利用太陽能光伏發(fā)電進行沙地林業(yè)綜合開發(fā)的規(guī)劃與實踐崔曉東;王讀雙;蔣文龍【摘要】低碳循環(huán)經濟模式中,太陽能光伏發(fā)電及綜合開發(fā)是進行沙地治理的有效手段之一.闡述了利用太陽能光伏發(fā)電進行沙地林業(yè)綜合治理的設計開發(fā)、實踐應用及效果收益實例,通過實例證明該方式是可行的.期刊名稱】《林業(yè)機械與木工設備》年(卷),期】2018(046)002【總頁數(shù)】6頁(P18-22,27)關鍵詞】光伏發(fā)電;沙地治理;林業(yè)綜合開發(fā)【作者】崔曉東;王讀雙;蔣文龍【作者單位】中國福馬機械集團有限公司,北京100029;寧夏振啟光伏發(fā)電有限公司,寧夏銀川750000;寧夏振啟光伏發(fā)電有限公司,寧夏銀川750000正文語種】中文中圖分類】TS612荒漠化及沙漠治理現(xiàn)狀我國現(xiàn)有荒漠化土地面積262.2萬km2，主要分布在西北、華北和東北13個省、自治區(qū)和直轄市，占國土陸地總面積的27.3%?；哪殉蔀殚L期以來制約中西部干旱地區(qū)經濟和社會發(fā)展的重要因素［1］。20世紀70年代后期以來，黨和政府采取了一系列重大舉措，先后啟動了一批重點生態(tài)建設工程，如“三北”防護林體系工程、治沙工程、中西部退耕還林（草）工程、加快西部地區(qū)建立自然保護區(qū)的步伐、京津風沙源治理工程等，防沙治沙工作取得了顯著成績，獲得了一定的生態(tài)建設成果及社會和經濟效益［2］。“十三五”規(guī)劃明確提出加強生態(tài)保護修復，推進重點區(qū)域生態(tài)修復，堅持源頭保護、系統(tǒng)恢復、綜合施策，推進荒漠化、石漠化、水土流失的綜合治理；繼續(xù)實施京津風沙源治理二期工程；強化三江源等江河源頭和水源涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)保護；加大南水北調水源地及沿線生態(tài)走廊、三峽庫區(qū)等區(qū)域的生態(tài)保護力度，推進沿黃生態(tài)經濟帶建設；支持甘肅生態(tài)安全屏障綜合示范區(qū)建設；開展典型受損生態(tài)系統(tǒng)恢復和修復示范。但當前土地沙化形勢依然嚴峻，防治任務依然艱巨，工程治沙技術水平和成效仍有待提高；治沙產業(yè)發(fā)展中普遍存在著高耗能、高成本、低效益等問題，特別是沙區(qū)生態(tài)脆弱、經濟發(fā)展滯后、群眾生活貧困的狀況還沒有從根本上得到扭轉。推進新階段的防沙治沙工作，既要強化保護，加快治理，又要完善思路，深化改革，標本兼治。林業(yè)部門及一些企業(yè)已在嘗試采用低碳循環(huán)經濟模式進行沙地綜合治理，該模式是以沙區(qū)光、熱、風、土地等自然資源的高效利用為基礎，利用沙區(qū)資源優(yōu)勢，在地表水資源允許的條件下，通過集成應用現(xiàn)代林業(yè)、農業(yè)、工業(yè)等相關領域的最新科技成果，有效恢復沙區(qū)植被，根據沙區(qū)土地資源承載力，以清潔可再生能源為能源驅動，循環(huán)利用沙區(qū)有機物資源，大力發(fā)展生態(tài)農業(yè)產業(yè)，達到沙地治理和發(fā)展經濟的協(xié)調統(tǒng)一。與傳統(tǒng)的治沙產業(yè)和治沙工程相比，低碳循環(huán)經濟模式具有“低污染、低排放、低能耗”和“循環(huán)經濟”優(yōu)勢，是實現(xiàn)治沙和富民雙贏的最佳模式［3］。