光伏治沙方案探討

買發軍，白榮麗

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司，烏魯木齊 830000；2. 西安睿諾航空裝備有限公司，西安 710000)

0 引言

沙漠化地區建設光伏電站能夠削弱風速，起到有效防風固沙作用，阻止沙塵的飛揚和沙丘的移動，防止水土流失；光伏陣列能對地表起到遮陰作用，有效降低其水分蒸發，有助于沙土中水分積累。將光伏發電和多種治沙方式有機結合，既能達到治沙防沙、保護生態環境的效果，又能實現荒漠治理與林業、農業經濟產業相結合的發展[1]。本文針對沙漠化土地推出光伏發電和沙漠治理(即光伏治沙)、節水農業相結合的生態治理解決方案，該方案涉及沙障光伏治沙技術、造林光伏治沙技術、種草光伏治沙技術及光伏滴灌技術。

1 光伏治沙總體策略

采用光伏治沙方案時，可在光伏電站圍欄外圍設置鎖邊防護林，根據風力大小將主風向和次風向防護林進行差異化設置，并作為一級防護；在光伏電站場區內主干道路兩側設置防護綠化帶，在檢修道路兩側種植沙生植物或灌木，樹種橫縱向交錯種植，并作為二級防護；在光伏陣列下方及前后排光伏陣列間設置沙障并種植沙生植物或灌木，以此作為三級防護。進行一級、二級防護時，通過種植抗風性能強、根系發達的樹木，能起到降低風速、阻擋風沙的作用；進行三級防護時，通過在沙障內種植沙生植物或灌木，可阻止沙漠化土地擴張，改善土地質量，起到防風固沙、改善環境和維持生態平衡的作用。

現有的與農業結合的光伏治沙項目大多僅考慮到光伏發電的價值，而對治沙時種植的農作物的需求缺乏考量，造成農作物光照不充足、植被恢復不徹底、治沙效果不明顯等問題。當農作物種植于光伏陣列下方時，應從光伏電站運維和農作物生長需求的角度出發，兼顧考慮農作物種植對電氣安全的影響。因此，在進行此類項目的光伏發電系統設計時，建議采用超大跨度的跟蹤式光伏支架，并采用南北向布置，預留大間距的南北向種植廊道，設置的光伏組件離地高度高于傳統地面光伏電站的光伏組件離地高度；電纜采用大間距架空敷設方案，為土地高效翻耕創造空間。通過以上創新型光伏發電系統設計方案能夠最大化提升農作物的受光需求，使光伏治沙與農業結合達到更好的效果[2]。

2 沙障光伏治沙技術

2.1 沙障鋪設要求

沙障設置在光伏陣列下方光伏支架的兩排立柱迎風側，沿著光伏陣列橫向布置，并在沙障內混合播種沙生灌草植物(主要為沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等)。光伏陣列下方設置的沙障的立面圖和平面圖如圖1所示。

圖1 光伏陣列下方設置的沙障的立面圖和平面圖Fig. 1 Elevation and plan of sand barrier set under PV array

2.2 方格沙障光伏治沙

利用多種不同的材料(例如稻草、麥稈、蘆葦、沙柳、石頭、塑料條、編織袋等)做成方格狀的屏障物，比如，草方格、塑料方格、石方格等，然后將其扎在光伏陣列下方及前后排光伏陣列間的流動沙丘上，從而通過改變下墊面的性質，增加地表粗糙度，阻滯近地面層的風速，減弱風蝕，以達到防風固沙的目的。根據沙地現場實測，風主要在距地表10 cm內搬運沙粒，超過這個高度，輸沙很少。設置沙障時，應使沙障與當地的主風向垂直，沙障的高度、大小和形狀可根據當地的地形地貌、風速、風向、風沙活動方式和活動強度等進行合理選擇，通過機械作用阻止流沙隨風遷移[3]。草方格沙障和塑料方格沙障的照片分別如圖2、圖3所示。

