光伏治沙模式在防沙治沙可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃中的應(yīng)用

方向杰

民勤縣石羊河流域防沙治沙及生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃管理中心，甘肅民勤 733300

在全球變暖的大背景下，極端天氣氣候事件的變化對荒漠化和土地退化進程的影響加劇[1]。全球變暖已經(jīng)導(dǎo)致撒哈拉沙漠的沙粒數(shù)與以前相比有很大的上升，并且撒哈拉沙漠的氣溫也在升高，沙化更加嚴重。沙漠化現(xiàn)象是全球環(huán)境與氣候問題最直觀的現(xiàn)象，對人類的生存環(huán)境造成了巨大威脅。土地沙化會縮減可以有效利用的國土面積，導(dǎo)致土地退化、土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤養(yǎng)分流失。延緩全球變暖，使用光伏發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源，減少溫室氣體的排放，同時對沙漠進行防沙治沙刻不容緩，這與人類與子孫后代的未來息息相關(guān)。

截至2020年底，民勤縣電網(wǎng)總裝機規(guī)模1 852.5 MW，已建成并網(wǎng)的風(fēng)電項目8項，裝機容量1 247.5 MW，入駐民勤縣投資開發(fā)太陽能光伏發(fā)電項目的企業(yè)14家，已建成并網(wǎng)的太陽能光伏發(fā)電項目17項，裝機容量605 MW。2020年12月底，已建成風(fēng)、光電項目累計發(fā)電量約26.81億kWh，分布式光伏電站0.19 MW，共5戶，位于蔡旗、大灘等地。

根據(jù)《國家林業(yè)和草原局關(guān)于規(guī)范風(fēng)電場項目建設(shè)使用林地的通知》(林資發(fā)〔2019〕17號)精神，民勤縣用于發(fā)展風(fēng)光電項目的土地面積共4 122 km2，總規(guī)劃裝機規(guī)模74 750 MW。其中，光伏發(fā)電規(guī)劃裝機規(guī)模13 830 MW，風(fēng)力發(fā)電規(guī)劃裝機規(guī)模13 830 MW。將光伏發(fā)電與沙漠治理相結(jié)合，是我國目前建設(shè)生態(tài)文明的發(fā)展方向，但如何實現(xiàn)防沙治沙的可持續(xù)發(fā)展，仍需要在規(guī)劃環(huán)節(jié)進行細致的研究與設(shè)計。

1 光伏治沙的概念

光伏治沙的主要途徑是建設(shè)沙漠生態(tài)化光伏電站，其典型路徑是在光伏電站的外圍、邊沿地帶及站內(nèi)采用沙障措施、生物措施和其他措施，如農(nóng)業(yè)節(jié)水、封護等。通過機械固沙、化學(xué)固沙、植物固沙、建立阻沙柵欄、防沙林帶林網(wǎng)等方式，建立綜合防護系統(tǒng)。

光伏組件板遮蔽陽光直射，可有效減少地表水的蒸發(fā)，還能夠有效減緩風(fēng)速，改善植物的生存環(huán)境，為動植物提供屏障。光伏組件板可產(chǎn)生小面積徑流，集中沙漠、戈壁地區(qū)稀少的降水，加深降水入滲深度。同時，沙漠光伏電站從設(shè)備選型、工程設(shè)計建設(shè)等方面，可與風(fēng)沙防治優(yōu)化結(jié)合。例如：采用適應(yīng)地形能力更強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好、布置更靈活、運維工作量小的固定式支架，并將光伏支架相互錯開，可以起到滯風(fēng)的效果。

2 光伏治沙模式可持續(xù)發(fā)展的可行性

2.1 光伏治沙模式對風(fēng)沙的影響

頻繁的沙塵暴和水土流失是沙漠化最直接的危害，風(fēng)沙脅迫會影響植物的光合作用過程，降低植物氣孔導(dǎo)度，提高蒸騰速率，限制光合產(chǎn)物的合成和積累。風(fēng)和風(fēng)沙流不僅會對植物個體的生理狀況造成危害，還會對干旱、半干旱地區(qū)植被的生態(tài)功能造成影響，使植被環(huán)境生態(tài)退化，增加荒漠化、沙漠化風(fēng)險[2]。

光伏電站具有良好的防風(fēng)固沙功能。研究表明，光伏電站外圍和行道間風(fēng)速會隨著高度的增加而增大，其風(fēng)速變化趨勢呈“J”形，當高度達到40～100 cm時，風(fēng)速波動變化尤為顯著。同時，光伏陣列內(nèi)部風(fēng)速均低于外部曠野風(fēng)速，對過境氣流風(fēng)速的減弱系數(shù)為17.14%～32.12%。

