局部高速区。在前排光伏板背风侧，气流分离形成了复杂的反向涡流结构，导致该区域出现持续逆流现象。随着入口风速的增大，光伏板后方的回流区长度从18 m扩展至28 m，增幅超过55%。同时，尾流区由25 m增至35 m，显著增大了对下游阵列的遮蔽效应。随后气流在通过第2排光伏板后逐渐恢复至原始来流状态。

图8为当光伏板下沿高度为2 m时，不同风速下双排光伏板的涡量分布。由图8可知，由于第1排光伏板的存在使其背风侧周围涡流强度明显增大，产生影响范围大的高涡量，光伏板尾流区涡量值主要集中于0~8 s^-1范围内。受第1排光伏板的影响，在第2排光伏板背风侧周围涡流强度减小。在第1排光伏板背风侧和第2排光伏板背风侧均形成顺时针涡旋。结果表明，随着入口风速增大，光伏板附近的涡量不断增加，其涡量影响范围也在不断增大。涡量值分布范围扩展至0~14 s^-1，最大涡量值约16 s^-1，增幅达33%。当入口风速达到14 m/s时，最大涡量值达到20 s^-1，较12 m/s风速下增大25%，较10 m/s风速增幅达67%。

图9为当光伏板下沿高度为2 m时，不同风速下双排光伏板的流线图。由图9可以观察到，气流在流经光伏板阵列时，受到光伏板的阻挡作用，在光伏板阵列之间以及第2排光伏板背风侧均形成了明显的涡流结构。在每排光伏板的下缘后方均产生了一个显著的逆时针旋转涡流，同时在光伏板上方区域均伴随产生一个顺时针旋转的涡流。第1排光伏板背风侧形成的回流区长度约为板高的1.8倍，回流区内流速显著降低至入口速度的20%~30%。值得注意的是，第1排与第2排光伏板产生的涡流强度存在显著差异，其中光伏板阵列之间形成的涡流强度明显大于第2排光伏板背风侧的涡流。通过对比不同风速条件下的流场特征发现，当入口风速为14 m/s时，所产生的涡流强度显著高于6 m/s和10 m/s时的涡流强度。两排光伏板之间的流场区域出现多个局部涡旋结构，最大流速区域出现在光伏板顶部尖缘处。

图10为光伏板下沿高度为2 m时，双排光伏阵列周围的风速分布特征。研究发现，气流在通过光伏阵列时表现出先减小后增大再减小的变化趋势。在近地面区域（距离地面高度y=0.1~0.3 m），气流经过第1排光伏板时出现显著加速现象。以y=0.1 m为例，风速从X=24.4 m处的1.6 m/s迅速增至X=33.3 m处的5.86 m/s。第2排光伏板后方的加速效应明显减弱，增幅从第1排的约266%降至11%。随着高度增加至y=1 m，气流加速幅度减小，但涡流现象开始显现。第1排光伏板后方的风速从2.17 m/s增至6.55 m/s，增幅202%，而第2排后方仅增加8.6%。在更高位置y=2 m，虽然第1排光伏板后方仍出现192%的显著增速，但第2排后方的增幅骤降至2.3%，同时涡流强度明显增强。在y=4.55 m高度处，流场变化趋势相似。对比分析不同入口风速（6 m/s，10 m/s和14 m/s）条件的流场变化规律，发现其具有相似性。但随着入口风速的增加，各高度层的速度值均呈现增大的特征。

图11为光伏板下沿高度为2 m时，不同风速下双排光伏板沙粒体积分数变化规律。由图11可以看出风速对沙粒输运与堆积行为的显著影响。在6 m/s风速条件下，沙粒体积分数整体较低，高浓度区域范围较为有限，主要分布在X=30~35 m的近地范围内，最大体积分数约为1.30×10^-4，表明沙粒在板下及背风侧近地位置发生轻微堆积。随着风速增大至10 m/s，沙粒体积分数显著升高，高浓度区范围明显扩大并向下风向延伸，集中于X=32~38 m的区域内。在14 m/s风速条件下，沙粒体积分数达到最大，高浓度区范围进一步扩展。综合来看，随风速增加，沙粒不仅输运总量增大，影响的空间范围也随风速增加而显著增强。