圖2 草方格沙障的照片Fig. 2 Photo of grass checkerboard sand barrier

圖3 塑料方格沙障的照片Fig. 3 Photo of plastic checkerboard sand barrier

2.3 立式沙障光伏治沙

在光伏陣列下方及前后排光伏陣列間設置立式沙障，通過立式沙障的孔隙降低風沙流的流動速度；此外，立式沙障還可以起到阻風作用，經過沙障后的渦旋氣流將受到限制，降低沙粒的穿越能力，阻擋風沙入侵。根據立式沙障的高度不同，其可以分為低立式沙障和高立式沙障，分別如圖4、圖5所示。

圖4 低立式沙障的照片Fig. 4 Photo of low vertical sand barrier

圖5 高立式沙障的照片Fig. 5 Photo of high vertical sand barrier

2.4 特殊工藝沙障光伏治沙

利用化學材料與工藝，對易產生沙害的沙丘或沙質地表建造能夠防止風力吹揚又具有保持水分和改良沙地性質的固結層，以此作為沙障，然后在光伏陣列下方和前后排光伏陣列間鋪設此類特殊工藝沙障，用于改善沙地土質。對于風沙嚴重的地區，應選擇透氣效果好的化學材料，有助于沙障內部植物的生長。特殊工藝沙障的照片如圖6所示。

圖6 特殊工藝沙障的照片Fig. 6 Photos of special process sand barrier

3 造林光伏治沙技術

通過造林方式治理沙地能夠有效阻擋流沙侵襲或減輕風沙危害，保護光伏設施及農牧業生產。根據光伏發電項目所在地的不同地貌特征，采取分區域平整、施肥和土壤培育措施，確保造林植物的根系生長及存活率。造林植物優選等級優良的苗木，種植后定期進行澆水灌溉，植物的枝葉生長茂密后能夠加速土壤密實，促進地表形成“結皮”，增強土壤的抗風蝕能力，起到阻沙固沙的作用。

3.1 整地

流動沙地治理區的地勢起伏較緩，依著地勢基本找平，不要求找到同一水平面，只需相對高度不超過3 m，無明顯沙丘和大坑即可，以便于建設立式沙障或草方格沙障及栽植防風固沙植被，形成環狀防護體系。對于在光伏電站外圍、道路兩側種植防護林的區域，以及在光伏陣列下方、前后排光伏陣列間種植防風固沙植被的區域，宜采用分區域平整的方式，以保證植被種植深度。灌木的種植面積宜選擇0.4 m×0.4 m為一個區域。在春季時，造林與整地可同時進行。

3.2 樹種的選擇

依據沙地的生態環境特征，選擇可適應干旱氣候的抗風蝕、耐沙埋的沙生植物種類。樹種選擇要求滿足“適地適樹和以鄉土樹種為主，灌木為主、喬草結合”的原則，以提高造林植物的成活率，提高防沙治沙效果。灌木多在近地表處以叢狀分枝，固沙和阻沙能力強[4]。

3.3 造林時間及密度

灌木的種植在春季雨天后土壤解凍后即可開始，并在樹木發芽之前完成種植。根據光伏發電項目所在地的地形地貌特征、土壤含水量情況等綜合評估，造林密度不宜過大。

3.4 灌溉與施肥

造林時要及時進行灌溉，灌木每株每次澆水量約為0.15 m3，每年宜灌溉5～6次，在5月前后2個月中堅持每個月灌溉1次，其他月份根據苗木生長情況進行灌溉。部分地區如果土壤肥力不足，可以在造林或灌溉過程中施肥，有助于苗木茁壯成長。

4 種草光伏治沙技術

直播方式分為撒播、條播、穴播3種。在沙區治沙過程中，草種采用直播方式時，正確選取草種是成功的關鍵。草種選取不當，治沙成效低，不僅會造成一定的經濟損失，更延誤了沙區的植被建造。直播草種的選取，既要符合經濟建設的需要和提高防沙治沙的植被覆蓋度，又要使草種的生物學特性與播種區域的立地條件相適應。直播草種宜選擇抗風蝕、耐沙埋、遇水易發芽、生根快、抗逆性強、種源豐富的草種，主要可選擇羊柴、沙蒿、沙打旺、草木樨、甘草、麻黃等；不同種類的草種混合播種的成活率高于單一草種播種的成活率。

