沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)光基地
建設(shè)重點(diǎn)問(wèn)題研究
梁雙 王涉 謝千
摘要：為貫徹落實(shí)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略，我國(guó)加快推進(jìn)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)光基地建設(shè)。本文結(jié)合前期探索實(shí)踐，從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)等方面總結(jié)了沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)光基地建設(shè)取得的“三重收益”，從環(huán)保、消納、安全、經(jīng)濟(jì)等方面分析了需要重點(diǎn)關(guān)注的“七個(gè)問(wèn)題”，從基地建設(shè)、新能源發(fā)展、系統(tǒng)運(yùn)行等角度提出了“六個(gè)變革”的發(fā)展建議，推動(dòng)提升綜合效益，構(gòu)建新型能源體系。
一、引言
為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，大力發(fā)展可再生能源，我國(guó)加快推進(jìn)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)光基地建設(shè)。習(xí)近平總書(shū)記指出，要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。
《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》進(jìn)一步明確，加快推進(jìn)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電太陽(yáng)能發(fā)電基地。以風(fēng)光資源為依托、以區(qū)域電網(wǎng)為支撐、以輸電通道為牽引、以高效消納為目標(biāo)，統(tǒng)籌優(yōu)化風(fēng)電光伏布局和支撐調(diào)節(jié)電源，在內(nèi)蒙古、青海、甘肅等西部北部沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)，加快建設(shè)一批生態(tài)友好、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越、體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)家意志的大型風(fēng)電光伏基地項(xiàng)目。目前，第一批1億千瓦項(xiàng)目已陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，第二批約4.55億千瓦項(xiàng)目正在研究論證。
沙漠、戈壁、荒漠由“生態(tài)負(fù)資產(chǎn)”轉(zhuǎn)化為“綠電熱土地”，是我國(guó)推動(dòng)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的有效途徑，更是保障能源安全供給的重大舉措，同時(shí)也面臨著環(huán)保、消納、安全和經(jīng)濟(jì)等多重挑戰(zhàn)，應(yīng)統(tǒng)籌謀劃，以全方位深層次變革推動(dòng)構(gòu)建新型能源體系。
二、探索實(shí)踐已取得“三重效益”
我國(guó)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)面積廣闊，占國(guó)土面積的27%左右，風(fēng)能太陽(yáng)能資源豐富，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量占全國(guó)60%以上，開(kāi)發(fā)潛力巨大。自2008年探索在沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)風(fēng)光項(xiàng)目以來(lái)，已陸續(xù)建成甘肅酒泉、青海塔拉灘、內(nèi)蒙庫(kù)布齊等多個(gè)基地，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。
(一）經(jīng)濟(jì)效益
沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)風(fēng)光資源豐富，單位千瓦風(fēng)電年發(fā)電量約2000~2500千瓦時(shí)，單位千瓦光伏年發(fā)電量約1000~1500千瓦時(shí)，并網(wǎng)消納后可獲得穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)收益，將西部地區(qū)的風(fēng)光和土地資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
以全國(guó)首個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地甘肅酒泉為例，可用于開(kāi)發(fā)風(fēng)光發(fā)電的戈壁荒灘面積約14550萬(wàn)畝，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量超過(guò)4000萬(wàn)千瓦。截至2021年底，總裝機(jī)超過(guò)1200萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量超過(guò)260億千瓦時(shí)，每年可獲得發(fā)電收益超過(guò)80億元。又如我國(guó)最大的光伏發(fā)電基地青海塔拉灘生態(tài)光伏園，總裝機(jī)量超過(guò)900萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量超過(guò)90億千瓦時(shí)，每年可獲得發(fā)電收益超過(guò)20億元。