探索和推廣低碳循環(huán)經濟型沙地生態(tài)綜合治理模式，對帶動全國防沙治沙事業(yè)與時俱進地走上生態(tài)與經濟共贏、質量與效益兼顧的可持續(xù)發(fā)展道路，對全面建設小康社會和建設社會主義新農村，以及對沙漠等偏遠地區(qū)供應電力并帶領特困農民脫貧致富等方面具有重要意義，因此太陽能光伏發(fā)電及沙地綜合開發(fā)在沙漠治理的探索中應運而生。太陽能光伏發(fā)電及沙地林業(yè)綜合開發(fā)的設計理念沙地綜合開發(fā)應整體設計為避免“沙進人退”，傳統(tǒng)的治沙方法是動員廣大群眾植樹種草，但該方法投入大，收益低，耗時長。通過大規(guī)模機械化操作，建立沙漠太陽能發(fā)電站是一種治沙的新方法。近年來，光伏發(fā)電在我國遍地開花，在騰格里沙漠南緣得到了大面積的推廣應用。有些地區(qū)地面平整寬闊，適宜集中并網并安裝跟蹤支架；有些地區(qū)安裝地點分散，適宜組串逆變后并網；而有些地區(qū)考慮建設成本則可安裝固定支架。實施太陽能光伏發(fā)電的沙地綜合開發(fā)應在規(guī)劃之初就進行整體設計、綜合考慮、立體開發(fā)。不但要考慮地區(qū)電網接納能力和設備安裝形式，還要兼顧環(huán)境治理及附加設施的建設。建設光伏發(fā)電項目不僅要考慮經濟效益，還要兼顧沙地治理、環(huán)境改良2.2.1發(fā)電經濟收益我國大多數(shù)沙漠地區(qū)都具有得天獨厚的光熱資源，屬于太陽能資源一、二、三類地區(qū)，即全年日照小時數(shù)2200-3300h，年輻射總量5016-8360MJ/m2，是發(fā)展光伏產業(yè)的理想地區(qū)［4］。在沙漠地區(qū)建設分布式或集中式光伏電站，可以充分利用太陽能發(fā)電，為電網輸送電力。一般在光資源二類地區(qū)年標準利用小時數(shù)可達1400-1600h,10MW裝機容量的光伏電站年發(fā)電量為1400-1700萬kW?h。2.2.2光伏陣列可有效減弱風速光伏陣列一般為東西方向布置，而沙區(qū)多西北風，一排排的陣列可大幅度地削弱風速，有效固定沙地，減少就地揚沙起沙，起到很好的防風固沙效果。2.2.3植被恢復效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術將光伏電站與沙障等植被恢復技術措施相結合，植被恢復效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術的植被恢復效果。光伏電池組件吸收太陽能后可有效地降低太陽光對地面直射，起到很好的遮陰效果，降低地面溫度，從而可以降低地面水分的蒸發(fā)，在光伏陣列間進行滴灌配置，結合沙障固沙保水，非常適宜植被生長，植被自然恢復能力迅速增強。2.2.4降低對環(huán)境的破壞和減少二氧化碳排放，實現(xiàn)清潔綠色發(fā)展對沙區(qū)豐富的太陽能資源(清潔可再生能源)進行開發(fā)利用是我國循環(huán)經濟和新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是促進能源結構調整，減少石油、煤炭、天然氣等化石能源消耗所產生的環(huán)境污染及二氧化碳排放的有效方式［5］。光伏電站利用綠色可再生能源發(fā)電替代了火電廠燃燒煤炭或天然氣發(fā)電，達到零排放，從根本上減少煤炭開采和運輸對環(huán)境造成的破壞，大幅減少二氧化碳、二氧化硫、粉塵、氮氧化物等有害氣體排放，緩解溫室效應及全球變暖，對地球環(huán)境改善、國家可持續(xù)發(fā)展和清潔綠色發(fā)展具有重要作用。