從風(fēng)速流場變化過程來看，光伏陣列在下沿出風(fēng)口高度20～80 cm處產(chǎn)生氣流渦旋，增強了對板下沙粒的搬運能力，隨著氣流深入光伏電站腹地，能量呈梯級衰減，在行道間產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，輸沙率隨高度的升高呈遞減趨勢，服從對數(shù)函數(shù)分布[3]。

民勤縣屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，降水稀少、光照充足、晝夜溫差大。平均日照時間為3 149.1 h，年均太陽輻射總量為5 570～6613 MJ/m2。

全縣可用于太陽能光伏發(fā)電面積1 244 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模60 920 MW(已建成600 MW，剩余可開發(fā)規(guī)模60 320 MW)。其中，紅沙崗光伏發(fā)電規(guī)劃區(qū)占地91 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模4 550 MW(已建成600 MW)；紅沙崗南部風(fēng)光互補發(fā)電規(guī)劃區(qū)占地204 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模10 200 MW；窯街農(nóng)場光伏發(fā)電規(guī)劃區(qū)占地81 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模4 050 MW；紅崖山光伏發(fā)電規(guī)劃區(qū)占地59 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模2 950 MW；三渠柴灣、夾河、東湖、收成、南湖、青山以北甘蒙省界等沙漠光伏發(fā)電規(guī)劃區(qū)占地809 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模39 170 MW。

2.2 光伏治沙模式對植物的影響

首先，沙漠區(qū)域生態(tài)脆弱，當?shù)貧夂驐l件嚴峻，干旱少雨，加大了水分涵養(yǎng)難度和植被成活難度。高溫天氣會加劇沙塵暴災(zāi)害，造成風(fēng)蝕土壤，進而導(dǎo)致植被破壞。這種極其脆弱的生態(tài)環(huán)境會造成惡性循環(huán)，在連鎖反應(yīng)下會使生態(tài)修復(fù)的難度增大。

其次，沙漠光伏可以降低地表溫度，原理是光伏板將當?shù)氐奶栞椛滢D(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑥亩{(diào)節(jié)地表熱力平衡。數(shù)據(jù)顯示，在民勤沙區(qū)，1 m2光伏板轉(zhuǎn)換的太陽輻射相當于該區(qū)260.75 m2荒漠植被轉(zhuǎn)換的太陽能。沙漠光伏對春季10 m高度造成的熱力平衡效應(yīng)，使其電場內(nèi)氣溫明顯低于光伏電場外的氣溫[4]。

最后，光伏電站對風(fēng)沙的阻滯作用使得風(fēng)速降低，穩(wěn)固了植物的生長環(huán)境；熱力平衡效應(yīng)與光伏板的遮陰作用減少了水分蒸發(fā)和灌溉需求，進一步為植被存活提供了良好的條件。

2.3 光伏治沙模式對經(jīng)濟效益的影響

光伏發(fā)電建設(shè)過程中對交通、材料、設(shè)備、電氣、運輸?shù)确矫娴男枨蟊貙釉摰貐^(qū)的原材料制造、化工、建材、電力配套等工業(yè)的發(fā)展。而隨著工業(yè)的發(fā)展和交通條件的延伸改善，又將帶動相關(guān)地區(qū)的城鎮(zhèn)化建設(shè)以及商業(yè)、金融、旅游業(yè)的發(fā)展，促進第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

能源產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善為地方經(jīng)濟發(fā)展開辟了新的增長點，推動了地方經(jīng)濟的健康發(fā)展。從增加地方政府的財稅收入來看，“十四五”規(guī)劃的能源項目在建設(shè)、運營期間每年能夠直接為當?shù)卣暙I大量的稅收，包括增值稅、教育費附加、印花稅、企業(yè)所得稅、個人所得稅、資源稅(費)等。通過帶動建筑、建材、發(fā)電設(shè)備等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，將間接推動地方政府稅收收入的增長。

通過增加地方財稅收入，有利于提高地方政府的財政支出能力，進而強化政府利用財政資金加大對能源項目和產(chǎn)業(yè)的投入力度，完善能源項目和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，反哺能源項目和產(chǎn)業(yè)健康、有序發(fā)展。

從緩解地區(qū)就業(yè)壓力來看，此規(guī)劃實施能夠直接帶動當?shù)鼐蜆I(yè)，能源項目實施將對建筑、建材、機械設(shè)備、多晶硅電池等產(chǎn)生大量需求，因此，項目實施將間接帶動地區(qū)大量就業(yè)。綜合來看，新能源項目有助于政府緩解地區(qū)就業(yè)壓力，將促進當?shù)匕l(fā)展、帶來新知識與新信息等，對帶動當?shù)鼐蜆I(yè)總量增加和就業(yè)結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生積極作用。

