光伏治沙方案探討

買發(fā)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(qū)建設(shè)光伏電站能夠削弱風(fēng)速，起到有效防風(fēng)固沙作用，阻止沙塵的飛揚(yáng)和沙丘的移動(dòng)，防止水土流失；光伏陣列能對(duì)地表起到遮陰作用，有效降低其水分蒸發(fā)，有助于沙土中水分積累。將光伏發(fā)電和多種治沙方式有機(jī)結(jié)合，既能達(dá)到治沙防沙、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的效果，又能實(shí)現(xiàn)荒漠治理與林業(yè)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的發(fā)展[1]。本文針對(duì)沙漠化土地推出光伏發(fā)電和沙漠治理(即光伏治沙)、節(jié)水農(nóng)業(yè)相結(jié)合的生態(tài)治理解決方案，該方案涉及沙障光伏治沙技術(shù)、造林光伏治沙技術(shù)、種草光伏治沙技術(shù)及光伏滴灌技術(shù)。

1 光伏治沙總體策略

采用光伏治沙方案時(shí)，可在光伏電站圍欄外圍設(shè)置鎖邊防護(hù)林，根據(jù)風(fēng)力大小將主風(fēng)向和次風(fēng)向防護(hù)林進(jìn)行差異化設(shè)置，并作為一級(jí)防護(hù)；在光伏電站場區(qū)內(nèi)主干道路兩側(cè)設(shè)置防護(hù)綠化帶，在檢修道路兩側(cè)種植沙生植物或灌木，樹種橫縱向交錯(cuò)種植，并作為二級(jí)防護(hù)；在光伏陣列下方及前后排光伏陣列間設(shè)置沙障并種植沙生植物或灌木，以此作為三級(jí)防護(hù)。進(jìn)行一級(jí)、二級(jí)防護(hù)時(shí)，通過種植抗風(fēng)性能強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的樹木，能起到降低風(fēng)速、阻擋風(fēng)沙的作用；進(jìn)行三級(jí)防護(hù)時(shí)，通過在沙障內(nèi)種植沙生植物或灌木，可阻止沙漠化土地?cái)U(kuò)張，改善土地質(zhì)量，起到防風(fēng)固沙、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡的作用。

現(xiàn)有的與農(nóng)業(yè)結(jié)合的光伏治沙項(xiàng)目大多僅考慮到光伏發(fā)電的價(jià)值，而對(duì)治沙時(shí)種植的農(nóng)作物的需求缺乏考量，造成農(nóng)作物光照不充足、植被恢復(fù)不徹底、治沙效果不明顯等問題。當(dāng)農(nóng)作物種植于光伏陣列下方時(shí)，應(yīng)從光伏電站運(yùn)維和農(nóng)作物生長需求的角度出發(fā)，兼顧考慮農(nóng)作物種植對(duì)電氣安全的影響。因此，在進(jìn)行此類項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(yù)留大間距的南北向種植廊道，設(shè)置的光伏組件離地高度高于傳統(tǒng)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(shè)方案，為土地高效翻耕創(chuàng)造空間。通過以上創(chuàng)新型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠最大化提升農(nóng)作物的受光需求，使光伏治沙與農(nóng)業(yè)結(jié)合達(dá)到更好的效果[2]。

2 沙障光伏治沙技術(shù)

2.1 沙障鋪設(shè)要求

沙障設(shè)置在光伏陣列下方光伏支架的兩排立柱迎風(fēng)側(cè)，沿著光伏陣列橫向布置，并在沙障內(nèi)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(shè)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(shè)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(dòng)沙丘上，從而通過改變下墊面的性質(zhì)，增加地表粗糙度，阻滯近地面層的風(fēng)速，減弱風(fēng)蝕，以達(dá)到防風(fēng)固沙的目的。根據(jù)沙地現(xiàn)場實(shí)測，風(fēng)主要在距地表10 cm內(nèi)搬運(yùn)沙粒，超過這個(gè)高度，輸沙很少。設(shè)置沙障時(shí)，應(yīng)使沙障與當(dāng)?shù)氐闹黠L(fēng)向垂直，沙障的高度、大小和形狀可根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?、風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)沙活動(dòng)方式和活動(dòng)強(qiáng)度等進(jìn)行合理選擇，通過機(jī)械作用阻止流沙隨風(fēng)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F(xiàn)ig. 2 Photo of grass checkerboard sand barrier

