光伏治沙模式在防沙治沙可持续发展规划中的应用

方向杰

民勤县石羊河流域防沙治沙及生态恢复规划管理中心，甘肃民勤 733300

在全球变暖的大背景下，极端天气气候事件的变化对荒漠化和土地退化进程的影响加剧[1]。全球变暖已经导致撒哈拉沙漠的沙粒数与以前相比有很大的上升，并且撒哈拉沙漠的气温也在升高，沙化更加严重。沙漠化现象是全球环境与气候问题最直观的现象，对人类的生存环境造成了巨大威胁。土地沙化会缩减可以有效利用的国土面积，导致土地退化、土壤结构破坏、土壤养分流失。延缓全球变暖，使用光伏发电、水力发电、风力发电等清洁能源，减少温室气体的排放，同时对沙漠进行防沙治沙刻不容缓，这与人类与子孙后代的未来息息相关。

截至2020年底，民勤县电网总装机规模1 852.5 MW，已建成并网的风电项目8项，装机容量1 247.5 MW，入驻民勤县投资开发太阳能光伏发电项目的企业14家，已建成并网的太阳能光伏发电项目17项，装机容量605 MW。2020年12月底，已建成风、光电项目累计发电量约26.81亿kWh，分布式光伏电站0.19 MW，共5户，位于蔡旗、大滩等地。

根据《国家林业和草原局关于规范风电场项目建设使用林地的通知》(林资发〔2019〕17号)精神，民勤县用于发展风光电项目的土地面积共4 122 km2，总规划装机规模74 750 MW。其中，光伏发电规划装机规模13 830 MW，风力发电规划装机规模13 830 MW。将光伏发电与沙漠治理相结合，是我国目前建设生态文明的发展方向，但如何实现防沙治沙的可持续发展，仍需要在规划环节进行细致的研究与设计。

1 光伏治沙的概念

光伏治沙的主要途径是建设沙漠生态化光伏电站，其典型路径是在光伏电站的外围、边沿地带及站内采用沙障措施、生物措施和其他措施，如农业节水、封护等。通过机械固沙、化学固沙、植物固沙、建立阻沙栅栏、防沙林带林网等方式，建立综合防护系统。

光伏组件板遮蔽阳光直射，可有效减少地表水的蒸发，还能够有效减缓风速，改善植物的生存环境，为动植物提供屏障。光伏组件板可产生小面积径流，集中沙漠、戈壁地区稀少的降水，加深降水入渗深度。同时，沙漠光伏电站从设备选型、工程设计建设等方面，可与风沙防治优化结合。例如：采用适应地形能力更强、结构稳定性更好、布置更灵活、运维工作量小的固定式支架，并将光伏支架相互错开，可以起到滞风的效果。

2 光伏治沙模式可持续发展的可行性

2.1 光伏治沙模式对风沙的影响

频繁的沙尘暴和水土流失是沙漠化最直接的危害，风沙胁迫会影响植物的光合作用过程，降低植物气孔导度，提高蒸腾速率，限制光合产物的合成和积累。风和风沙流不仅会对植物个体的生理状况造成危害，还会对干旱、半干旱地区植被的生态功能造成影响，使植被环境生态退化，增加荒漠化、沙漠化风险[2]。

光伏电站具有良好的防风固沙功能。研究表明，光伏电站外围和行道间风速会随着高度的增加而增大，其风速变化趋势呈“J”形，当高度达到40～100 cm时，风速波动变化尤为显著。同时，光伏阵列内部风速均低于外部旷野风速，对过境气流风速的减弱系数为17.14%～32.12%。

从风速流场变化过程来看，光伏阵列在下沿出风口高度20～80 cm处产生气流涡旋，增强了对板下沙粒的搬运能力，随着气流深入光伏电站腹地，能量呈梯级衰减，在行道间产生堆积现象，输沙率随高度的升高呈递减趋势，服从对数函数分布[3]。

民勤县属温带大陆性干旱气候区，降水稀少、光照充足、昼夜温差大。平均日照时间为3 149.1 h，年均太阳辐射总量为5 570～6613 MJ/m2。

全县可用于太阳能光伏发电面积1 244 km2，规划装机规模60 920 MW(已建成600 MW，剩余可开发规模60 320 MW)。其中，红沙岗光伏发电规划区占地91 km2，规划装机规模4 550 MW(已建成600 MW)；红沙岗南部风光互补发电规划区占地204 km²，规划装机规模10 200 MW；窑街农场光伏发电规划区占地81 km2，规划装机规模4 050 MW；红崖山光伏发电规划区占地59 km2，规划装机规模2 950 MW；三渠柴湾、夹河、东湖、收成、南湖、青山以北甘蒙省界等沙漠光伏发电规划区占地809 km2，规划装机规模39 170 MW。

