沙漠光伏的熱力平衡效應及其防沙治沙的生態(tài)學意義

姚澤， 劉世增， 詹科杰， 王祺， 王飛， 劉淑娟， 王芳琳， 孫濤， 常兆豐

（甘肅省治沙研究所，蘭州 733070）

我國沙漠、戈壁面積廣大，尤其是西北廣大地區(qū)，風沙流活躍，沙塵暴頻繁。我國每年由風沙危害所造成的經濟損失達540億元［1］。我國從20世紀50年代開始防沙治沙，取得了世界矚目的成就。防沙治沙的措施主要有2類：一類是生物治沙，即造林治沙，然而由于沙漠地區(qū)干旱，往往是造林多成林少，治沙的效果并不很顯著；另一類是沙障壓沙，雖然沙障的種類很多，但沙障只能就地固沙，且積沙量很容易飽和，治標不治本。此外，還有防御性措施，即劃定封育區(qū)進行保護。這些治沙措施都是20世紀50、60年代的成果，數十年來在防沙治沙技術手段方面沒有新突破，不能改善沙漠化的嚴重發(fā)展趨勢［2］。

甘肅河西走廊是我國沙塵暴多發(fā)區(qū)和重點風沙危害區(qū)之一。河西走廊東、北、西三面依次被騰格里、巴丹吉林和庫姆塔格3大沙漠包圍，境內沙漠面積和零星沙地7.54萬km2，戈壁面積8.55萬km2［3］。河西走廊太陽能資源豐富，亦被譽為“陸地三峽”，截至2016年底，河西地區(qū)的武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關5市已在沙漠、戈壁中建立了18個光伏產業(yè)園區(qū)，光伏發(fā)電裝機容量達到了422.4萬kW，僅次于青海的580.4萬kW［4］。據報道，2020年3月2日，甘肅光伏發(fā)電出力高達628.84萬kW，占全省總發(fā)電出力的36.3%、全網用電負荷的54.4%［5］。

國內外有關沙塵暴和沙漠化防治的研究［6-11］以及光能資源及其利用潛力研究［3，12-16］很多。近年來已有了一些關于沙漠光伏電場對氣溫、地溫以及太陽輻射的觀測研究報道，如格爾木荒漠光伏電場的觀測結果表明，光伏電場內下墊面溫度明顯低于電場外，光伏電場內年平均凈輻射明顯高于電場外［17］，光伏電場內5—80 cm土壤日平均溫度顯著低于電場外［18］。烏蘭布和沙漠的觀測結果表明，夏季晴天的沙漠光伏電場具有增溫降濕的作用［19］。還有學者綜合分析后指出，沙漠光伏電場具有調節(jié)地表輻射和地溫作用，對荒漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有潛在的正向促進作用［20］。沙漠光伏電場白天會產生“光伏熱島效應”，在城市地區(qū)會消減“城市熱島效應”［21］。與光伏電場生態(tài)功能相近的還有關于發(fā)展光伏發(fā)電場有利于減少火電場，即減少火電場CO2和粉塵排放的研究［22］，亦有關于光伏電場防風防沙設計的相關報道［23］。

沙塵暴是沙漠化最典型的表現形式［24］。沙塵暴發(fā)生、發(fā)展的動力是大風，而大風是由于地表的熱力不均衡引起的。光伏產業(yè)就是將太陽能轉化為電能，從理論上講，光伏產業(yè)具有平衡地表熱力和消減沙塵暴以及風沙流的功效。那么，光伏產業(yè)是以何種方式平衡沙漠地表熱力和消減沙塵暴以及風沙流的？光伏產業(yè)對消減沙塵暴和風沙流有多大的作用？這些問題尚未得到解決。河西走廊是我國沙塵暴多發(fā)區(qū)，也是我國風能資源區(qū)，光伏產業(yè)已經具備了一定規(guī)模。鑒于此，本研究以河西走廊東端古浪振發(fā)光伏電場為例，對比分析了光伏電場內外氣溫、風速、太陽輻射等的差異及其變化特征，旨在為發(fā)展沙漠戈壁光伏產業(yè)和防治沙塵暴提供參考。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅古浪振發(fā)光伏電場位于騰格里沙漠西南邊緣，古浪縣境內，光伏電場呈長方形，南北長2 700 m，東西寬1 410～1 500 m，光伏電場中心位置為103°07′40″E、37°45′50″N。一期電場裝機容量50 MW，東西寬1 500 m，南北長800 m，其中南端為南北長156 m的光跟蹤旋轉式光伏板；二期電場裝機容量100 MW，東西寬1 400 m，南北長1 760 m，其中南端為南北長390 m的光跟蹤旋轉式光伏板。一期電場與二期電場之間留有120 m的間距，西側和南側為綠洲，距離綠洲約3 km，東側和北側為沙漠（圖1）。光伏電場周圍沙丘高1.5～3.0 m，主要生長植物有白刺（Nitraria tangutorum）、沙 蒿（Artemisia arenaria）、沙 米（Agriophyllumsquarrosum）、蘆 葦（Phragmites communis）、冰草（Agropyron cristatum）等，植被總蓋度8%～10%。