圖3 塑料方格沙障的照片F(xiàn)ig. 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(shè)置立式沙障，通過立式沙障的孔隙降低風(fēng)沙流的流動(dòng)速度；此外，立式沙障還可以起到阻風(fēng)作用，經(jīng)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(fēng)沙入侵。根據(jù)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F(xiàn)ig. 4 Photo of low vertical sand barrier

圖5 高立式沙障的照片F(xiàn)ig. 5 Photo of high vertical sand barrier

2.4 特殊工藝沙障光伏治沙

利用化學(xué)材料與工藝，對(duì)易產(chǎn)生沙害的沙丘或沙質(zhì)地表建造能夠防止風(fēng)力吹揚(yáng)又具有保持水分和改良沙地性質(zhì)的固結(jié)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(shè)此類特殊工藝沙障，用于改善沙地土質(zhì)。對(duì)于風(fēng)沙嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)選擇透氣效果好的化學(xué)材料，有助于沙障內(nèi)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F(xiàn)ig. 6 Photos of special process sand barrier

3 造林光伏治沙技術(shù)

通過造林方式治理沙地能夠有效阻擋流沙侵襲或減輕風(fēng)沙危害，保護(hù)光伏設(shè)施及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的不同地貌特征，采取分區(qū)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(yōu)選等級(jí)優(yōu)良的苗木，種植后定期進(jìn)行澆水灌溉，植物的枝葉生長茂密后能夠加速土壤密實(shí)，促進(jìn)地表形成“結(jié)皮”，增強(qiáng)土壤的抗風(fēng)蝕能力，起到阻沙固沙的作用。

3.1 整地

流動(dòng)沙地治理區(qū)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(duì)高度不超過3 m，無明顯沙丘和大坑即可，以便于建設(shè)立式沙障或草方格沙障及栽植防風(fēng)固沙植被，形成環(huán)狀防護(hù)體系。對(duì)于在光伏電站外圍、道路兩側(cè)種植防護(hù)林的區(qū)域，以及在光伏陣列下方、前后排光伏陣列間種植防風(fēng)固沙植被的區(qū)域，宜采用分區(qū)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(gè)區(qū)域。在春季時(shí)，造林與整地可同時(shí)進(jìn)行。

3.2 樹種的選擇

依據(jù)沙地的生態(tài)環(huán)境特征，選擇可適應(yīng)干旱氣候的抗風(fēng)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(xiāng)土樹種為主，灌木為主、喬草結(jié)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(qiáng)[4]。

3.3 造林時(shí)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(fā)芽之前完成種植。根據(jù)光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的地形地貌特征、土壤含水量情況等綜合評(píng)估，造林密度不宜過大。

3.4 灌溉與施肥

造林時(shí)要及時(shí)進(jìn)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(gè)月中堅(jiān)持每個(gè)月灌溉1次，其他月份根據(jù)苗木生長情況進(jìn)行灌溉。部分地區(qū)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(shù)

直播方式分為撒播、條播、穴播3種。在沙區(qū)治沙過程中，草種采用直播方式時(shí)，正確選取草種是成功的關(guān)鍵。草種選取不當(dāng)，治沙成效低，不僅會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，更延誤了沙區(qū)的植被建造。直播草種的選取，既要符合經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(xué)特性與播種區(qū)域的立地條件相適應(yīng)。直播草種宜選擇抗風(fēng)蝕、耐沙埋、遇水易發(fā)芽、生根快、抗逆性強(qiáng)、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(nèi)進(jìn)行播種，可以避免因沙丘被大風(fēng)吹動(dòng)而帶走種子的情況。若在光伏陣列區(qū)種植牧草、中草藥時(shí)，需依據(jù)地貌特征，在流動(dòng)沙地區(qū)域采取立式沙障，沙障設(shè)置在光伏陣列下方光伏支架的兩排立柱迎風(fēng)側(cè)，沿著光伏陣列橫向布置[5]。

