宁夏地区光伏发电环境效益分析及建模

丁晓花，杨国华，卫宁波，马玉娟

(宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021)

宁夏地区光伏发电环境效益分析及建模

丁晓花，杨国华，卫宁波，马玉娟

(宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021)

在阐述了宁夏地区光伏发电发展的优势及发展现状的基础上，分析了光伏发电开发利用对宁夏生态环境产生的积极和消极的影响，并为降低消极影响提出了相应的对策;为了定量直观的评估光伏发电积极影响和消极影响所产生的环境效益，分别建立了节能减排、防风固沙和土地增值、景观效应、植被恢复费用、噪声污染超标罚款、光污染费用等价值模型及光伏发电总的生态环境效益价值模型;最后以中电投宁夏能源铝中卫香山光伏电站为例进行计算验证，结果表明模型的合理性和准确性，同时光伏电站的节能减排效益显著。相对于传统的火力发电，表现了优越的环境效益。

光伏发电;环境效益;节能减排;建模

0 引言

宁夏太阳能资源丰富，是全国光照资源最丰富的区域之一。宁夏地区作为首批“光伏扶贫”工程的试点单位，随着光伏设施农业、光伏农业大棚、光伏电站这些扶贫工程的相继开发，对宁夏地区本来就相对脆弱的生态环境产生的影响也渐渐显现。本文通过研究分析光伏发电对宁夏地区生态环境所产生的积极的和消极影响，建立了光伏发电生态环境效益价值模型，定量直观的评估光伏发电的环境效益，也为减小后期其他光伏项目建设及投运对生态环境的影响提供相应的理论依据。

1 宁夏地区生态环境概况

宁夏地区位居我国西北东部，属于干旱半干旱地区，环境变化频率较快，生态环境非常脆弱，水土流失严重，植被稀疏、森林资源匮乏。宁夏地区环境容量较小，生态稳定性差，大气、水、土壤的净化功能低，稀疏的自然植被对降尘、工业废气的净化作用很小。近几年，土地沙化和草原枯死情况日趋扩大，全区荒漠化土地面积297.4万hm2，占全区总面积的57.2%，其中沙化土地面积118.3万hm2，占全区总面积的22.8%［1］。干旱少雨、风大沙多、水资源匮乏使得旱灾、沙尘暴等自然灾害频发。

2 宁夏地区光伏发电资源概况及利用现状

2.1 宁夏地区光伏发电发展优势

宁夏太阳能资源丰富，是全国光照资源最丰富的区域之一，年日照小时数介于2250～3100h之间［2］。2012年宁夏成为我国第一个新能源综合示范区。资源优势:宁夏地区太阳能资源充沛，年均辐射量介于4950～6100MJ/m2之间［2］，并且冰冻灾害较少，气候适合，有利于光伏电池的运行;地域优势:光伏电站等其他设施的选址一般较为偏僻，而宁夏地区有大量的闲置土地及荒漠、戈壁地区用来建设光伏设施，投资较少且交通便利。政策优势:宁夏地区是国家重要的西电东送基地［3］，“十二五”以来在国家和自治区相关政策的鼓励下，宁夏新能源快速发展已成为本地经济发展的新增长极。

2.2 宁夏地区太阳能资源利用现状

据国家电网宁夏电力公司的数据显示:截止2013年末，宁夏地区光伏发电并网装机容量为156万kW，累计发电量达到21亿(kW·h)。截至2014年10月底，宁夏地区已有光伏电站并网64座，区内光伏发电装机容量达到166.85万kW，占全网总装机容量的23.28%。近几年，为推进新能源在宁夏地区更大范围内的优化配置，随着宁夏地区新能源发电的发展，在促进宁夏资源优势向经济优势转化的同时，宁夏电网公司先后合作建设了宁东至山东±660kV直流输电工程、宁东－浙江±800kV特高压直流工程等，利用电力外送，通过“远方输电”减少了西北以及中东部地区的火电发电，减少了污染排放、改善大气环境质量、治理大气雾霾，对解决全国能源安全、生态环境等问题做出贡献。

3 光伏发电对宁夏地区生态环境的影响

3.1 光伏发电对生态环境的积极影响

(1)节能减排、改善当地生态环境质量。一般来说火力发电的污染主要有两方面:一是SO2、CO2、NOx、灰尘等气体污染物;二是重金属污染。火电厂是以煤炭为燃料，而燃煤中含有As、Cd、Pd、Ni、Hg、Cr等多种重金属元素，这些重金属元素及形成的化合物会造成生物中毒且对土壤、水、空气等产生污染［4］。光伏发电是直接将太阳能转换成电能不需要消耗化石燃料，在节能减排、改善当地生态环境方面具有积极、现实的意义。

(2)防风固沙、减少水土流失。宁夏地区是水土流失、土地沙漠化较为严重的地区，经常爆发沙尘暴天气。而在沙漠地区及无耕种价值的闲置土地地区大面积的覆盖太阳能电池板，降低了地表风速，减缓风沙危害［5］，不仅可以起到防风固沙的作用，而且提高了土地的利用率。同时，后期的植被恢复后对于控制沙尘暴、防风固沙也具有积极的作用。

