寧夏地區(qū)光伏發(fā)電環(huán)境效益分析及建模

丁曉花，楊國華，衛(wèi)寧波，馬玉娟

(寧夏大學電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021)

寧夏地區(qū)光伏發(fā)電環(huán)境效益分析及建模

丁曉花，楊國華，衛(wèi)寧波，馬玉娟

(寧夏大學電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021)

在闡述了寧夏地區(qū)光伏發(fā)電發(fā)展的優(yōu)勢及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，分析了光伏發(fā)電開發(fā)利用對寧夏生態(tài)環(huán)境產生的積極和消極的影響，并為降低消極影響提出了相應的對策;為了定量直觀的評估光伏發(fā)電積極影響和消極影響所產生的環(huán)境效益，分別建立了節(jié)能減排、防風固沙和土地增值、景觀效應、植被恢復費用、噪聲污染超標罰款、光污染費用等價值模型及光伏發(fā)電總的生態(tài)環(huán)境效益價值模型;最后以中電投寧夏能源鋁中衛(wèi)香山光伏電站為例進行計算驗證，結果表明模型的合理性和準確性，同時光伏電站的節(jié)能減排效益顯著。相對于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，表現(xiàn)了優(yōu)越的環(huán)境效益。

光伏發(fā)電;環(huán)境效益;節(jié)能減排;建模

0 引言

寧夏太陽能資源豐富，是全國光照資源最豐富的區(qū)域之一。寧夏地區(qū)作為首批“光伏扶貧”工程的試點單位，隨著光伏設施農業(yè)、光伏農業(yè)大棚、光伏電站這些扶貧工程的相繼開發(fā)，對寧夏地區(qū)本來就相對脆弱的生態(tài)環(huán)境產生的影響也漸漸顯現(xiàn)。本文通過研究分析光伏發(fā)電對寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境所產生的積極的和消極影響，建立了光伏發(fā)電生態(tài)環(huán)境效益價值模型，定量直觀的評估光伏發(fā)電的環(huán)境效益，也為減小后期其他光伏項目建設及投運對生態(tài)環(huán)境的影響提供相應的理論依據。

1 寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境概況

寧夏地區(qū)位居我國西北東部，屬于干旱半干旱地區(qū)，環(huán)境變化頻率較快，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，水土流失嚴重，植被稀疏、森林資源匱乏。寧夏地區(qū)環(huán)境容量較小，生態(tài)穩(wěn)定性差，大氣、水、土壤的凈化功能低，稀疏的自然植被對降塵、工業(yè)廢氣的凈化作用很小。近幾年，土地沙化和草原枯死情況日趨擴大，全區(qū)荒漠化土地面積297.4萬hm2，占全區(qū)總面積的57.2%，其中沙化土地面積118.3萬hm2，占全區(qū)總面積的22.8%［1］。干旱少雨、風大沙多、水資源匱乏使得旱災、沙塵暴等自然災害頻發(fā)。

2 寧夏地區(qū)光伏發(fā)電資源概況及利用現(xiàn)狀

2.1 寧夏地區(qū)光伏發(fā)電發(fā)展優(yōu)勢

寧夏太陽能資源豐富，是全國光照資源最豐富的區(qū)域之一，年日照小時數介于2250～3100h之間［2］。2012年寧夏成為我國第一個新能源綜合示范區(qū)。資源優(yōu)勢:寧夏地區(qū)太陽能資源充沛，年均輻射量介于4950～6100MJ/m2之間［2］，并且冰凍災害較少，氣候適合，有利于光伏電池的運行;地域優(yōu)勢:光伏電站等其他設施的選址一般較為偏僻，而寧夏地區(qū)有大量的閑置土地及荒漠、戈壁地區(qū)用來建設光伏設施，投資較少且交通便利。政策優(yōu)勢:寧夏地區(qū)是國家重要的西電東送基地［3］，“十二五”以來在國家和自治區(qū)相關政策的鼓勵下，寧夏新能源快速發(fā)展已成為本地經濟發(fā)展的新增長極。