(二）生態(tài)效益
光伏組件面積大，可有效降低地面日照輻射、水分蒸發(fā)和地表風(fēng)速，起到保土固沙作用。光伏板的定期清洗可灌溉板下的土地，促進(jìn)植被的生長(zhǎng)和恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)“板上發(fā)電、板下種植、板間養(yǎng)殖、生態(tài)修復(fù)”的立體發(fā)展模式。
農(nóng)光互補(bǔ)、牧光互補(bǔ)和光伏治沙是因地制宜實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益的3種典型方式。以寧夏銀川寶豐農(nóng)光一體光伏電站為例，采用“板上發(fā)電，板下種枸杞”的新型綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，使銀川黃河?xùn)|岸16萬(wàn)畝荒漠化土地?zé)òl(fā)生機(jī)。青海塔拉灘光伏電站作為牧光互補(bǔ)電站，實(shí)現(xiàn)“板上發(fā)電、板間牧羊”，養(yǎng)殖牛羊22000余只，修復(fù)原有半荒漠化草地91萬(wàn)畝。內(nèi)蒙古庫(kù)布齊200萬(wàn)千瓦光伏治沙項(xiàng)目，采用“板上發(fā)電、板下種植、板間養(yǎng)殖、治沙改土、產(chǎn)業(yè)扶貧”模式，修復(fù)整治荒沙2.2萬(wàn)畝。
(三）社會(huì)效益
通過(guò)風(fēng)光發(fā)電和生態(tài)修復(fù)可以發(fā)展種植業(yè)、畜牧業(yè)和特色旅游，促進(jìn)西部產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供就業(yè)崗位，助力鄉(xiāng)村振興。同時(shí)，綠色清潔電力為中東部經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供支撐，推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型。
以甘肅酒泉風(fēng)電基地為例，通過(guò)酒泉-湖南特高壓直流輸電工程向華中地區(qū)送電，通道設(shè)計(jì)輸送能力800萬(wàn)千瓦，配套風(fēng)電700萬(wàn)千瓦、光伏280萬(wàn)千瓦，年輸送清潔電量69.39億千瓦時(shí)，年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤208萬(wàn)噸，減少華中地區(qū)二氧化碳排放578萬(wàn)噸、二氧化硫排放3萬(wàn)噸、氮氧化物排放1.34萬(wàn)噸。
三、研究論證需關(guān)注的“七個(gè)問(wèn)題”
根據(jù)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)光基地開(kāi)發(fā)布局規(guī)劃，擬以庫(kù)布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠為重點(diǎn)，以其他沙漠和戈壁地區(qū)為補(bǔ)充，綜合考慮采煤沉陷區(qū)，規(guī)劃建設(shè)總規(guī)模約4.55億千瓦的風(fēng)光基地。為提高發(fā)展質(zhì)量和綜合效益，避免重蹈大面積棄風(fēng)棄光覆轍，建議重點(diǎn)關(guān)注以下七個(gè)問(wèn)題：
(一）生態(tài)環(huán)保需高度重視
沙漠、戈壁、荒漠生態(tài)環(huán)境敏感脆弱，大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)易導(dǎo)致原始土層擾動(dòng)、植被破壞、廢渣堆浸等環(huán)境影響；同時(shí)集中連片開(kāi)發(fā)易引發(fā)風(fēng)帶改變、鳥(niǎo)獸棲息生存和遷徙受阻等區(qū)域性影響；此外，廢舊組件的回收監(jiān)管仍存空白，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、降解難度大、回收成本高等原因?qū)е陆M件殘骸遺棄、雷擊起火、油脂滲漏事件時(shí)有發(fā)生。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)需高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。
(二）本地自用宜規(guī)模適度
沙漠、戈壁、荒漠周邊地區(qū)用電負(fù)荷小，本地大規(guī)模消納難度大。庫(kù)布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠近區(qū)的蒙西、甘肅、寧夏電網(wǎng)用電需求和增速較低，2021年用電負(fù)荷僅3904萬(wàn)千瓦、1766萬(wàn)千瓦、1460萬(wàn)千瓦；新能源裝機(jī)占比高，分別為38.4%、47.08%、45.68%；支撐電源能力有限，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，風(fēng)光大規(guī)模開(kāi)發(fā)以來(lái)?xiàng)夒娐示痈卟幌拢?016年甘肅棄風(fēng)率、棄光率一度攀升至43.11%、30.45%，至2019年才逐步降至10%以下。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)本地自用宜規(guī)模適度。
(三）外送消納需統(tǒng)籌有序
風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能規(guī)劃建設(shè)周期基本可控，長(zhǎng)則1~2年、短則數(shù)月；而配套的支撐電源、輸電通道和送受端網(wǎng)架完善工程，受用地、環(huán)保、煤源（氣源）、水源、經(jīng)濟(jì)性等多重因素影響，不確定性大，規(guī)劃建設(shè)周期短則3~5年，長(zhǎng)則5~10年，因此，風(fēng)光發(fā)電、支撐電源、輸電通道建設(shè)進(jìn)度的不協(xié)調(diào)問(wèn)題長(zhǎng)期存在。