2.2.5促進旅游，帶動就業(yè)光伏電站不但可以給電網提供電力，而且壯觀的太陽能光伏陣列本身也可以成為一道風景，其地上生態(tài)系統(tǒng)恢復很快，電站所建之處很快就會成為沙漠中的綠洲，成為旅游業(yè)的一大景色。光伏電站建設和運營需要大量勞動力，可有效帶動就業(yè)，促進當?shù)禺a業(yè)的升級和轉型。太陽能光伏發(fā)電及沙地林業(yè)綜合開發(fā)的規(guī)劃與實踐在利用太陽能發(fā)電治理沙地理念的指導下，筆者公司規(guī)劃建設了30MWp地面光伏電站項目，總占地面積928畝(62hm2)。該項目建于寧夏銀川市境內，屬于毛烏素沙漠邊緣地帶，將太陽能光伏電站建設與沙地林業(yè)綜合治理相結合，通過發(fā)展生態(tài)綠色產業(yè)，探索以太陽能為能源驅動，采用綜合措施開展沙地治理和開發(fā)利用，兼顧生態(tài)效益和經濟效益，建設零碳循環(huán)經濟型的防沙治沙示范區(qū)，在林業(yè)植被恢復、產業(yè)建設、能源循環(huán)利用等方面都進行有效的嘗試和示范，對促進沙區(qū)結構轉型升級和培育特色產業(yè)，促進沙地林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)綠色GDP發(fā)展具有重要意義［6］。電站所處位置的氣候和土壤特性電站地處水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱風沙區(qū)，為典型的大陸性氣候，具有降雨稀少、蒸發(fā)強烈、氣候干燥、日照充足、太陽輻射強、晝夜溫差大、風大沙多年日溫變較大等特點。多年平均降雨量僅為180.85-195.44mm，多年平均蒸發(fā)量1170mm［7］。該地區(qū)土壤水分是植物生長、生存的主要限制因素，自然原生植被主要是耐干旱的沙生植被。電站項目建設前地貌如圖1所示。圖1電站項目建設前地貌該地區(qū)土壤類型主要是流動性風沙土。風沙土質地粗，細砂粒占土壤礦質部分重量的80%~90%，而粗砂粒、粉砂粒及黏粒的含量甚微。干旱是風沙土的又一重要性狀，土壤表層多為干沙層，厚度不一，通常為10~20cm,其下含水率也僅為2%~3%。有機質含量低，約為0.1%~1.0%；有鹽分和碳酸鈣的積聚，前者由風力從它處運積而來，后者則是植物殘體分解和沙塵沉積的結果［8］。光伏陣列的選型布置光伏組件支架形式在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計中，光伏組件支架的安裝形式對系統(tǒng)接收到的太陽總輻射量有很大的影響，從而直接影響發(fā)電能力。支架的安裝方式有固定安裝式和自動跟蹤式兩種。自動跟蹤系統(tǒng)分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。單軸跟蹤（東西方位角跟蹤和極軸跟蹤）系統(tǒng)以固定的傾角從東往西跟蹤太陽的軌跡，雙軸跟蹤系統(tǒng)（全跟蹤）則可以根據太陽軌跡位置季節(jié)性的變換而改變方位角和傾角。綜合考慮建設成本和占地面積等因素，支架全部采用固定式安裝。支架傾角的確定傾斜安裝的太陽能電池組件表面上所接收到的太陽總輻射包括直接輻射、散射輻射及地面反射3部分。本項目光伏電池陣列正南放置，方陣最佳安裝傾角以全年接受太陽能輻射量最大為目標，通過結合銀川地區(qū)氣象數(shù)據進行分析及計算，獲得全年輻射量最大的最佳傾角為36°。3.2.3光伏陣列間距固定支架太陽電池方陣陣列間距的計算應按在太陽能高度角最低時的冬至日仍能保證組件上的日照時間有6h以上的日照考慮。結合電池組件安裝傾角為36。計算出本工程支架間最小列間距為5.3m，實際安裝列間距6.5m。