2.2 寧夏地區(qū)太陽能資源利用現(xiàn)狀

據國家電網寧夏電力公司的數據顯示:截止2013年末，寧夏地區(qū)光伏發(fā)電并網裝機容量為156萬kW，累計發(fā)電量達到21億(kW·h)。截至2014年10月底，寧夏地區(qū)已有光伏電站并網64座，區(qū)內光伏發(fā)電裝機容量達到166.85萬kW，占全網總裝機容量的23.28%。近幾年，為推進新能源在寧夏地區(qū)更大范圍內的優(yōu)化配置，隨著寧夏地區(qū)新能源發(fā)電的發(fā)展，在促進寧夏資源優(yōu)勢向經濟優(yōu)勢轉化的同時，寧夏電網公司先后合作建設了寧東至山東±660kV直流輸電工程、寧東－浙江±800kV特高壓直流工程等，利用電力外送，通過“遠方輸電”減少了西北以及中東部地區(qū)的火電發(fā)電，減少了污染排放、改善大氣環(huán)境質量、治理大氣霧霾，對解決全國能源安全、生態(tài)環(huán)境等問題做出貢獻。

3 光伏發(fā)電對寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 光伏發(fā)電對生態(tài)環(huán)境的積極影響

(1)節(jié)能減排、改善當地生態(tài)環(huán)境質量。一般來說火力發(fā)電的污染主要有兩方面:一是SO2、CO2、NOx、灰塵等氣體污染物;二是重金屬污染?；痣姀S是以煤炭為燃料，而燃煤中含有As、Cd、Pd、Ni、Hg、Cr等多種重金屬元素，這些重金屬元素及形成的化合物會造成生物中毒且對土壤、水、空氣等產生污染［4］。光伏發(fā)電是直接將太陽能轉換成電能不需要消耗化石燃料，在節(jié)能減排、改善當地生態(tài)環(huán)境方面具有積極、現(xiàn)實的意義。

(2)防風固沙、減少水土流失。寧夏地區(qū)是水土流失、土地沙漠化較為嚴重的地區(qū)，經常爆發(fā)沙塵暴天氣。而在沙漠地區(qū)及無耕種價值的閑置土地地區(qū)大面積的覆蓋太陽能電池板，降低了地表風速，減緩風沙危害［5］，不僅可以起到防風固沙的作用，而且提高了土地的利用率。同時，后期的植被恢復后對于控制沙塵暴、防風固沙也具有積極的作用。

(3)節(jié)約土地，形成自然景觀。寧夏銀川首個居民屋頂分布式發(fā)電光伏項目已竣工，而該項目充分利用社區(qū)居民屋頂，采用固定支架，固定在建筑屋頂，不受建筑物朝向影響，并且不占用土地面積，受光照時間長［6］。在居民屋頂架設太陽能電池板，提升了城市的環(huán)保形象，起到示范性作用。

3.2 光伏發(fā)電對生態(tài)環(huán)境的消極影響及對策

(1)施工期的主要環(huán)境影響。光伏電站建設過程中，使得土壤松動，會對周圍生態(tài)環(huán)境、植被造成破壞，從而加速土地沙漠化。此外取土、棄土會產生揚塵，施工噪聲、施工人員的生活垃圾等問題［7］。因此要盡量減少工程項目占地，合理規(guī)劃以此減少對植被的接觸和破壞。施工單位應盡量選用低噪聲設備或縮短高噪聲設備的使用時間，作業(yè)時間應盡量安排在白天，應及時清理施工人員產生的生活垃圾，盡量降低對周圍環(huán)境及居民生活的影響。