3 光伏治沙模式的現(xiàn)狀

3.1 光伏電站運用維護問題

民勤縣風(fēng)能、太陽能等新能源資源豐富，開發(fā)建設(shè)條件較好，但目前建成容量較小。因消納能力有限，民勤縣無法消納大規(guī)模并網(wǎng)新能源電量，主要以小規(guī)模、分區(qū)塊開發(fā)為主，造成光伏發(fā)電成本價格上漲。加之土地征收費用升高以及草原植被恢復(fù)費的征收等，使得光伏建設(shè)成本不斷增加，盈利空間進一步縮小，投資回報周期變長，制約了新能源大規(guī)模、快速發(fā)展。隨著光電項目逐年開發(fā)，與能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展相適應(yīng)的電網(wǎng)建設(shè)相對滯后，棄光現(xiàn)象仍然存在。民勤縣電網(wǎng)相對薄弱，且遠離甘肅省負荷中心，在各電站擠占上網(wǎng)空間，導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象十分嚴重。

3.2 電力消納問題

光伏發(fā)電具有隨機性、波動性、階段性供電等特點，功率不高，日間光照弱時發(fā)電量較少；受季節(jié)影響，發(fā)電量會產(chǎn)生波動。此外，我國沙漠地區(qū)多數(shù)分布于西部北部地區(qū)，當?shù)睾茈y消納光伏治沙項目所發(fā)電力，需要依托在運、在建外送通道，送出依賴成本高昂的特高壓工程。特高壓技術(shù)輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占用土地少。但受制于成本、產(chǎn)業(yè)分布、工業(yè)用戶負荷等因素，規(guī)模化應(yīng)用仍需時間，消納比例和經(jīng)濟效益無法在短期內(nèi)得到提升。

4 光伏治沙模式的應(yīng)用路徑

4.1 利用沙漠光伏優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

光伏電站可以拉動當?shù)亟?jīng)濟增長，通過綜合利用可以增強光伏發(fā)電的經(jīng)濟性，減少沙漠光伏電站運維成本，為當?shù)鼐用駝?chuàng)造就業(yè)崗位，實現(xiàn)防風(fēng)治沙。

光伏板對植被的正面影響使得“在光伏板下種植物”成為可能。而光伏電站產(chǎn)業(yè)與當?shù)胤N植業(yè)或畜牧業(yè)相結(jié)合，當?shù)氐霓r(nóng)民、牧民和養(yǎng)殖戶不僅能夠得到項目外溢的經(jīng)濟紅利，還能改善生活條件。若是種植食用作物，可以作為光伏電站運維員工的自用食物，也可以作為菜品成為當?shù)鼐用竦氖称罚蝗羰欠N植經(jīng)濟作物，無論是作為原材料發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)或直接進入市場成為供應(yīng)商都是不錯的選擇；若是種植牧草，也可以發(fā)展當?shù)氐男竽翗I(yè)。同時，當?shù)氐霓r(nóng)民、牧民和養(yǎng)殖戶也可以作為運維人員對光伏板進行維護，清理光伏板的水還可以作為灌溉水，提高水資源利用率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

光伏治沙模式發(fā)展出的草原生態(tài)和畜牧業(yè)，可以極大豐富和維護當?shù)氐穆糜钨Y源，為當?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供保障。數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古2021年光伏建設(shè)規(guī)模在10萬kW左右，裝機規(guī)模創(chuàng)歷史之最。內(nèi)蒙古光伏發(fā)電項目建設(shè)已經(jīng)形成以光伏沙漠治理為主的生態(tài)修復(fù)發(fā)展模式，其中，達拉特旗提出“沙漠+生態(tài)治理、旅游、光伏、農(nóng)業(yè)，打造沙漠經(jīng)濟先導(dǎo)區(qū)”的發(fā)展戰(zhàn)略，采用“林光互補”建設(shè)模式。

目前，該旗沙漠景區(qū)年均接待游客234.5萬人次，農(nóng)牧民人均收入的31%來自林沙產(chǎn)業(yè)。當?shù)剞r(nóng)牧民正成為光伏治沙的受益者，電站檢修運維、光伏板清洗、站內(nèi)綠化養(yǎng)護等成為新的工作選擇。