1.2 觀測方法

觀測儀器采用長春氣象研究所的CYA（希邁氣象）系列。光伏電場內和光伏電場外觀測儀器和觀測高度設置相同，電場內測點設置在一期電場的大體中心空曠位置，儀器東、南、西、北距離光伏板分別為8、10、9和16 m；電場外1號測點位于光伏電場西300 m處，電場外2號測點位于光伏電場西約1 000 m處。當地主風向為西北風（north and west，NW），場外測點1和場外測點2位于光伏電場上風向（圖1）。氣溫、風速的觀測高度分為10和2 m兩層，太陽總輻射、氣壓和空氣濕度等的觀測高度為2 m。

于2018年4月16日在光伏電場內測點和電場外1號測點安置觀測設備。由于只有2套觀測設備，因此，2019年4月24日又將電場外1號測點的儀器移至電場外2號測點位置（圖1）。

圖1 古浪振發(fā)光伏電場位置Fig.1 Location of Gulang Zhenfa photovoltaic electric field

1.3 測定指標與分析方法

各觀測設備每分鐘自動觀測記錄一次數據，其中2018年4月17日開始觀測，當月觀測數據20 160組，2019年2月份觀測數據40 320組，其他各月觀測數據為43 200（30 d）組和44 640（31 d)組。

光伏轉換太陽輻射計算公式如下。

式中，V為空氣的體積，m3；E為月發(fā)電量，kW·h；3 600表示由kW·h折算為kJ的換算系數；c為空氣的比熱容，kJ·kg?1·℃?1；ρ為空氣密度，kg·m?3；t為空氣溫度降低值，℃；d為當月日數。

光伏發(fā)電量由振發(fā)沙漠光伏電場提供，由于觀測開始于2018年4月17日，所以有關氣象數據分析運用5月份及其以后數據。

1.4 數據分析

采用SPSS17.0進行數據分析，差異顯著性檢驗采用配對樣本的T檢驗。

2 結果與分析

2.1 光伏發(fā)電量及其季節(jié)分布

從2018年4月至2019年10月，古浪振發(fā)一期和二期光伏電場累計發(fā)電量33 980.55×104kW·h，其中一期電場發(fā)電11 047.61×104kW·h，二期電場發(fā)電22 932.94×104kW·h。一期光伏電場占地面積 124.80×104m2，二期光伏電場占地面積248.16×104m2。從2018年5月到2019年4月一期電 場 發(fā) 電 6 953.86×104kW·h，二 期 電 場 發(fā) 電13 993.80×104kW·h，按平均面積計算，一期電場年發(fā)電量為55.72 kW·h·m?2，二期電場年發(fā)電量為56.39 kW·h·m?2，即單位面積年發(fā)電量基本相等。

各月的發(fā)電量見圖2。由圖2可以看出，不論是一期光伏電場還是二期光伏電場，夏季光照強的季節(jié)發(fā)電量較高，冬季發(fā)電量略低于其他季節(jié)；一期和二期光伏電場各月發(fā)電量變化趨勢大體一致（r=0.91，P＜0.01），二期光伏電場占地面積是一期的2倍，發(fā)電量也是一期的約2倍。

圖2 光伏發(fā)電量Fig.2 Photovoltaic power generation

2.2 光伏電場內外主要氣象因子差異

2.2.1 氣溫差異 圖3結果顯示，2018年5月—2019年10月，光伏電場內2 m高度各月平均氣溫11.11℃，光伏電場外2 m高度各月平均氣溫10.99℃，配對樣本t檢驗結果表明，光伏電場內氣溫顯著高于光伏電場外（P＜0.01），各月平均高0.12℃。光伏電場內10 m高度各月平均氣溫11.27℃，光伏電場外10 m高度各月平均氣溫11.41℃，光伏電場內氣溫極顯著低于光伏電場外（P＜0.01），各月平均低0.13℃。