2.2 光伏治沙模式对植物的影响

首先，沙漠区域生态脆弱，当地气候条件严峻，干旱少雨，加大了水分涵养难度和植被成活难度。高温天气会加剧沙尘暴灾害，造成风蚀土壤，进而导致植被破坏。这种极其脆弱的生态环境会造成恶性循环，在连锁反应下会使生态修复的难度增大。

其次，沙漠光伏可以降低地表温度，原理是光伏板将当地的太阳辐射转变为电能，从而调节地表热力平衡。数据显示，在民勤沙区，1 m2光伏板转换的太阳辐射相当于该区260.75 m2荒漠植被转换的太阳能。沙漠光伏对春季10 m高度造成的热力平衡效应，使其电场内气温明显低于光伏电场外的气温[4]。

最后，光伏电站对风沙的阻滞作用使得风速降低，稳固了植物的生长环境；热力平衡效应与光伏板的遮阴作用减少了水分蒸发和灌溉需求，进一步为植被存活提供了良好的条件。

2.3 光伏治沙模式对经济效益的影响

光伏发电建设过程中对交通、材料、设备、电气、运输等方面的需求必将带动该地区的原材料制造、化工、建材、电力配套等工业的发展。而随着工业的发展和交通条件的延伸改善，又将带动相关地区的城镇化建设以及商业、金融、旅游业的发展，促进第三产业的快速发展。

能源产业链的不断完善为地方经济发展开辟了新的增长点，推动了地方经济的健康发展。从增加地方政府的财税收入来看，“十四五”规划的能源项目在建设、运营期间每年能够直接为当地政府贡献大量的税收，包括增值税、教育费附加、印花税、企业所得税、个人所得税、资源税(费)等。通过带动建筑、建材、发电设备等相关行业的发展，将间接推动地方政府税收收入的增长。

通过增加地方财税收入，有利于提高地方政府的财政支出能力，进而强化政府利用财政资金加大对能源项目和产业的投入力度，完善能源项目和产业发展政策，反哺能源项目和产业健康、有序发展。

从缓解地区就业压力来看，此规划实施能够直接带动当地就业，能源项目实施将对建筑、建材、机械设备、多晶硅电池等产生大量需求，因此，项目实施将间接带动地区大量就业。综合来看，新能源项目有助于政府缓解地区就业压力，将促进当地发展、带来新知识与新信息等，对带动当地就业总量增加和就业结构变化产生积极作用。

3 光伏治沙模式的现状

3.1 光伏电站运用维护问题

民勤县风能、太阳能等新能源资源丰富，开发建设条件较好，但目前建成容量较小。因消纳能力有限，民勤县无法消纳大规模并网新能源电量，主要以小规模、分区块开发为主，造成光伏发电成本价格上涨。加之土地征收费用升高以及草原植被恢复费的征收等，使得光伏建设成本不断增加，盈利空间进一步缩小，投资回报周期变长，制约了新能源大规模、快速发展。随着光电项目逐年开发，与能源产业发展相适应的电网建设相对滞后，弃光现象仍然存在。民勤县电网相对薄弱，且远离甘肃省负荷中心，在各电站挤占上网空间，导致弃风、弃光现象十分严重。

3.2 电力消纳问题

光伏发电具有随机性、波动性、阶段性供电等特点，功率不高，日间光照弱时发电量较少；受季节影响，发电量会产生波动。此外，我国沙漠地区多数分布于西部北部地区，当地很难消纳光伏治沙项目所发电力，需要依托在运、在建外送通道，送出依赖成本高昂的特高压工程。特高压技术输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少。但受制于成本、产业分布、工业用户负荷等因素，规模化应用仍需时间，消纳比例和经济效益无法在短期内得到提升。

4 光伏治沙模式的应用路径

4.1 利用沙漠光伏优化产业结构

光伏电站可以拉动当地经济增长，通过综合利用可以增强光伏发电的经济性，减少沙漠光伏电站运维成本，为当地居民创造就业岗位，实现防风治沙。

光伏板对植被的正面影响使得“在光伏板下种植物”成为可能。而光伏电站产业与当地种植业或畜牧业相结合，当地的农民、牧民和养殖户不仅能够得到项目外溢的经济红利，还能改善生活条件。若是种植食用作物，可以作为光伏电站运维员工的自用食物，也可以作为菜品成为当地居民的食品；若是种植经济作物，无论是作为原材料发展第二产业或直接进入市场成为供应商都是不错的选择；若是种植牧草，也可以发展当地的畜牧业。同时，当地的农民、牧民和养殖户也可以作为运维人员对光伏板进行维护，清理光伏板的水还可以作为灌溉水，提高水资源利用率，实现可持续发展。