4.1 整地

在種子播種前，應(yīng)采用人工或機(jī)械全面整地。為了避免沙地水分流失，應(yīng)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(nóng)家肥的標(biāo)準(zhǔn)施肥。

4.2 播種

播種草種的最佳時(shí)間應(yīng)在6月中旬前，播種前先澆地，采用機(jī)械直播或人工條播的方式均可，用耬播種時(shí)播深約為2 cm，播種后耱地鎮(zhèn)壓。草籽播種前，對(duì)于種皮較厚的種子，必須進(jìn)行浸種處理；對(duì)于種殼堅(jiān)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(qiáng)培育管理，適時(shí)澆水。幼苗期，若生長緩慢，須進(jìn)行除草和松土，加強(qiáng)管護(hù)，根據(jù)生長情況適時(shí)澆水。第2年時(shí)應(yīng)對(duì)大塊的缺苗區(qū)域及時(shí)補(bǔ)播。

5 光伏滴灌技術(shù)

光伏滴灌技術(shù)是將光伏水泵與精細(xì)化的滴灌技術(shù)相結(jié)合，精細(xì)化的滴灌設(shè)施能夠?yàn)楣夥嚵邢路郊扒昂笈殴夥嚵虚g的農(nóng)作物提供足夠的水分，加快農(nóng)作物生長，改良土壤，形成生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，既能增加農(nóng)作物收益，又能為改善荒漠、加快沙漠土壤化提供可持續(xù)的發(fā)展動(dòng)力。

在每一排光伏陣列下方及前后排光伏陣列間鋪設(shè)滴灌設(shè)施，分區(qū)域打井并設(shè)置光伏水泵，通過光伏組件發(fā)電帶動(dòng)水泵及滴灌設(shè)施運(yùn)作，為場區(qū)種植的農(nóng)作物灌溉；同時(shí)在每個(gè)光伏方陣設(shè)置土壤水分監(jiān)測傳感器，通過匯流箱及箱變測控接口將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至光伏電站后臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度，確保種植農(nóng)作物的存活率，節(jié)約水資源。

6 光伏治沙優(yōu)勢分析

光伏治沙是一種將光伏發(fā)電與沙地治理相結(jié)合的復(fù)合型模式，該模式在不改變土地性質(zhì)和用途的前提下高效利用土地資源，并科學(xué)利用沙漠化地區(qū)豐富的太陽能資源，達(dá)到了“1+1＞2”的效果。本文從沙地治理的視角創(chuàng)新性開展與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與沙地治理雙重效益，成功助力能源低碳轉(zhuǎn)型[6]。

光伏電站建成后，在防風(fēng)固沙的同時(shí)還能對(duì)沙面形成有效遮蔭，減少地表水分蒸發(fā)，有助于沙土中水分積累，清洗光伏組件的水也有助于促進(jìn)植被生長，為光伏陣列下方及前后排光伏陣列間的矮化經(jīng)濟(jì)林帶或農(nóng)作物提供足夠水分，在節(jié)省水源的同時(shí)可加快植物生長，形成生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。根據(jù)調(diào)查及研究結(jié)果，光伏組件的遮陰效果能使土壤水分蒸發(fā)量減少25%～35%[7]。

7 結(jié)論

本文針對(duì)沙漠化土地推出光伏發(fā)電和沙漠治理(即光伏治沙)、節(jié)水農(nóng)業(yè)相結(jié)合的生態(tài)治理解決方案，通過在光伏電站外圍設(shè)置防護(hù)林、道路側(cè)設(shè)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(gòu)成多級(jí)別防護(hù)，開啟了光伏發(fā)電與沙地治沙相結(jié)合的創(chuàng)新性生態(tài)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(shí)現(xiàn)了以光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)驅(qū)動(dòng)生態(tài)治理，促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)與生態(tài)治理的融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏的局面。