(2)運行對環(huán)境的主要影響。光伏電站運行后的噪聲，主要來源于逆變器中的開關電路及其他輸變電設施產生的電磁噪聲，電磁干擾主要來源于逆變器、升壓站等產生工頻電磁場、無線電干擾，這些可能對人體身體產生不良影響及信號干擾等問題［8］。因此應盡可能采用低噪聲設備［9］，加強對逆變器的維護，使其處于良好的運行狀態(tài)，避免對工作人員及周圍居民生活產生影響。對太陽能電池板清洗產生的廢水，可通過排水管道收集處理，用于灌溉農田或綠地。損壞或廢棄的蓄電池進行更換，產生的固體廢棄物等問題，應有廠家或專門的環(huán)保部門進行定期清運。

(3)光污染。所謂光污染，就是指給周圍居民生活帶來生活影響或引發(fā)交通安全等問題，例如在城市中安裝光伏電池，其表面玻璃會在在陽光照耀下會反射強光，刺激人的眼睛，給周圍居民及交通安全帶來影響［10］。因此為了高效利用太陽能，在太陽能電池板本身生產工藝階段應盡量減少光的反射或電池板安裝時應選擇最佳陽光入射角最大限度的利用太陽能，如電池板傾斜30°向上不會對地面居民的生活及交通產生影響。

4 光伏發(fā)電對寧夏生態(tài)環(huán)境影響效益建模

通過上面的分析，光伏發(fā)電的發(fā)展，對寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境的既可以起到促進作用同時也起到了阻礙作用，給周圍環(huán)境及居民帶來了消極影響。而這些影響又以“污染經濟損失”呈現(xiàn)貨幣的形式轉嫁給社會。因此本文將分布式發(fā)電所產生的環(huán)境影響，定量分析較為直觀的體現(xiàn)光伏發(fā)電的環(huán)境價值。光伏發(fā)電所產生的環(huán)境效益表達式可寫為:

式中:VT為總的環(huán)境價值，元;VP為光伏發(fā)電積極影響所產生的環(huán)境價值，元;VN為光伏發(fā)電消極影響所產生的環(huán)境價值，元;

4.1 光伏發(fā)電積極影響的環(huán)境價值

光伏發(fā)電發(fā)展對寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境起促進作用，產生的主要環(huán)境價值可以分為節(jié)能減排價值［11］、防風固沙、減少水土流失及土地增值價值和景觀價值。

(1)節(jié)能減排價值

光伏發(fā)電的節(jié)能減排環(huán)境價值，可等效為同等電量下，相對于傳統(tǒng)火力發(fā)電，使用光伏發(fā)電避免了消耗標準煤的價值、排放污染物的環(huán)境價值及罰款價值［12］。光伏發(fā)電節(jié)能減排總環(huán)境價值Ve:

式中:Ve1、Ve2分別為氣體污染物、重金屬的節(jié)能減排環(huán)境價值，元;W為光伏年發(fā)電量，kW·h;q1，i為減少的第i種污染物排放量(i=1，2，3分別表示SO2、CO2、NOx)，kg/(kW·h);q2，i為減少的第i種重金屬的單位發(fā)電量排放量，kg/(kW·h)(i=1，2，3，4，5，6分別表示As、Pd、Cd、Ni、Hg、Cr);αi、βi分別為第i種污染物的環(huán)境價值、罰款數量級，元/ kg;λ取0.355kg/(kW·h);q1，i、αi、βi取值按照電力行業(yè)污染物減排的環(huán)境價值及懲罰標準［13］;q2，i取值按照火力發(fā)電重金屬排放量［4］及當量值;a為寧夏當地的煤炭價格，元/kg。

(2)防風固沙和土地增值價值

寧夏地區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，環(huán)境變化頻率較高，且干旱少雨經常爆發(fā)沙城暴天氣。而光伏電站多數都建設在沙漠戈壁及無耕種價值的閑置土地地區(qū)，不僅起到防風固沙、減少水土流失的作用，而且提高了土地的利用率，縮小了土地荒漠化比例。則總的防風固沙及土地增值價值Ve1可表示為［14］:

