能源與水利結(jié)合模式探索
——以南水北調(diào)西線光伏天河工程為例

魏 琦，白保華，何繼江，延 星，繆雨含

(1.國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100052；2.清華大學(xué) 社會(huì)科學(xué)院，北京 100084；3.清華大學(xué) 能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100085)

自碳中和目標(biāo)提出以來，西部地區(qū)豐富的太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)岬却罅课撮_發(fā)的可再生能源資源成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]?？稍偕茉吹拈_發(fā)與利用不僅有助于西部地區(qū)的碳中和，還能通過跨地區(qū)輸送的方式將清潔能源供應(yīng)到中國的中東部地區(qū)，促進(jìn)中東部地區(qū)實(shí)現(xiàn)碳中和。西部地區(qū)的各類大型工程項(xiàng)目也有必要利用當(dāng)?shù)刎S富的資源配套建設(shè)可再生能源項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)減排降碳，甚至碳中和。

隨著西部大開發(fā)進(jìn)程加快，西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)利好的趨勢，其中水利工程帶來的水資源對(duì)西部地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了基礎(chǔ)性的作用[2]。20世紀(jì)50年代黨中央首次提出南水北調(diào)工程，是基于中國水資源南北分布極其不均的現(xiàn)狀，為緩解北方地區(qū)水資源供需矛盾，合理配置水資源而設(shè)計(jì)的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施工程和民生工程[3]。經(jīng)過多年論證，2002年《南水北調(diào)總體規(guī)劃》獲國務(wù)院批準(zhǔn)。該規(guī)劃將南水北調(diào)工程總體分為“四橫三縱”3項(xiàng)工程：東線工程、中線工程和西線工程。其中，東線工程涉及蘇、皖、魯、冀、津5省市，中線工程主要服務(wù)于京、津、冀、豫4省市，分別于2002年和2003年正式動(dòng)工，已累計(jì)調(diào)水超過4.0×1010m3，直接受益人數(shù)超過1.2億[4]。

南水北調(diào)西線工程主要涉及青、甘、寧、蒙、陜、晉6省區(qū)，皆為中國水資源極度缺乏地區(qū)，大部分地區(qū)降水低于400 mm，而蒸發(fā)量超過1 000 mm，部分地區(qū)人均占有水量僅為全國人均占有水量的12%。水資源的缺乏導(dǎo)致了西部地區(qū)的水土流失和土地荒漠化等環(huán)境問題，并極大程度限制了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，直接制約著西部大開發(fā)的進(jìn)程[5]。目前，南水北調(diào)西線工程研究的調(diào)水范圍面積達(dá)1.15×106km2，勘查了從海拔2 000 m到4 400 m的相關(guān)干支流河段[6]。南水北調(diào)西線工程將通過調(diào)水引流緩解西部地區(qū)缺水困境，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)西部地區(qū)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展[7]。

雖然水利工程有利于西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但有一點(diǎn)不能忽視，即水利工程在原材料生產(chǎn)階段、材料運(yùn)輸階段、建設(shè)階段、運(yùn)行階段等全生命周期中也造成了大量的能源消費(fèi)與碳排放[8]，其中，建設(shè)階段的碳排放源包括土方開挖、石方開挖、混泥土襯砌等大型機(jī)械設(shè)備的施工，水利運(yùn)行管理過程的碳排放來自加壓站及各個(gè)泵站的運(yùn)行。已有研究表明，水利工程投資每增加1%，碳排放量增加0.215 7%，水利工程建設(shè)前期耗能高，會(huì)導(dǎo)致后期低碳效益發(fā)揮不足[9]。

為了實(shí)現(xiàn)碳中和，西部地區(qū)的重大工程均需考慮減碳問題，水利工程也應(yīng)重視其生態(tài)效益。南水北調(diào)西線工程應(yīng)通過開發(fā)新能源等方式減少對(duì)化石能源的依賴，通過技術(shù)創(chuàng)新提高能源利用效率，降低工程的能耗與碳排放。作者將水資源與綠色能源結(jié)合考慮，兼顧西部獨(dú)特的資源稟賦和發(fā)展需求，提出將西線工程與太陽能結(jié)合，以此促進(jìn)西部地區(qū)低碳發(fā)展。

1 能源與水利結(jié)合研究基礎(chǔ)