4.2 光伏治沙與氫產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合應(yīng)用

氫能是一種極為優(yōu)越的二次能源，燃燒熱值高，氫氣可以由水制取，燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。若大力發(fā)展氫能，將實現(xiàn)自然物質(zhì)的循環(huán)利用。而作為我國正大力發(fā)展的綠色清潔能源，光伏發(fā)電與氫能產(chǎn)業(yè)格外契合。光伏具有隨機性、波動性、階段性供電等特點，利用氫能技術(shù)進行儲能，可以解決電網(wǎng)調(diào)度的難題。利用光伏發(fā)電站放出的電力，運用電解技術(shù)得到氫氣，再將氫氣存儲于高效儲氫裝置，將氫能作為二次能源，然后利用燃料電池技術(shù)，將這些存儲的能量回饋電網(wǎng)或直接送入氫產(chǎn)業(yè)鏈進行利用。

當前，國家相繼出臺了有關(guān)政策規(guī)劃，鼓勵光伏治沙、規(guī)模化制作綠氫并加以應(yīng)用，相關(guān)示范項目也在規(guī)劃建設(shè)中。“十四五”期間，億利潔能聯(lián)合國家電力投資集團所屬企業(yè)，將在內(nèi)蒙古庫布齊沙漠億利生態(tài)示范區(qū)打造庫布其光氫治沙零碳產(chǎn)業(yè)示范園，著力構(gòu)建“光伏治沙+沙漠氫田+綠氫化工”綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈新示范[5]。

4.3 加強政策激勵

地方政府要充分發(fā)揮政策及財政資金的導(dǎo)向激勵功能，完善相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，建立統(tǒng)一的標準體系。通過推動設(shè)立政府投資基金、綠色企業(yè)補貼、引導(dǎo)基金等方式，引導(dǎo)社會資源向技術(shù)創(chuàng)新聚攏，支持光伏治沙及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈延伸技術(shù)的研發(fā)、示范應(yīng)用。通過引導(dǎo)并參與研究新型沙漠綜合治理技術(shù)，開發(fā)新型光伏系統(tǒng)，促進技術(shù)創(chuàng)新。

此外，地方政府要以產(chǎn)業(yè)為中心，充分利用市場機制，推動科研成果轉(zhuǎn)化與落地。探索光伏治沙延伸的商業(yè)模式，并將其加以復(fù)制推廣；積極引入綠色金融融資渠道為商業(yè)模式提供支撐，發(fā)展以光伏電站為核心的綠色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向綠色經(jīng)濟、生態(tài)經(jīng)濟[6]。

4.4 優(yōu)先選址綜合效益高的地區(qū)

光伏治沙模式的可持續(xù)發(fā)展重點在于光伏電站的選址、是否能夠?qū)崿F(xiàn)各方面效益，以及能否推平光伏電站建設(shè)與運維所投入的成本。因此，光伏治沙模式下光伏電站的選址在規(guī)劃期就需要綜合考慮各方面因素，達成生態(tài)效益、經(jīng)濟效益與投入成本的平衡。有學(xué)者構(gòu)建了光伏治沙項目選址的決策指標體系，包括資源因素、經(jīng)濟因素、環(huán)境因素和社會因素4個準則[7]。

從資源因素來看，要考慮當?shù)啬晏栞椛淞渴欠衲軌蚪o光伏設(shè)備帶來足夠的電能輸出效益；當?shù)啬昶骄鶞囟群湍昶骄鄬穸仁欠裼欣诠夥O(shè)備的光電轉(zhuǎn)換和延長設(shè)備使用壽命。

從經(jīng)濟因素來看，要考慮項目投入成本、運用管理費用、設(shè)備更新維護費用、項目收益與資金回流的時間等。

從環(huán)境因素來看，要考慮光伏發(fā)電給當?shù)貛淼臏厥覛怏w減排效益，還有該項目的建設(shè)與運營對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和生物多樣性造成的正面或負面的影響。

從社會因素來看，要考慮當?shù)鼐用駥υ擁椖康恼J可程度；該項目對當?shù)赝顿Y與就業(yè)等方面的經(jīng)濟效益；光伏電站對當?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展是否有促進作用。

5 結(jié)束語

光伏治沙模式在沙漠地區(qū)防沙治沙的生態(tài)功能十分顯著，要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，還需要考慮沙漠地區(qū)的特性、光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈、光伏板本身的作用及其對環(huán)境的影響等因素，最大限度地運用光伏發(fā)電站項目實現(xiàn)對沙漠環(huán)境的保護。從宏觀來看，光伏產(chǎn)業(yè)是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，是可再生能源的重要分支；防沙治沙是一個重要課題，也是環(huán)境保護的一部分。兩者互相融合，可以為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展、區(qū)域環(huán)境保護、地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、當?shù)鼐用竦脑鍪罩赂缓腿祟惪沙掷m(xù)發(fā)展提供重要支撐，具有積極的生態(tài)效益和社會效益。