2.2 不同安装高度对光伏阵列周围流场与沙粒分布的影响

图12表示了在风速为14 m/s时，不同下沿高度下双排光伏板的流场图。研究发现，随着光伏板下沿高度从0.5 m提升至2 m，流场结构发生显著变化，光伏板阵列间及光伏板与地面之间的气流通道面积明显增大，使流场更加顺畅。光伏板近地区域的流速提升最为显著，板下间隙平均流速从不足1 m/s增至6~8 m/s，增幅达600%以上。回流区内的流动强度明显减弱，最大逆向流速从-10 m/s大幅衰减至-2 m/s，降幅达80%，同时回流区长度从板高的1.5倍扩展至2.5倍，显示涡旋范围扩大但强度显著降低。这种变化有效抑制了气流分离和涡流产生，同时扩大了回流区范围，从而减弱了对后排光伏板的干扰。值得注意的是，流场重构导致原本集中于光伏板下沿的高速气流区域向上迁移，使得近地面风速降低，整体气流趋于平稳。

图13为当风速为14 m/s时，不同下沿高度下双排光伏板的涡量图。由图13可知，由于第1排光伏板的存在使其背风侧周围涡流强度明显增大，受第1排光伏板的影响，在第2排光伏板背风侧周围涡流强度减小，随着光伏板下沿高度的增加，第2排光伏板前缘和后缘产生的涡量强度可能会减弱，且涡量的影响范围会向上移动。

后排板受前排板涡量的影响方式改变，两板之间的涡量相互作用减弱，涡量分布的复杂性降低。光伏板边缘及尾流区内的最大涡量值从约20 s^-1显著降低至12 s^-1，降幅达40%。特别是板下间隙区域的涡量强度下降最为显著，从18 s^-1降至8 s^-1，降幅超过55%，这说明地面约束效应的减弱有效抑制了剪切涡层的产生。

图14为当风速为14 m/s时，不同下沿高度下双排光伏板的流线图。图14表明，在两排光伏板之间及第2排光伏板背风侧均产生了两个旋涡，前者涡流明显强于后者。其中下方为逆时针旋涡，上方为顺时针旋涡。随着光伏板下沿高度增加，地面附近气流受阻挡程度减弱，第一排光伏板下表面气流速度增大。气流在两板之间的流动空间增大，流动更加顺畅。由于光伏板下沿高度升高，地面附近气流对后排板下表面的干扰减小，下表面气流速度相对更稳定。随着光伏板下沿高度从0.5 m提升至2 m，回流区范围从6.5 m扩展至11.2 m，扩大了近2倍。

整体尾流区域的范围会有所变化，气流在光伏板后方的扩散更加容易，尾流区域可能会在垂直方向上有所增大，但在水平方向上可能会有所收缩。尾流中的气流速度恢复相对更快，对下游区域的影响范围可能会减小。

图15展示了在近地面层0.3 m高度处，双排光伏板周围风速随光伏板下沿高度变化的分布特征。研究表明，该高度处的风速变化呈现先减小后增大再减小的变化趋势。当入口风速为6 m/s时，0.5 m高光伏板周围的风速范围为1.43~5.86 m/s，1 m高光伏板的风速范围扩大至1.76~6.15 m/s，1.45 m高光伏板的风速范围扩大至2.05~6.38 m/s，而2 m高光伏板的风速范围进一步增至2.27~6.55 m/s。在10 m/s来流条件下，最小风速增幅达1.7倍（1.49 m/s增至2.56 m/s），最大风速增幅为1.04倍（11.28 m/s增至11.74 m/s）。当风速升至14 m/s时，最小风速增长1.3倍（4.35 m/s增至5.58 m/s），而最大风速增幅扩大至1.13倍（14.15 m/s增至15.98 m/s）。