光伏治沙模式发展出的草原生态和畜牧业，可以极大丰富和维护当地的旅游资源，为当地旅游产业的发展提供保障。数据显示，内蒙古2021年光伏建设规模在10万kW左右，装机规模创历史之最。内蒙古光伏发电项目建设已经形成以光伏沙漠治理为主的生态修复发展模式，其中，达拉特旗提出“沙漠+生态治理、旅游、光伏、农业，打造沙漠经济先导区”的发展战略，采用“林光互补”建设模式。

目前，该旗沙漠景区年均接待游客234.5万人次，农牧民人均收入的31%来自林沙产业。当地农牧民正成为光伏治沙的受益者，电站检修运维、光伏板清洗、站内绿化养护等成为新的工作选择。

4.2 光伏治沙与氢产业的联合应用

氢能是一种极为优越的二次能源，燃烧热值高，氢气可以由水制取，燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。若大力发展氢能，将实现自然物质的循环利用。而作为我国正大力发展的绿色清洁能源，光伏发电与氢能产业格外契合。光伏具有随机性、波动性、阶段性供电等特点，利用氢能技术进行储能，可以解决电网调度的难题。利用光伏发电站放出的电力，运用电解技术得到氢气，再将氢气存储于高效储氢装置，将氢能作为二次能源，然后利用燃料电池技术，将这些存储的能量回馈电网或直接送入氢产业链进行利用。

当前，国家相继出台了有关政策规划，鼓励光伏治沙、规模化制作绿氢并加以应用，相关示范项目也在规划建设中。“十四五”期间，亿利洁能联合国家电力投资集团所属企业，将在内蒙古库布齐沙漠亿利生态示范区打造库布其光氢治沙零碳产业示范园，着力构建“光伏治沙+沙漠氢田+绿氢化工”绿色循环产业链新示范[5]。

4.3 加强政策激励

地方政府要充分发挥政策及财政资金的导向激励功能，完善相关产业政策，建立统一的标准体系。通过推动设立政府投资基金、绿色企业补贴、引导基金等方式，引导社会资源向技术创新聚拢，支持光伏治沙及相关产业链延伸技术的研发、示范应用。通过引导并参与研究新型沙漠综合治理技术，开发新型光伏系统，促进技术创新。

此外，地方政府要以产业为中心，充分利用市场机制，推动科研成果转化与落地。探索光伏治沙延伸的商业模式，并将其加以复制推广；积极引入绿色金融融资渠道为商业模式提供支撑，发展以光伏电站为核心的绿色经济产业链，调整产业结构转向绿色经济、生态经济[6]。

4.4 优先选址综合效益高的地区

光伏治沙模式的可持续发展重点在于光伏电站的选址、是否能够实现各方面效益，以及能否推平光伏电站建设与运维所投入的成本。因此，光伏治沙模式下光伏电站的选址在规划期就需要综合考虑各方面因素，达成生态效益、经济效益与投入成本的平衡。有学者构建了光伏治沙项目选址的决策指标体系，包括资源因素、经济因素、环境因素和社会因素4个准则[7]。

从资源因素来看，要考虑当地年太阳辐射量是否能够给光伏设备带来足够的电能输出效益；当地年平均温度和年平均相对湿度是否有利于光伏设备的光电转换和延长设备使用寿命。

从经济因素来看，要考虑项目投入成本、运用管理费用、设备更新维护费用、项目收益与资金回流的时间等。

从环境因素来看，要考虑光伏发电给当地带来的温室气体减排效益，还有该项目的建设与运营对当地生态环境和生物多样性造成的正面或负面的影响。

从社会因素来看，要考虑当地居民对该项目的认可程度；该项目对当地投资与就业等方面的经济效益；光伏电站对当地产业发展是否有促进作用。

5 结束语

光伏治沙模式在沙漠地区防沙治沙的生态功能十分显著，要想实现可持续发展，还需要考虑沙漠地区的特性、光伏产业的产业链、光伏板本身的作用及其对环境的影响等因素，最大限度地运用光伏发电站项目实现对沙漠环境的保护。从宏观来看，光伏产业是一个朝阳产业，是可再生能源的重要分支；防沙治沙是一个重要课题，也是环境保护的一部分。两者互相融合，可以为光伏产业发展、区域环境保护、地区产业结构调整、当地居民的增收致富和人类可持续发展提供重要支撑，具有积极的生态效益和社会效益。