式中:Vw單位面積的防風固沙、減少水土流失價值，元/km2;Vi單位面積荒漠化土地增值價值，元/km2; S為光伏電站所占總的荒漠化土地面積，km2。

(3)景觀價值

隨著居民屋頂分布式發(fā)電光伏項目的推廣，若在公園、旅游景點等地方安裝，再對光伏電池板稍加裝飾，將是旅游景點的一道美麗的風景。

用Vl表示光伏電池板的景觀價值。則光伏發(fā)電給寧夏地區(qū)帶來積極環(huán)境影響所產生的環(huán)境價值可表示為:

4.2 光伏發(fā)電消極影響的環(huán)境價值

(1)恢復植被費用

光伏電站建設過程對周圍生態(tài)環(huán)境、植被造成破壞工程完工后需要對植被進行恢復。則總的恢復植被費用Vr可表示為:

式中:νr為單位面積恢復植被費用，元/m2;t為恢復植被的總占地面積，m2。

(2)噪聲污染超標罰款

光伏電站的建設及逆變器其他輸變電設備運行過程中會產生噪聲污染、電磁干擾等問題對周圍居民及其他其他生物造成影響。對于建設初期的噪聲是可以降低影響是短暫的。而運行噪聲是無法避免的，從聲傳播的方式，考慮噪聲的傳播近似為球面波，設距離噪聲測量點R處由強度為Lw的聲源產生的聲壓級LP(dB)為:

對于光伏電站內n個噪聲源，將所有受聲點的噪聲進行疊加，則噪聲LPT的等效值可表示［14］:

以LCN表示各類功能區(qū)晝間或夜間環(huán)境噪聲限值，數據參照《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》;則總的噪聲超標費用Vn為［15］:

式中:μ為《排污費征收標準使用管理條例》規(guī)定的噪聲超標排污費征收標準，M為噪聲超標月數。

(3)光污染費用

光伏電池表面玻璃在陽光照射下會反射強光，形成光污染給周圍居民及交通帶來影響。故在建設初期為減少光污染，在工藝方面所采取的措施所要支付的費用或后期光污染所造成的損害支付的罰款等額外費用可用Vs表示。

光伏發(fā)電給寧夏地區(qū)帶來消極的環(huán)境價值可表示為:

則光伏發(fā)電總的環(huán)境價值:

4.3 算例計算

以中電投寧夏能源鋁中衛(wèi)香山光伏電站為例，分析該光伏電站對寧夏生態(tài)環(huán)境帶來的總的環(huán)境價值。中衛(wèi)香山30MWP光伏電站工程位于中衛(wèi)市香山境內熊家水地區(qū)，占地面積約0.78km2，總裝機容量30MWP，運行期25a，年平均發(fā)電量約為4012萬(kW·h)，等效滿負荷年利用小時數1329.7h。

則與同等電量下的傳統(tǒng)火力發(fā)電廠相比，可節(jié)約標煤約為1.34萬t，可減少SO2排放量約為0.12萬t，減少CO2排放量約為3.99萬t，減少NOx排放量約為0.06萬t，按當地電煤價格368.54元/t計算，節(jié)煤效益約為52.49萬元，污染氣體節(jié)能減排價值約為246.12萬元。減少重金屬As的排放量約為103.47kg，Pb的排放量約為267.80kg，Cd的排放量約為4.13kg，Ni的排放量約為289.75kg，Hg的排放量約為3.09kg，Cr的排放量約為248.34kg，重金屬的節(jié)能減排價值約為11.68萬元，則該光伏電站每年總的節(jié)能減排價值約為257.80萬元;減排效益約為0.06426kg/(kW·h)，相對于傳統(tǒng)的火電廠，充分體現(xiàn)出優(yōu)越的環(huán)境價值。

5 結語

寧夏地區(qū)是國家“十二五”期間大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的重點區(qū)域。光伏發(fā)電的開發(fā)利用已成為寧夏新能源建設的主導方向，這對于減少寧夏地區(qū)污染排放、改善大氣環(huán)境質、治理大氣霧霾、改善水土流失、荒漠化有重大意義。通過綜合考慮光伏發(fā)電開發(fā)，對寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，建立了光伏發(fā)電環(huán)境效益價值計算模型，定量直觀的反映光伏發(fā)電的環(huán)境價值。并對模型進行算例驗證，結果表明模型的合理性和準確性，驗證了光伏發(fā)電優(yōu)越的環(huán)境效益價值。

［1］何軼斌.寧夏電網光伏發(fā)電接入經濟性研究［D］.北京:華北電力大學，2013.