值得注意的是，光伏板高度每增加1 m，其背风区最小风速平均提升约1.5倍，最大风速增幅相对较小，约1.1倍。这些数据清晰地表明，在固定高度下，光伏板周围的风速极值随着光伏板高度的增加而系统性增大，且这一规律在不同入口风速条件下均保持一致。

图16为风速为14 m/s时，不同下沿高度下双排光伏板体积分数变化规律。由图16可知，在0.5 m高度下，沙粒体积分数整体较高，集中分布在X=30~38 m的近地范围内，最大体积分数达到1.20×10⁻⁴。随着高度增加至1 m，沙粒体积分数分布呈现明显变化，高浓度区范围开始向下风向扩展。当高度进一步提升至1.45和2.00 m时，高浓度区域范围进一步向下风向和垂直方向扩散，X=35~45 m区间形成范围更大，同时近板区的沙粒体积分数明显降低，表明增大高度有效改善了板下气流流通条件，减少了沙粒在板下的堆积，促使沙粒向更远的下风向输运。

2.3 不同阵列排数对光伏阵列周围流场与沙粒分布的影响

图17为当风速为14 m/s，光伏板下沿高度为2 m时，不同排数光伏板的流场图。图17表明，气流在单排光伏板前会形成一定的阻滞，部分气流会向上加速通过光伏板，在光伏板后方形成相对较小的低速区和涡流区。当增加至双排布置时，第1排板后回流区扩展至13.2 m，增幅约15%，第2排板前缘出现明显的流速加速区，最大流速达到16.8 m/s，较入口风速增大20%。在3排布置工况下，第2排板后回流区延伸至14.6 m，第3排板前缘最大流速进一步提升至17.9 m/s。随着排数增加，板间气流速度逐渐降低。在光伏板阵列内部，流场趋于稳定但速度较低。阵列边缘气流受扰动大，流场复杂。阵列后方，回流区范围大，之后气流逐渐恢复至入口风速。

图18为当风速为14 m/s，光伏板下沿高度为2 m时，不同排数光伏板的涡量图。由图18可知，对于单排光伏板在光伏板的前缘和后缘会分别产生涡量区域。并且最大涡量值约为18 s^-1，延伸范围约8.5 m。前缘涡量是由于气流在此处的急剧加速和转向形成，而后缘涡量则是气流分离导致的。涡量强度相对较弱，且主要集中在光伏板上下边缘附近，在远离光伏板的区域，涡量迅速衰减。当增加至双排布置时，第2排光伏板前缘涡量值急剧上升至22 s^-1，增幅达22%，涡量区范围扩展至11.2 m。第1排光伏板尾流中的涡量会与第2排光伏板产生的涡量相互作用，使得第二排光伏板前缘的涡量强度有所增强，后缘涡量分布范围扩大且强度也有所变化。在3排光伏板工况下，最大涡量达到26 s^-1，较双排工况增大18%，前排光伏板产生的涡量会依次向后传递并影响后排光伏板。随着排数增加，在光伏板阵列的中心区域，涡量分布相对稳定但强度较大，而在阵列的边缘区域，涡量分布则更加紊乱，且涡量强度有所减弱。

图19为当风速为14 m/s，光伏板下沿高度为2 m时，不同排数光伏板的流线图。由图19可知，单排光伏板工况下，板后回流区长度约为12.8 m，回流区内最小流速为-2.3 m/s。气流在光伏板前缘形成明显的分离，部分气流沿光伏板上沿分离，形成局部的加速区，少部分气流沿光伏板下沿分离，从而在光伏板背风侧形成回流区，并且在光伏板背风侧均形成旋涡。当气流抵达第2排光伏板时，第1排光伏板后方尾流与第2排光伏板前缘发生相互作用，流线在第2排前缘重新加速并分离，形成更复杂的流动结构。第1排光伏板后回流区长度延伸至14.5 m，增幅13%。第1排和第2排光伏板的尾流叠加，第3排光伏板前缘流线紊乱，后方形成较长距离的涡流区，流线呈现多涡旋结构。第2排板后回流区扩展至15.8 m，最大流速达到18.2 m/s。