播種草種、灌木種子前需先做好沙障施工，在沙障內進行播種，可以避免因沙丘被大風吹動而帶走種子的情況。若在光伏陣列區種植牧草、中草藥時，需依據地貌特征，在流動沙地區域采取立式沙障，沙障設置在光伏陣列下方光伏支架的兩排立柱迎風側，沿著光伏陣列橫向布置[5]。

4.1 整地

在種子播種前，應采用人工或機械全面整地。為了避免沙地水分流失，應盡可能控制整地厚度在10 cm左右，播種后覆土厚度約為3 cm，然后按每公頃7550 kg農家肥的標準施肥。

4.2 播種

播種草種的最佳時間應在6月中旬前，播種前先澆地，采用機械直播或人工條播的方式均可，用耬播種時播深約為2 cm，播種后耱地鎮壓。草籽播種前，對于種皮較厚的種子，必須進行浸種處理；對于種殼堅硬、不透水和不透氣的種子，可作銼傷種皮處理。

4.3 培育管理

種植后加強培育管理，適時澆水。幼苗期，若生長緩慢，須進行除草和松土，加強管護，根據生長情況適時澆水。第2年時應對大塊的缺苗區域及時補播。

5 光伏滴灌技術

光伏滴灌技術是將光伏水泵與精細化的滴灌技術相結合，精細化的滴灌設施能夠為光伏陣列下方及前后排光伏陣列間的農作物提供足夠的水分，加快農作物生長，改良土壤，形成生態系統良性循環，既能增加農作物收益，又能為改善荒漠、加快沙漠土壤化提供可持續的發展動力。

在每一排光伏陣列下方及前后排光伏陣列間鋪設滴灌設施，分區域打井并設置光伏水泵，通過光伏組件發電帶動水泵及滴灌設施運作，為場區種植的農作物灌溉；同時在每個光伏方陣設置土壤水分監測傳感器，通過匯流箱及箱變測控接口將監測數據傳輸至光伏電站后臺，實時監控土壤濕度，確保種植農作物的存活率，節約水資源。

6 光伏治沙優勢分析

光伏治沙是一種將光伏發電與沙地治理相結合的復合型模式，該模式在不改變土地性質和用途的前提下高效利用土地資源，并科學利用沙漠化地區豐富的太陽能資源，達到了“1+1＞2”的效果。本文從沙地治理的視角創新性開展與光伏發電系統相結合的設計，該設計可實現光伏發電與沙地治理雙重效益，成功助力能源低碳轉型[6]。

光伏電站建成后，在防風固沙的同時還能對沙面形成有效遮蔭，減少地表水分蒸發，有助于沙土中水分積累，清洗光伏組件的水也有助于促進植被生長，為光伏陣列下方及前后排光伏陣列間的矮化經濟林帶或農作物提供足夠水分，在節省水源的同時可加快植物生長，形成生態系統良性循環。根據調查及研究結果，光伏組件的遮陰效果能使土壤水分蒸發量減少25%～35%[7]。

7 結論

本文針對沙漠化土地推出光伏發電和沙漠治理(即光伏治沙)、節水農業相結合的生態治理解決方案，通過在光伏電站外圍設置防護林、道路側設置沙生灌木綠化帶、光伏陣列下方及前后排光伏陣列間種植沙生植物，構成多級別防護，開啟了光伏發電與沙地治沙相結合的創新性生態治理模式。此種模式既能利用清潔電力又能治理沙化土地，實現了以光伏發電項目建設驅動生態治理，促進了光伏產業與生態治理的融合發展，實現了經濟效益和環境效益雙贏的局面。