光伏電場內2 m高度月平均氣溫與光伏電場外內相同高度月平均氣溫差極顯著相關（r=?0.92，P＜0.01），光伏電場外2 m高度的月平均氣溫與光伏電場外內相同高度月平均氣溫差亦為極顯著相關（r=?0.91，P＜0.01）。冬季寒冷季節(jié)2 m高度氣溫光伏電場內低于光伏電場外，且氣溫越低該差值越明顯，而氣溫較高的5—9月份光伏電場內氣溫高于光伏場外，且氣溫越高該差值越明顯（圖3）。

光伏電場內10 m高度月平均氣溫與光伏電場外內相同高度月平均氣溫差極顯著相關（r=?0.95，P＜0.01），光伏電場外10 m高度的月平均氣溫與光伏電場外內相同高度月平均氣溫差亦為極顯著相關（r=?0.95，P＜0.01）。冬季寒冷季節(jié)10 m高度氣溫光伏電場內低于光伏電場外，且氣溫越低該差值越明顯。從10 m高度看，春季（2—5月份）光伏電場內降溫作用較明顯（圖3），而這個季節(jié)正是當地沙塵暴集中發(fā)生的季節(jié)。

圖3 2 m和10 m高度的氣溫Fig.3 Temperature at 2 m and 10 m height

鑒于以上分析中包括了兩個夏季，進一步對2018年5月—2019年4月數據分析可見，2 m高度光伏電場內、外月平均氣溫分別為8.07和8.02℃，差異不顯著。10 m高度光伏電場內、外月平均氣溫分別為8.40和8.57℃，差異極顯著（P＜0.01）。光伏電場內10 m高度月平均氣溫降低幅度是光伏電場內2 m高度和月平均氣溫升高幅度的3倍多。2 m高度光伏電場內和光伏電場外月平均氣溫均與外內氣溫差極顯著負相關（P＜0.01），10 m高度光伏電場內和光伏電場外月平均氣溫與外內氣溫差亦為極顯著負相關（P＜0.01）。

2.2.2 風速差異 2018年5月—2019年10月，2 m高度月平均風速光伏電場內顯著低于光伏電場外（P＜0.01），平均低0.70 m·s?1。10 m高度的月平均風速亦為光伏電場內顯著低于光伏電場外（P＜0.01），平均低0.30 m·s?1。光伏電場外內的風速差從2 m高度向10 m高度遞減（圖4）。剔除重復月份，2018年5月—2019年4月，2 m高度光伏電場外內差異及10 m高度光伏電場外內差異均為極顯著（P＜0.01）。

圖4 2 m和10 m高度的風速Fig.4 Wind speed at 2 m and 10 m height

每年春季2—5月份是河西走廊沙塵暴的高發(fā)季節(jié)，向前向后逐漸減少［2，24］。從圖4也可以看出，當地的大風也主要分布在這個季節(jié)。2019年春季2—5月，光伏電場外內10 m高度風速差異由平均值 0.30 m·s?1增大為 0.37 m·s?1，光伏電場外內2 m高度風速差異由平均值0.70 m·s?1增大為0.79 m·s?1。分析結果表明，光伏電場內、外2 m高度月平均風速均與光伏電場外內相同高度風速差極顯著正相關（P＜0.01），光伏電場外10 m高度月平均風速與光伏電場外內相同高度風速差極顯著正相關（P＜0.01），光伏電場內10 m高度月平均風速與光伏電場外內相同高度風速差為顯著正相關（P＜0.05）。

2.2.3 太陽輻射差異 從圖5可以看出，2018年5月—2019年10月，2 m高度總輻射夏季高、冬季低，光伏電場內外的季節(jié)性變化規(guī)律相一致，光伏電場內顯著高于光伏電場外（P＜0.01），光伏電場內外太陽總輻射均與外內差值極顯著負相關（P＜0.01）。光伏電場內外2 m高度反射輻射季節(jié)性變化規(guī)律亦相一致，亦為光伏電場內略高于光伏電場外，差異極顯著，且輻射越高，差值越大（P＜0.01）。光伏電場外內2 m高度總輻射之差與2 m高度反射輻射之差顯著正相關（r=0.565，P＜0.05）。10 m高反射輻射光伏電場內外變化規(guī) 律相一致，光伏電場內小于光伏電場外且電場內 外的差異亦為極顯著（P＜0.01），秋冬季較低，春末 夏初最高。10 m高度的反射輻射曝輻量光伏電 場內外變化規(guī)律亦相一致，光伏電場內低于光伏 電場外且差異極顯著（P＜0.01）。