以双排光伏板为例，图20为在y=4.55 m高度处，不同安装高度下光伏板周围的风速分布情况。由图20知，在高度y=4.55 m处，光伏板周围的风速分布表现出先减小后增大再减小的变化，且受光伏板高度和入口风速的共同影响。当入口风速为6 m/s时，0.5 m高的光伏板附近风速变化范围为0.85~6.88 m/s，1 m高的光伏板周围风速范围扩大至1.2~6.9 m/s，而1.45 m和2 m高的光伏板周围风速范围分别扩大至1.9~7.1 m/s和 2.5~7.4 m/s。随着入口风速增至10 m/s，0.5 m光伏板附近的风速极值提升至1.87~11.69 m/s，1 m光伏板的风速范围达到 2.9~12.3 m/s，1.45 m和2 m高的光伏板周围风速范围分别扩大至3.2~12.6 m/s和3.46~12.8 m/s。在更高风速14 m/s条件下，0.5 m光伏板周围风速进一步增至4.82~14.78 m/s，1 m光伏板附近风速为5.0~14.9 m/s，1.45 m光伏板周围的风速为6.7~16.5 m/s，而2 m光伏板的风速变化范围最大，达到8.2~18.14 m/s。总体而言，在相同高度下，光伏板周围的风速极值随光伏板高度和入口风速的增加而增大，且风速变化范围亦呈现扩大趋势。

图21展示了风速为14 m/s，光伏板下沿高度为2 m时，不同排数光伏板沙粒体积分数变化规律。在单排光伏板条件下，沙粒体积分数分布相对简单，高浓度区域主要分布在X=30~38 m范围内，最大体积分数约为1.10×10^-4。随着光伏板排数的增加，沙粒影响范围逐步扩大，沙粒堆积区域不断向下风向扩展，高浓度区范围显著增大。在3排光伏板条件下，多排阵列的叠加效应显著改变了流场结构，涡流相互作用加剧了沙粒的混合与扩散，使得沙粒在阵列内部和下游更大范围内形成广泛而不均匀的分布。

3 结 论

（1） 气流流经光伏阵列时，第1排光伏板迎风侧形成显著的气流减速区，上方及背风侧产生明显的加速，近地表形成局部高速区。随着气流向下游多排光伏板运动时，前排阻滞作用使后续风速逐渐衰减，多排光伏板间交替形成低速区和涡流，导致整体平均风速降低。此外，入口风速和安装高度增加时，各速度分区范围扩大，而涡流区面积呈先增后减的非线性变化。

（2） 在光伏板背风侧均产生涡流，第1排光伏板背风侧涡流强度高，第2排光伏板背风侧涡流强度小，随着入口风速和光伏板距地面高度的增大，两排光伏板背风侧涡流强度先增大后基本不变。对于第2排光伏板，前排光伏板产生的涡流会依次向后传递并影响后排光伏板。随着排数增加，板间的涡流相互干扰更加复杂。

（3） 气流经过光伏板时，受到光伏板的阻碍作用，在3排光伏板之间及第3排光伏板背风侧产生两个旋涡，前者涡流明显强于后者，其中下方为逆时针旋涡，上方为顺时针旋涡，且随着入口风速和光伏板距地面高度的增大，旋涡区域有扩大趋势，涡流强度先增强后基本保持不变。

（4） 通过对不同风速、安装高度及阵列排数的模拟结果分析可知，风速增大显著提高了沙粒体积分数及其影响范围；增加光伏板安装高度可改善板下气流流通，减少近板堆积，促进沙粒向下风向输运；而增加阵列排数会扩大沙粒影响范围，多排结构引起的涡流交互作用加剧了沙粒的扩散与不均匀分布。当光伏板前沿距地表高度达到2 m时，既不影响现有植被的生长，又能减缓板下的气流加速作用，有助于减少对项目区内风沙地貌的扰动，并有利于生态环境保护。

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基金资助

企业横向课题“2024年中卫市腾格里锁边固沙技术推广项目”(2024ZY07)

兰州市青年科技人才创新项目“‘双碳背景’下沙区大型集中式光伏电站风沙尘与光伏板互馈机理研究”(2023-QN-28)