沙障及節(jié)水灌溉系統(tǒng)的實施設置草方格沙障完成草方格沙障170畝(11.3hm2)，以有效防風固沙，保持水分，為今后植被恢復創(chuàng)造了條件。采取低立式柴草沙障來治理流動和半流動沙丘，操作簡單，效果明顯。同時草方格沙障可有效防止光伏電池組件支架下方形成風旋坑，保證組件支架基礎穩(wěn)固，避免發(fā)電設備受損。草方格沙障如圖2所示。圖2草方格沙障建設節(jié)水灌溉滴灌微噴系統(tǒng)建設節(jié)水灌溉滴灌微噴系統(tǒng)約630畝(42hm2)。打造3眼綠化深水井作為水源，在光伏電池組件陣列間空地布設滴灌微噴管路，及時將水資源送到植被根部，通過微噴形成的細小霧滴增加土壤水分，促進植被良好生長，從而加固了地表，防止了水土流失，節(jié)約了地下水資源，為原生植被恢復提供了有利條件，也為后期的規(guī)模種植提供了水源保障。滴灌微噴系統(tǒng)如圖3所示。圖3滴灌微噴系統(tǒng)種植適宜沙地生長植物根據對區(qū)域自然條件的分析及周邊植被類型的調查，結合電站項目水土保持植物防護措施要求，按照因地制宜、適地適樹的原則，電站種植品種應選擇速生、固土能力強、抗旱、抗風沙、耐瘠薄、適應性強、易于管理的樹(草)種，同時也要兼顧植物的多樣性。3.4.1種植草本植物紫花苜蓿種植草本植物紫花苜蓿50畝(3.3hm2)。紫花苜蓿是一種長久性多年同根再生型植物。耐干旱，耐冷熱，產量高且質優(yōu)，同時苜蓿草還可固定空氣中的氮，就像土地里自然存在肥料，此外還能改善沙層的營養(yǎng)價值。紫花苜蓿在沙層中有很深的根，而且以后會自然分根。在光伏電站里種植紫花苜蓿對防塵固沙有重要作用，可使該地區(qū)綠化率每年逐步增加。紫花苜蓿還是一種營養(yǎng)價值較高的牧草，有“牧草之王”的美稱，其不僅產量高、草質優(yōu)良，而且含有粗蛋白、維生素、無機鹽等，收割后可用作電站牲畜、家禽的飼料［9］。紫花苜蓿如圖4所示。圖4紫花苜蓿種植經濟作物枸杞樹種植經濟作物枸杞樹3000株。枸杞適應性強，具有抗鹽堿、抗干旱、耐沙荒、耐土地貧瘠等特點，是多年生灌木經濟作物。經濟年齡可達15年，一般年平均氣溫在5~20°C之間的地區(qū)都可栽培。枸杞喜陽光、要求光照強，對土壤沒有嚴格要求，在壤土、沙土或者貧脊的鹽堿土上都可以種植［10］。枸杞樹如圖5所示。圖5枸杞樹種植灌木類耐旱植物四翅濱藜和互葉醉魚草種植灌木類耐旱植物四翅濱藜和互葉醉魚草12000株。四翅濱藜具有耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿、速生、牲畜適口性好的優(yōu)良特性，被用于牧場改良和水土保持，是干旱、半干旱地區(qū)的典型樹種［11］?；ト~醉魚草也稱紫花醉魚木，是優(yōu)良的觀賞型旱生花灌木。耐嚴寒與酷暑，耐干旱與瘠薄，抗旱、抗風沙、抗鹽堿；生性強健，病蟲害少；適用于園林美化綠化，在沙壤土、沙土、礫石土上種植皆生長良好。不管氣溫高達40°C還是低至-15°C,都可正常生長，能忍受-30°C的低溫，可安全越冬［12］。四翅濱藜如圖6所示，互葉醉魚草如圖7所示。圖6四翅濱藜圖7互葉醉魚草以上除枸杞樹外，紫花苜蓿、四翅濱藜、互葉醉魚草僅種植當年需要人工養(yǎng)護澆水，次年依賴雨水自然澆灌或人工少量澆水即可生長，后期維護主要為少量修剪費用。