以甘肅酒泉風(fēng)電基地為例，2008年獲批，2009年開(kāi)工建設(shè)，配套外送輸電通道2017年才建成投產(chǎn)，支撐煤電和受端華中電網(wǎng)網(wǎng)架完善工程至今仍未全部投產(chǎn)，導(dǎo)致新能源外送消納長(zhǎng)期受限。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)需統(tǒng)籌不同類型電源和配套送出工程的建設(shè)時(shí)序，做到統(tǒng)一規(guī)劃、有序建設(shè)、同步投產(chǎn)。
(四）支撐電源需完善機(jī)制
為保障風(fēng)光送出和電網(wǎng)安全運(yùn)行，需對(duì)周邊存量煤電實(shí)施靈活性改造或適度新增煤電、氣電作為支撐，發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、電壓控制、事故應(yīng)急等輔助服務(wù)作用。目前，電力輔助服務(wù)市場(chǎng)尚不健全，導(dǎo)致電力企業(yè)實(shí)施靈活性改造和新增裝機(jī)積極性不高。
根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》，“十三五”末全國(guó)煤電機(jī)組靈活性改造規(guī)模擬達(dá)到2.2億千瓦。截至2020年年底，實(shí)際改造規(guī)模不足39%，僅完成8580萬(wàn)千瓦。
以甘肅酒泉風(fēng)電基地為例，外送輸電通道配套的常樂(lè)4×100萬(wàn)千瓦調(diào)節(jié)煤電，2013年開(kāi)展前期工作、2016年5月核準(zhǔn)，至2020年底僅投產(chǎn)2×100萬(wàn)千瓦，較風(fēng)光發(fā)電和輸電通道滯后3年以上。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)需完善關(guān)于支撐電源的電力輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制。
(五）輸電通道需提前謀劃
自庫(kù)布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠等地向中東部負(fù)荷中心送電所經(jīng)的山西、陜西、河南等省，外送和省內(nèi)輸電通道密集，已建、在建和規(guī)劃交直流輸電通道超過(guò)20回，且煤礦分布廣，山西、陜西含煤面積超過(guò)省域面積的40.4%、27.7%；湖北、安徽、江蘇等省過(guò)江通道緊張，生態(tài)保護(hù)紅線分布廣，交叉跨越多，避讓難度大。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)需提前謀劃輸電通道。
(六）安全風(fēng)險(xiǎn)需加強(qiáng)防范
在沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)集中布局風(fēng)光發(fā)電，其發(fā)電功率易受局部天氣影響，呈現(xiàn)出“極熱無(wú)風(fēng)、極寒無(wú)光”等特征。風(fēng)光發(fā)電慣量低、支撐性弱，且位于電網(wǎng)末端，易受系統(tǒng)擾動(dòng)影響，安全穩(wěn)定運(yùn)行難度大[1]。
以東北電網(wǎng)為例，2021年7月28日用電負(fù)荷高達(dá)7058萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)8.2%，而極熱無(wú)風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)電出力僅3.4萬(wàn)千瓦，不足風(fēng)電裝機(jī)容量4026萬(wàn)千瓦的0.1%，電力缺口超過(guò)800萬(wàn)千瓦[2]。
此外，隨著遠(yuǎn)距離跨區(qū)域輸電通道的增加，未來(lái)全國(guó)將形成50余回交直流混聯(lián)的超大規(guī)模電網(wǎng)，電氣耦合更加緊密，調(diào)度控制更加復(fù)雜，事故范圍更易擴(kuò)大，風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)需加強(qiáng)防范安全風(fēng)險(xiǎn)。
(七）落地電價(jià)優(yōu)勢(shì)不明顯
沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)土地成本低，但設(shè)備材料運(yùn)距遠(yuǎn)、基礎(chǔ)防沉降難度大、組件防風(fēng)防腐要求高，投資較非沙漠地區(qū)高10%左右；運(yùn)行過(guò)程中受高溫炙烤、沙土沉積等因素影響導(dǎo)致發(fā)電量降低，其中自然降塵影響約15%~20%，沙暴天氣影響高達(dá)30%~40%[3]；光伏板頻繁清洗導(dǎo)致運(yùn)維成本上升，計(jì)入配套煤電、儲(chǔ)能、長(zhǎng)距離輸電和送受端網(wǎng)架完善投資后，存在落地電價(jià)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的風(fēng)險(xiǎn)。因此，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)需考慮落地電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力。
四、規(guī)劃建設(shè)應(yīng)推動(dòng)“六個(gè)變革”
為促進(jìn)大型風(fēng)光基地的新能源消納，提升基地建設(shè)的綜合效益，本文從大基地發(fā)展、運(yùn)維升級(jí)、新能源變革和效益提升四個(gè)方面提出了“六個(gè)變革”，如圖1所示。