圖5 2 m和10 m高度的太陽輻射Fig.5 Solar radiation at 2 m and 10 m height

剔除重復月份，2018年5月—2019年4月也與上述分布規(guī)律基本一致，即2 m高度年太陽總輻射光伏電場內、外分別為68 366.9和63 707.8 W·m?2，光伏電場內顯著高于光伏電場外（P＜0.01）。2 m高度年總輻射曝輻量光伏電場內、外分別是41 020.2×108J·m?2和38 224.7×108J·m?2，亦為光伏電場內顯著高于光伏電場外（P＜0.01），總輻射和總輻射曝輻量光伏電場外均為光伏電場內的93.19%。同期2 m高度反射輻射光伏電場外只為光伏電場內的73.21%，而10 m高度反射輻射光伏電場外卻為光伏電場內的127.39%。

由圖5可知，光伏電場內2 m高度總輻射和反射輻射高于光伏電場外，究其原因主要是由于光伏板的遮擋、鏡面反射等因素造成的。光伏電場內10 m高度反射輻射和反射輻射曝輻量低于光伏電場外的原因一方面是由于光伏電場內的光伏轉換了一定的太陽輻射；另一方面是由于10 m高度電場內光伏板的反射作用減小。

2.3 光伏電場對降低年氣溫的估算

2018年5 月—2019年4月，光伏電場內外2 m高平均氣溫分別均為8.07和8.02℃，同期光伏電場內外10 m高度月平均氣溫分別為8.40和8.57℃。8.00 ℃時的空氣密度為1.256 kg·m?3，9.00 ℃時的空氣密度為1.252 kg·m?3。如果氣溫按8.50 ℃計算，此時空氣密度為1.254 kg·m?3，空氣的比熱容為1.400 3 kJ·kg?1·℃?1。

甘肅古浪振發(fā)光伏電場2018年5月—2019年 4月的發(fā)電量為 20 947.66×104kW·h，月平均1 745.64×104kW·h，10 m高度氣溫光伏電場內較光伏電場外平均低0.17℃。分別按光伏發(fā)電降低氣溫0.2、0.3、0.5和1.0℃，由式（1）得的各月日平均降溫空氣體積見表1。由表1可見，2018年5月—2019年4月，平均每天的發(fā)電量轉換的太陽輻射相當于可將5.87 km3的空氣降低0.2℃，或者可將1.17 km3的空氣降低1.0℃。

表1 以發(fā)電量和不同降溫幅度折算的日降溫空氣體積Table 1 Daily cooling air volume converted by electricity generated and different cooling amplitude

3 討論

3.1 光伏電場上方會出現相對低溫區(qū)

光伏發(fā)電會使得電場上方出現1個相對低溫區(qū)，這個低溫區(qū)與周圍氣溫差異的大小除了與光伏轉換太陽輻射的多少有關外，還與當地的風速密切相關，風速越大，氣體交換越快。當地10 m高度的平均風速為3 m·s?1左右，2 m高的平均風速為2 m·s?1左右，光伏電場2 m高度以上氣體交換加快，上風向的熱空氣進入，電場上方冷空氣向下風向流動，因此，在光伏電場上方就會出現1個向下風向延伸的冷氣場，風速越大，冷氣場向下風向延伸就越遠。正因為如此，理論計算得到的光伏降溫幅度較大，而實際觀測到的上方10 m高度的降溫幅度較小。這也是光伏電場外內月平均氣溫差與月發(fā)電量負相關不顯著的重要原因之一。再者，目前光伏對太陽輻射的轉化率還很低，只有20%左右［25］，實際更低。

3.2 光伏電場2 m高度內氣體交換受阻

除冬季以外的其他季節(jié)，光伏電場內2 m高度的氣溫高于光伏電場外，這主要是由于光伏板遮擋、氣體交換受阻所致。氣流總是從溫度低（氣壓高）的地方向氣溫高（氣壓低）的地方流動的。冬季太陽輻射相對很小，氣溫均很低，2 m高度光伏電場內、外溫差小，風速也相對最小，光伏板的遮擋作用相對弱。而在其他季節(jié)風速較大，隨著風速增大，光伏板的遮擋作用增強，光伏電場內、外氣體交換嚴重受阻，光伏板對空氣對流的影響大于光伏降低氣溫的影響。當2 m高度氣溫超過7℃時，光伏電場內的氣溫高于光伏電場外。有學者指出，沙漠光伏電場白天會產生“光伏熱島效應”［21］，就是這個原因所致。