太陽能光伏發(fā)電沙地治理的效益分析經濟效益30MWp光伏電站項目發(fā)電效益分析自2013年8月底至2016年底，項目應發(fā)電量15614.97萬kW?h,因寧夏電網裝機容量快速發(fā)展，整體過剩，負荷增長普遍趨緩，影響了新能源消納，從2015年10月起，寧夏電網減少火電機組負荷并對新能源棄電，電站年棄電率達11%，總限電量1121.8萬kW?h,實際總上網電量14493.17萬kW?h,實際新增銷售收入12222.82萬元，實現(xiàn)利潤總額3335.88萬元，資本金凈利潤率為15.76%。目前大型電站售電可享受國家補貼，小型分布式電站可自發(fā)自用甚至也可部分售電，隨著電力體制改革和光伏技術的快速發(fā)展，電力交易市場化步伐加快、比例增大，光伏產業(yè)因政策導向和綠證交易很快會實現(xiàn)平價上網。以目前發(fā)電形勢按項目運營期20年計算，項目整個計算期內預計可實現(xiàn)新增銷售收入81007萬元(含稅)，新增利潤總額29725萬元，稅后投資回收期8.4年，稅后凈現(xiàn)值5881.5萬元，稅后內部收益率11.3%。在綜合電網棄光限電、交易降價等不利因素下，光伏發(fā)電仍能獲得可觀的收益。種植經濟效益分析光伏電站種植的目標為草本植物200畝(13.3hm2)，枸杞樹200畝(13.3hm2),灌木類植物300畝(20hm2)。草本植物按畝產值500元計算，年產值為10萬元;枸杞產業(yè)按畝產值8000元計算，年產值為160萬元；灌木類植物按畝產值300元計算，年產值為9萬元，累計可實現(xiàn)年產值179萬元。4.1.3養(yǎng)殖經濟效益分析光伏電站養(yǎng)殖的目標為雞10000只，羊1500只。雞按80元一只計算，實施產值80萬元；羊按600元一只計算，實施產值90萬元，累計可實現(xiàn)年產值170萬元。4.2生態(tài)效益①太陽能電池板分布在整個電站場區(qū)內，合理的光伏陣列間距起到了平鋪式沙障的作用，可較大幅度地消減風速，有效阻止沙地前移，減輕沙塵對市區(qū)的危害；②通過光伏陣列的有效遮蔭，可以減少沙地水分蒸發(fā)，改善氣候、保護地下水資源，恢復原生植物生長；③通過設置沙障、種植低矮灌草，引入、豐富新植物物種，極大地改善了生態(tài)環(huán)境，從而促進了植被快速恢復，野生動物數(shù)量明顯增加；④光伏發(fā)電與火力發(fā)電相比降低了煤炭的消耗并減少了二氧化碳的排放，以30MWp光伏電站項目2013年8月底至2016年年底實際總上網電量14493.17萬kW?h折算（按平均1kW?h電相應節(jié)約0.328kg標準煤，同時減少0.997kg二氧化碳計算）,每年減少標準煤耗量4.75萬t，減少二氧化碳排放量14.45萬t，在全球變暖的大環(huán)境下，太陽能發(fā)電的發(fā)展對人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。4.3社會效益該項目將太陽能光伏電站建設與沙地綜合治理相結合，采用循環(huán)經濟理念，通過發(fā)展生態(tài)綠色產業(yè)，探索以太陽能為能源驅動，采用綜合措施開展沙地治理和開發(fā)利用，兼顧生態(tài)效益和經濟效益，建設零碳循環(huán)經濟型的防沙治沙示范區(qū)。在植被恢復、產業(yè)建設、能源循環(huán)利用等方面都進行了有效嘗試和示范，對培育沙區(qū)結構轉型升級和特色產業(yè)，促進治沙產業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)綠色GDP發(fā)展具有積極意義。5結束語近年光伏發(fā)電產業(yè)倍受青睞，光伏電站的建設如同雨后春筍，其在產生經濟效益的同時在沙漠林業(yè)綜合治理方面也有較好的效果，是促進生態(tài)環(huán)境治理，實現(xiàn)沙地