(一）基地建設(shè)從“風(fēng)光引領(lǐng)”向“統(tǒng)籌有序”變革
盡早設(shè)立測(cè)風(fēng)塔測(cè)光站，基于長(zhǎng)期有效的氣象數(shù)據(jù)和智能化手段深化基地布局研究，同步開(kāi)展生態(tài)環(huán)境影響、電力消納、電源配置、通道布局、網(wǎng)架完善和系統(tǒng)安全專題研究，統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)與保護(hù)、統(tǒng)籌自用與外送，統(tǒng)籌風(fēng)光火儲(chǔ)輸，統(tǒng)籌發(fā)展與安全，“成熟一個(gè)、開(kāi)工一個(gè)”，并建立動(dòng)態(tài)預(yù)警機(jī)制，確保同步投產(chǎn)。
(二）新能源從“發(fā)電環(huán)節(jié)”環(huán)保低碳向“全壽命周期”環(huán)保低碳變革
明確規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、退役全壽命周期環(huán)保要求和責(zé)任主體，建立風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能廢棄組件回收監(jiān)管機(jī)制和環(huán)?；穑糜诒Ｕ贤艘劢M件回收處理，避免對(duì)生態(tài)脆弱的沙漠、戈壁、荒漠產(chǎn)生污染。
(三）新能源從“他助模式”向“自助模式”變革
加快修訂《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，嚴(yán)格執(zhí)行《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2021）等標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)新能源發(fā)電的頻率、電壓等耐受能力和主動(dòng)支撐能力，推動(dòng)風(fēng)光發(fā)電從高度依賴煤電、氣電等化石能源發(fā)電提供支撐和調(diào)節(jié)能力的“他助模式”轉(zhuǎn)向具備較強(qiáng)自我調(diào)節(jié)能力的“自助模式”。
(四）電力輔助服務(wù)從“免費(fèi)”向“付費(fèi)”變革
在可再生能源電源自身已經(jīng)盡力調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，還需煤電、氣電、抽水蓄能、新型儲(chǔ)能等電力系統(tǒng)其它成員提供的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、應(yīng)急備用等輔助服務(wù)，建立合理的市場(chǎng)機(jī)制和盈利模式，按“誰(shuí)提供、誰(shuí)獲益，誰(shuí)受益、誰(shuí)承擔(dān)”的原則加快并規(guī)范輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)。
(五）電力系統(tǒng)從“新能源并網(wǎng)”向“新能源組網(wǎng)”變革
隨著沙漠、戈壁、荒漠大型風(fēng)光基地的建設(shè)，電力系統(tǒng)“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備）、“雙低”（低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、低可控性）、“雙峰”（冬夏高峰）和“雙隨機(jī)”（電源側(cè)隨機(jī)、負(fù)荷側(cè)隨機(jī)）特征更加明顯，安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)劇增，需超前研究超高比例可再生能源、交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)的分析理論、仿真模型和協(xié)同技術(shù)，避免路徑依賴，建立全新的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理體系。
(六）基地開(kāi)發(fā)從“綜合利用”向“綜合效益”變革
在沙漠、戈壁、荒漠土地“綜合利用”的基礎(chǔ)上，采用高效雙面組件、智能跟蹤系統(tǒng)、機(jī)器人無(wú)水清洗等方式提高新能源發(fā)電量并降低發(fā)電成本，探索構(gòu)建“發(fā)電+治沙+農(nóng)林+旅游+鄉(xiāng)村振興”多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展模式，紓解發(fā)電成本，提高落地電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力，提升綜合效益。
五、結(jié)束語(yǔ)
本文總結(jié)了沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)光基地建設(shè)取得的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和社會(huì)效益。為了避免重蹈大面積棄風(fēng)棄光覆轍，分別從生態(tài)環(huán)保、自用規(guī)模、外送消納、支撐電源、輸電通道、安全風(fēng)險(xiǎn)和落地電價(jià)等方面分析大型風(fēng)光基地開(kāi)發(fā)需關(guān)注的“七個(gè)問(wèn)題”。最后本文從基地建設(shè)模式、新能源環(huán)保低碳、新能源自我調(diào)節(jié)、電力輔助服務(wù)、新能源組網(wǎng)以及基地開(kāi)發(fā)效益等方面提出了“六個(gè)變革”，助力提升大型風(fēng)光基地的綜合效益。
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注：原文載自《中國(guó)工程咨詢》2023年第1期。