［2］魏磊，姜寧，于廣亮，等.寧夏電力系統(tǒng)接納新能源能力研究［J］.電網技術，2010，34(11):176－181.

［3］楊國華，鮑麗芳，韓世軍.分布式風力發(fā)電開發(fā)對寧夏局部生態(tài)環(huán)境的影響研究［J］.安徽農業(yè)科學，2011，39(21):12832－12833.

［4］盧霞.荒漠戈壁區(qū)光伏電站建設的環(huán)境效應分析［D］.蘭州:蘭州大學，2013.

［5］李國艷.林州光伏發(fā)電項目投資效益及風險分析［D］.北京:華北電力大學，2014.

［6］牛沙沙.屋頂光伏并網發(fā)電項目碳減排問題研究［D］.河北:河北工程大學，2014.

［7］李麗珍，劉輝，史學峰，等.淺析光伏電站對環(huán)境的影響［J］.科技信息，2012(12):91－91.

［8］林錐，王立德，周潔瓊，等.電力噪聲作用下光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可靠性研究［J］.電子測量與儀器學報，2013，27(12):1170－1176.

［9］殷曉紅，遲磊，王立杰，等.電力變壓器降噪措施的研究［J］.電力科技與環(huán)保，2015，31(1):16－17.

［10］朱林，吳菲，李健.國內外光伏發(fā)電站環(huán)境影響評價方法簡析［J］.環(huán)境科學與管理，2012，37(1):173－178.

［11］任姍，薛惠鋒.可再生能源電力外部效益量化及系統(tǒng)評價［J］.電力科技與環(huán)保，2010，26(4):7－10.

［12］孫艷偉，王潤，肖黎姍，等.中國并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的經濟性與環(huán)境效益［J］.中國人口資源與環(huán)境，2011，21(4):88－94.

［13］錢科軍，袁越，石曉丹.分布式發(fā)電的環(huán)境效益分析［J］.中國電機工程學報，2008，28(29):11－15.

［14］周世文，楊國華，陳琳，等.寧夏地區(qū)風力發(fā)電生態(tài)環(huán)境效益及建模［J］.電力科技與環(huán)保，2014，30(2):48－51.

［15］高揚.變電站聲場特性及噪聲分布預測研究［D］.北京:華北電力大學，2014.

Study of environmental benefits analysis and modeling of photovoltaic power generation in Ningxia region

On the basis of expounding the advantage and current situation of the development of photovoltaic power generation in Ningxia province，the positive and negative effects on regional environment of photovoltaic power generation were analyzed，and some countermeasures to reduce the negative effects were put forward.Some ecological environmental benefits value model based on the positive environmental effects and negative environmental effects was established，as energy－saving and emission－reduction，sand fixation，land value increment，vegetation restoration and noise pollution，light pollution，and the total environmental benefits model of photovoltaic power generation in Ningxia，the established value model can reflect the environment benefits of photovoltaic power generation quantitatively and intuitively.At last，it uses this model to analyze with the example of a photovoltaic power station，the results showed the rationality and accuracy of the model，and also showed that the photo voltaic power station is energy－saving and emission－reduction，and verified the photovoltaic power generation out better than traditional fossil－fuel power on environmental benefits.

photovoltaic power generation;environmental benefits;energy－saving and emission－reduction; modeling

TK51

B

1674－8069(2015)04－009－04

2015-03-02;

2015-05-24

丁曉花(1990-)，女，在讀研究生，研究方向為電工電子新技術。E－mail:dxhua900522@163.com

國家自然科學基金資助項目(71263043);寧夏自治區(qū)自然科學基金資助項目(NZ12140)