調(diào)水與風(fēng)光資源的結(jié)合已有研究[10]，水利+光伏是能源與水利結(jié)合的一種形式，水利光伏的復(fù)合利用表現(xiàn)為水面光伏在人工水體上的應(yīng)用，即利用水利工程的水面建設(shè)光伏電站，實(shí)踐中主要依托水庫[11-12]和水渠[13-14]來建設(shè)。水面光伏指的是一種在水庫、河道、湖泊等自然或人工水體上建設(shè)光伏電站的模式，近年來在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速[15]。根據(jù)建設(shè)場地的不同條件，水面光伏的建設(shè)形式主要分為兩種：架高式水面光伏電站和漂浮式水面光伏電站[16]。

水利光伏能有效利用水利工程中閑置的水面，在起到保護(hù)水質(zhì)和減少水分蒸發(fā)量的同時(shí)，利用太陽能發(fā)電，進(jìn)一步提高工程的整體利用率，帶來生態(tài)和經(jīng)濟(jì)雙重效益[17]。研究表明，水利光伏能有效抑制水體富營養(yǎng)化[18]，能顯著影響水分蒸發(fā)，可減少幾乎與光伏板覆蓋率同比例的水分蒸發(fā)量[13-14]；而這些被光伏板阻擋的水蒸氣又對(duì)光伏板起到了冷卻作用，使得水利光伏有著較地面光伏電站更高的發(fā)電效率[19]；雖然水分的侵蝕會(huì)略微減少光伏板的壽命，但發(fā)電效率的提升使得水面光伏在實(shí)際運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)收益并沒有受到減損[13]。此外，水利光伏還為水利工程的節(jié)能減排提供了新的路徑，以南水北調(diào)中線工程為模擬情景的模型計(jì)算得出，建設(shè)水利光伏可為整體工程用電最高減排98.45%[20]。

水利光伏的復(fù)合模式已在國內(nèi)外有不少研究實(shí)證，表1總結(jié)了部分研究的分析結(jié)論，從水利光伏的建設(shè)形式、預(yù)期收益等方面展示了水利光伏的可實(shí)施性和復(fù)合收益，同時(shí)也為本文搭建光伏天河的工程構(gòu)想提供了研究依據(jù)。

表1 水利光伏研究Tab.1 List of hydraulic photovoltaic research

2 光伏天河技術(shù)基礎(chǔ)

南水北調(diào)工程是世界最大的跨流域調(diào)水工程。將光伏陣列布設(shè)于西線工程的水渠水面及防護(hù)帶地面上，形成規(guī)模宏大的帶狀光伏電站，光伏項(xiàng)目稱為光伏天河工程。光伏天河主要利用相互連接的光伏蓋板，在減少湖泊、水庫、水渠等水體由于陽光照射和空氣流通所造成的水體蒸發(fā)的同時(shí)，利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化成綠色電能。圖1（a）顯示了調(diào)水工程的無遮擋的水體以蒸發(fā)形式消耗了大量水資源。圖1（b）顯示了水體表面在布設(shè)光伏陣列后，由于光伏陣列的隔檔，水體蒸發(fā)和換熱損失大量減少，最大限度保留了湖泊、水庫、水渠中的水量。

圖1 一種用于水庫的新型光伏浮動(dòng)蓋板系統(tǒng)[23]Fig.1 A new floating photovoltaic cover system for reservoirs[23]

目前，水面光伏系統(tǒng)的發(fā)展大體可以分為架高式和漂浮式兩種[24]：架高式主要通過管樁架高的方式在管樁頂端安裝光伏組件；漂浮式光伏可以分為“浮體+支架”和“一體化浮筒”兩種。一般情況下漂浮式光伏電站適用于水流速度小于2 m/s、設(shè)計(jì)高水位與設(shè)計(jì)低水位落差較?。ǎ?0 m）、具有一定死水位（≥ 0.5 m）的水域[24]。

1）架高式光伏。

架高式光伏和傳統(tǒng)地面支架光伏類似，都是通過建設(shè)地面或者水下的水泥樁對(duì)光伏面板和系統(tǒng)組件進(jìn)行支持。如圖2所示，架高式光伏可以采用只覆蓋水面和覆蓋水面+防護(hù)帶的兩種方式[20]。

圖2 水面支架光伏組件[20]Fig.2 Standing photovoltaic cover system for water surface[20]

架高式光伏適用于水渠和深度較淺的水庫和湖泊，不同于漂浮式光伏，架高式光伏不會(huì)受到水面波動(dòng)的影響，可以按照設(shè)計(jì)的最佳仰角進(jìn)行施工建設(shè)。