3.3 沙漠光伏電場10 m高度降溫明顯

沙漠光伏防沙治沙的生態(tài)功能主要是光伏可大量轉換沙漠地區(qū)的太陽輻射，平衡地表熱力。據測算，在民勤沙區(qū)，1 m2光伏板轉換的太陽輻射相當于該區(qū)260.75 m2荒漠植被轉換的太陽能［25］。本研究觀測結果表明，冬春季10 m高度光伏電場內氣溫明顯低于光伏電場外，而在冬季由于光伏板的遮擋和防風作用，2 m高度光伏電場內的氣溫略低于光伏電場外相同高度。理論測算結果表明，假如按不同降溫幅度計算，古浪振發(fā)光伏電場平均每天光伏轉換的太陽能相當于可將等同于光伏電場面積（3.664 km2）的1 063.9 m高的空氣立方體降溫0.2℃，或者可將等同于光伏電場面積、高641.6 m的空氣立方體降溫0.5℃，也相當于將6.415個光伏電場總面積、100 m高度內的空氣溫度降低0.5℃。公式（1）為氣溫與能量的換算公式，亦即消耗能量=空氣密度×空氣體積×氣溫變化量×比熱容。由于光伏發(fā)電量是按月統(tǒng)計的，因而計算日轉化量時公式（1）中增加了除數d。

3.4 沙漠光伏發(fā)電有利于消減沙塵暴發(fā)生、發(fā)展的動力

沙塵暴發(fā)生的原因是沙漠地區(qū)大面積沙面干燥、裸露，沙子的比熱容小，接收太陽輻射后會迅速增溫，因而沙漠地區(qū)氣溫升高。受熱的空氣體積增大，密度變小，向上運行，從而在沙漠地區(qū)形成高溫低壓區(qū)，與西伯利亞每天春季向四周擴散的高壓冷氣流形成明顯的氣壓梯度，氣壓梯度越大則風速越大，大風經過干燥裸露的沙面時將沙塵帶起，從而就形成了沙塵暴［24］，因而我國西北的大風沙塵暴分布在每年春季，河西走廊每年2—5月是沙塵暴的高發(fā)季節(jié)。裸露干燥的沙漠表面沙粒是沙塵暴和風沙流的物質源，大風是沙塵暴的動力源，而近地層空氣的熱力不均衡則是風的動力源，即沙塵暴和風沙流的動力源。沙漠光伏具有平衡地表熱力和消減沙塵暴發(fā)生動力的作用，李芬等［20］亦支持這一結論。我國沙漠、戈壁面積廣大，發(fā)展沙漠、戈壁光伏產業(yè)前景廣闊。沙漠、戈壁光伏產業(yè)可望成為繼造林治沙、沙障壓沙之后的第3條防沙治沙新途徑。

3.5 光伏電場內植被好于光伏電場外

一方面，光伏板具有沙障的防風固沙功能，光伏電場2 m高度內風速顯著減小，沙面的穩(wěn)定性增強；另一方面，由于沙面穩(wěn)定，加之光伏板的集雨作用，光伏板行間植被生長好于相同條件的光伏電場外［26］，光跟蹤旋轉式光伏沒有明顯的遮蔭區(qū)，電場內植被分布均勻，長勢更好。據常兆豐等［26］對古浪振發(fā)光伏電場、民勤華能光伏電場、張掖佳訊光伏電場及肅州區(qū)4家光伏電場的調查，光伏電場內的植株高度平均18.2 cm，較光伏電場外圍高6.4 cm；植物蓋度平均增加16.62%，較光伏電場外圍高9.6%；植被投影蓋度平均10.3%，較光伏電場外高7.0%；植物物種7.1種，較光伏電場外圍多3.6種。

3.6 觀測點位少是本研究的不足之處

前述已知，由于只有兩套觀測設備，場外2號測點的觀測數據是將場外1號測點的觀測儀器移到2號測點觀測的。比較2019年5—10月場內測點和場外2號測點的觀測值之差與2018年5—10月場內測點和場外1號測點的觀測值之差，場外1號測點移至場外2號測點后同期氣溫反而略有降低，這可能與2019當地同期氣溫偏低有關（光伏電場外10 m高度比同期氣溫低0.62℃），因此無法由此判斷光伏電場氣溫場的空間大小。當地的主風向為西北，場外1號測點和場外2號測點均在光伏電場的偏上風向。分析結果表明，光伏電場內2 m高度風向和10 m高度的風向差值與2 m高度風向極顯著負相關（P＜0.01），而與10 m高度的風向相關不顯著（P＞0.05）。由于觀測儀器受限，未能在光伏電場外東、南、西、北4個方向不同距離設置多個測點則是本項目的嚴重不足。