方向杰
民勤縣石羊河流域防沙治沙及生態(tài)恢復規(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,導致土地退化、土壤結構破壞、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。
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、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)和草原局關于規(guī)范風電場項目建設使用林地的通知》(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)電與沙漠治理相結合,是我國目前建設生態(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計。
光伏治沙的主要途徑是建設沙漠生態(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,沙漠光伏電站從設備選型、工程設計建設等方面,可與風沙防治優(yōu)化結合。例如:采用適應地形能力更強、結構穩(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,可以起到滯風的效果。
頻繁的沙塵暴和水土流失是沙漠化最直接的危害,風沙脅迫會影響植物的光合作用過程,降低植物氣孔導度,提高蒸騰速率,限制光合產(chǎn)物的合成和積累。風和風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、沙漠化風險[2]。
光伏電站具有良好的防風固沙功能。研究表明,光伏電站外圍和行道間風速會隨著高度的增加而增大,其風速變化趨勢呈“J”形,當高度達到40~100 cm時,風速波動變化尤為顯著。同時,光伏陣列內(nèi)部風速均低于外部曠野風速,對過境氣流風速的減弱系數(shù)為17.14%~32.12%。
從風速流場變化過程來看,光伏陣列在下沿出風口高度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。
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害,造成風蝕土壤,進而導致植被破壞。這種極其脆弱的生態(tài)環(huán)境會造成惡性循環(huán),在連鎖反應下會使生態(tài)修復的難度增大。
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。沙漠光伏對春季10 m高度造成的熱力平衡效應,使其電場內(nèi)氣溫明顯低于光伏電場外的氣溫[4]。
最后,光伏電站對風沙的阻滯作用使得風速降低,穩(wěn)固了植物的生長環(huán)境;熱力平衡效應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。
光伏發(fā)電建設過程中對交通、材料、設備、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,又將帶動相關地區(qū)的城鎮(zhèn)化建設以及商業(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、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)電設備等相關行業(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)結構變化產(chǎn)生積極作用。
民勤縣風能、太陽能等新能源資源豐富,開發(fā)建設條件較好,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費的征收等,使得光伏建設成本不斷增加,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)展相適應的電網(wǎng)建設相對滯后,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,導致棄風、棄光現(xiàn)象十分嚴重。
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)?;瘧萌孕钑r間,消納比例和經(jīng)濟效益無法在短期內(nèi)得到提升。
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?;若是種植經(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)電項目建設已經(jīng)形成以光伏沙漠治理為主的生態(tài)修復發(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)濟先導區(qū)”的發(fā)展戰(zhàn)略,采用“林光互補”建設模式。
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。
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,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政策規(guī)劃,鼓勵光伏治沙、規(guī)?;谱骶G氫并加以應用,相關示范項目也在規(guī)劃建設中。“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]。
地方政府要充分發(fā)揮政策及財政資金的導向激勵功能,完善相關產(chǎn)業(yè)政策,建立統(tǒng)一的標準體系。通過推動設立政府投資基金、綠色企業(yè)補貼、引導基金等方式,引導社會資源向技術創(chuàng)新聚攏,支持光伏治沙及相關產(chǎn)業(yè)鏈延伸技術的研發(fā)、示范應用。通過引導并參與研究新型沙漠綜合治理技術,開發(fā)新型光伏系統(tǒng),促進技術創(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,推動科研成果轉化與落地。探索光伏治沙延伸的商業(yè)模式,并將其加以復制推廣;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)結構轉向綠色經(jīng)濟、生態(tài)經(jīng)濟[6]。
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。有學者構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備的光電轉換和延長設備使用壽命。
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。
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)結構調(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。