2）漂浮式光伏。

通過連接組件，浮動(dòng)太陽能蓋板將模塊化的浮動(dòng)光伏蓋板相互連接起來。在水面這樣的特種工作環(huán)境中，連接組件需要滿足浮動(dòng)光伏蓋板的支撐要求，如圖3所示。

圖3 浮動(dòng)太陽能蓋板組件[23]Fig.3 Floating photovoltaic cover system[23]

光伏陣列是光伏天河工程設(shè)計(jì)中的核心器件和環(huán)節(jié)，與陸地光伏不同，漂浮式光伏在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行以及維護(hù)過程中，需要充分考慮水面環(huán)境的因素。具體包括浮動(dòng)平臺(tái)的材料防腐、光伏組件的連接防震、光伏面板的仰角優(yōu)化、光伏運(yùn)維的走道布局等。

3 光伏天河工程構(gòu)想

3.1 光伏天河規(guī)模測算

南水北調(diào)西線工程的規(guī)劃方案經(jīng)過多年研究論證，已于2020年底正式進(jìn)入比選論證階段。選擇黃河委南水北調(diào)西線工程課題組張金良等[8]提出的上線+下線聯(lián)合調(diào)水的方案，如圖4所示。

圖4 南水北調(diào)西線工程規(guī)劃總體布局方案示意圖[25]Fig.4 General planning of the South-to-North Water Division West Route Project[25]

由圖4可知，該方案是由雅礱江、大渡河調(diào)水4.0 × 109m3的上線和加上由金沙江、雅礱江、大渡河調(diào)水1.30 × 1010m3的下線的組合方案。其中，上線全長為325.7 km，絕大部分水渠為明流輸水隧洞，該隧洞長321.1 km；下線全長1 959.5 km，部分水渠為明流輸水隧道，該隧道長410.3 km[8]；除去部分不適宜鋪設(shè)水利光伏的渠道段，假設(shè)建設(shè)光伏天河的西線工程水渠長度為1 000 km。

作者構(gòu)想，西線工程主干渠道將全線被光伏蓋板覆蓋，覆蓋區(qū)域包括渠面和兩側(cè)的保護(hù)帶。借鑒已建成的南水北調(diào)中線工程一期的主要水渠寬度和兩側(cè)可用保護(hù)帶寬度數(shù)據(jù)[20]，將可鋪設(shè)光伏組建平均寬度設(shè)定為120 m，則光伏天河總安裝面積為120 km2。按照每平米可以鋪設(shè)120 W光伏面板[26]可以算出，整個(gè)光伏天河裝機(jī)規(guī)模為14.4 GW。

由于南水北調(diào)調(diào)水工程涉及到數(shù)目龐大的干渠和支渠系統(tǒng)，光伏天河工程的構(gòu)想僅考慮西線工程主要渠道。

3.2 光伏天河經(jīng)濟(jì)效益

從光伏天河工程的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益方面來看，以1 MW集中式水面光伏為例，采取全額上網(wǎng)的運(yùn)行方式，假設(shè)該類型電站系統(tǒng)成本、年發(fā)電小時(shí)數(shù)、上網(wǎng)電價(jià)、年發(fā)電量衰減系數(shù)、貸款利率（全額貸款）、年運(yùn)營費(fèi)用分別為：3.5 元/W、1 350 h、0.37 元/(kW·h)、0.8%、5%、0.02 元/W，光伏項(xiàng)目的建設(shè)成本為3.5 ×106元，其投資回收可以采用以下公式計(jì)算。

式中:RIt為t年的投資回收，元；Rt為t年的售電收益；I為利率；Ct為t年的電站運(yùn)行成本[27]。

采用式（1）計(jì)算可以得出，該類項(xiàng)目的投資回收期為14 a，如表2所示。

表2 投資回收與碳減排（以1 MW測算）Tab.2 List of the invest-of-return and emission reduction amount (with 1 MW calculated)

如果隨著技術(shù)進(jìn)步，系統(tǒng)成本可以降低到3 元/W，該類項(xiàng)目的投資回收期可降低為11 a。如果該類項(xiàng)目可以申請(qǐng)相關(guān)低息貸款政策（假設(shè)低息貸款利率為3.5%），在系統(tǒng)成本3 元/W的基礎(chǔ)上，投資回收期可以降低到10 a。

此外，光伏天河工程所依托的南水北調(diào)西線工程本質(zhì)為調(diào)水工程，加裝光伏蓋板對(duì)減少水分蒸發(fā)起著直接作用。雖然水分蒸發(fā)量因地形等外界因素過多難以量化，但以南水北調(diào)中線工程一期平均水價(jià)1.5 元/m3[28]來看，僅光伏天河工程的節(jié)水功能就能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 光伏天河的生態(tài)和社會(huì)效益

光伏天河工程需要充分考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在項(xiàng)目可行性和碳減排潛力方面進(jìn)行充分的量化分析。

參照《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）中的發(fā)電量計(jì)算[29]公式：

式中：Ep為系統(tǒng)年發(fā)電量，kW·h；HA為水平面太陽能總輻照量（峰值小時(shí)數(shù)），kW·h/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度，ES=1 000 W/m2；k為綜合效率系數(shù)，包括光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電路線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。

根據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2020》[30]，光伏發(fā)電量折算成標(biāo)煤的計(jì)算方法為：

式中：Tc為折算的標(biāo)煤重量，t；kpc為光伏發(fā)電折算標(biāo)煤系數(shù)，kpc=0.122 9 kg/(kW·h)[30]。

根據(jù)式（3），CO2排放計(jì)算方法為：

據(jù)式（2）～（4）測算，光伏天河每年可提供綠色電力超過1.87 × 1010kW·h，節(jié)約標(biāo)煤約2.30 × 106t，減少CO2排放約6.03 × 106t，將有效降低南水北調(diào)西線工程的碳排放，并為西部地區(qū)的碳中和進(jìn)程提供穩(wěn)定可靠的綠色電源。

在促進(jìn)生態(tài)環(huán)境修復(fù)方面，光伏天河可對(duì)水渠中的水體起到保護(hù)水質(zhì)和減少蒸發(fā)量的作用，將對(duì)西線工程調(diào)水和輸水線路沿線的生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展起到巨大的貢獻(xiàn)，見圖5。

圖5 南水北調(diào)西線江河連通示意圖[31]Fig.5 River connection system in the South-to-North Water Diversion West Route Project[31]

在社會(huì)效益方面，光伏天河工程的維護(hù)和運(yùn)營將為周邊地區(qū)帶來大量的就業(yè)崗位。并其將可能在西線工程的一些節(jié)點(diǎn)位置聚集一批依托水源和綠色電源發(fā)展的新型城鎮(zhèn)或特色產(chǎn)業(yè)集群，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論與政策建議

作為清潔能源與水利結(jié)合的一種創(chuàng)新模式，光伏天河工程充分利用南水北調(diào)西線工程沿線道路，每年發(fā)電量可超過1.87 × 1010kW·h，CO2年排放量能減少6.03 × 106t，這將有助于降低南水北調(diào)西線工程的碳排放，推動(dòng)水利工程的碳中和進(jìn)程。同時(shí)，光伏天河還將產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益，光伏天河的組件蓋板能保護(hù)水體質(zhì)量，減少水蒸發(fā)；光伏天河產(chǎn)生的綠電能帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而促進(jìn)周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。作者提出以下兩點(diǎn)政策建議：

1）南水北調(diào)西線方案在規(guī)劃時(shí)應(yīng)考慮將水利與能源結(jié)合，在符合安裝條件的調(diào)水渠道布設(shè)光伏陣列，建設(shè)光伏天河工程。

2）應(yīng)充分利用南水北調(diào)西線上的水電站（如葉巴灘、兩河口和雙江口水電站）大壩、天然河道、湖泊的連通和輸送能力，以及運(yùn)河及總干渠上的各類泵站，建設(shè)一批不同規(guī)模的抽水蓄能電站、地面光伏電站和漂浮式水面光伏電站，組成若干水光互補(bǔ)綠色能源基地。

由于水利工程生命周期內(nèi)建設(shè)階段土方開挖、石方開挖、混泥土襯砌等施工環(huán)節(jié)的碳排放與加壓站及各個(gè)泵站運(yùn)行過程的碳排放數(shù)據(jù)難以計(jì)算，本文未能建立南北水調(diào)西線工程的碳中和模型，后期還需進(jìn)一步深入研究水利工程實(shí)現(xiàn)碳中和的情景。同時(shí)，未來還應(yīng)充分利用西部地區(qū)豐富的清潔能源資源，促進(jìn)各類工程項(xiàng)目在全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和。