(3)节约土地，形成自然景观。宁夏银川首个居民屋顶分布式发电光伏项目已竣工，而该项目充分利用社区居民屋顶，采用固定支架，固定在建筑屋顶，不受建筑物朝向影响，并且不占用土地面积，受光照时间长［6］。在居民屋顶架设太阳能电池板，提升了城市的环保形象，起到示范性作用。

3.2 光伏发电对生态环境的消极影响及对策

(1)施工期的主要环境影响。光伏电站建设过程中，使得土壤松动，会对周围生态环境、植被造成破坏，从而加速土地沙漠化。此外取土、弃土会产生扬尘，施工噪声、施工人员的生活垃圾等问题［7］。因此要尽量减少工程项目占地，合理规划以此减少对植被的接触和破坏。施工单位应尽量选用低噪声设备或缩短高噪声设备的使用时间，作业时间应尽量安排在白天，应及时清理施工人员产生的生活垃圾，尽量降低对周围环境及居民生活的影响。

(2)运行对环境的主要影响。光伏电站运行后的噪声，主要来源于逆变器中的开关电路及其他输变电设施产生的电磁噪声，电磁干扰主要来源于逆变器、升压站等产生工频电磁场、无线电干扰，这些可能对人体身体产生不良影响及信号干扰等问题［8］。因此应尽可能采用低噪声设备［9］，加强对逆变器的维护，使其处于良好的运行状态，避免对工作人员及周围居民生活产生影响。对太阳能电池板清洗产生的废水，可通过排水管道收集处理，用于灌溉农田或绿地。损坏或废弃的蓄电池进行更换，产生的固体废弃物等问题，应有厂家或专门的环保部门进行定期清运。

(3)光污染。所谓光污染，就是指给周围居民生活带来生活影响或引发交通安全等问题，例如在城市中安装光伏电池，其表面玻璃会在在阳光照耀下会反射强光，刺激人的眼睛，给周围居民及交通安全带来影响［10］。因此为了高效利用太阳能，在太阳能电池板本身生产工艺阶段应尽量减少光的反射或电池板安装时应选择最佳阳光入射角最大限度的利用太阳能，如电池板倾斜30°向上不会对地面居民的生活及交通产生影响。

4 光伏发电对宁夏生态环境影响效益建模

通过上面的分析，光伏发电的发展，对宁夏地区生态环境的既可以起到促进作用同时也起到了阻碍作用，给周围环境及居民带来了消极影响。而这些影响又以“污染经济损失”呈现货币的形式转嫁给社会。因此本文将分布式发电所产生的环境影响，定量分析较为直观的体现光伏发电的环境价值。光伏发电所产生的环境效益表达式可写为:

式中:VT为总的环境价值，元;VP为光伏发电积极影响所产生的环境价值，元;VN为光伏发电消极影响所产生的环境价值，元;

4.1 光伏发电积极影响的环境价值

光伏发电发展对宁夏地区生态环境起促进作用，产生的主要环境价值可以分为节能减排价值［11］、防风固沙、减少水土流失及土地增值价值和景观价值。

(1)节能减排价值

光伏发电的节能减排环境价值，可等效为同等电量下，相对于传统火力发电，使用光伏发电避免了消耗标准煤的价值、排放污染物的环境价值及罚款价值［12］。光伏发电节能减排总环境价值Ve:

式中:Ve1、Ve2分别为气体污染物、重金属的节能减排环境价值，元;W为光伏年发电量，kW·h;q1，i为减少的第i种污染物排放量(i=1，2，3分别表示SO2、CO2、NOx)，kg/(kW·h);q2，i为减少的第i种重金属的单位发电量排放量，kg/(kW·h)(i=1，2，3，4，5，6分别表示As、Pd、Cd、Ni、Hg、Cr);αi、βi分别为第i种污染物的环境价值、罚款数量级，元/ kg;λ取0.355kg/(kW·h);q1，i、αi、βi取值按照电力行业污染物减排的环境价值及惩罚标准［13］;q2，i取值按照火力发电重金属排放量［4］及当量值;a为宁夏当地的煤炭价格，元/kg。

(2)防风固沙和土地增值价值

宁夏地区属于干旱半干旱地区，环境变化频率较高，且干旱少雨经常爆发沙城暴天气。而光伏电站多数都建设在沙漠戈壁及无耕种价值的闲置土地地区，不仅起到防风固沙、减少水土流失的作用，而且提高了土地的利用率，缩小了土地荒漠化比例。则总的防风固沙及土地增值价值Ve1可表示为［14］:

式中:Vw单位面积的防风固沙、减少水土流失价值，元/km2;Vi单位面积荒漠化土地增值价值，元/km2; S为光伏电站所占总的荒漠化土地面积，km2。

(3)景观价值

随着居民屋顶分布式发电光伏项目的推广，若在公园、旅游景点等地方安装，再对光伏电池板稍加装饰，将是旅游景点的一道美丽的风景。

用Vl表示光伏电池板的景观价值。则光伏发电给宁夏地区带来积极环境影响所产生的环境价值可表示为:

4.2 光伏发电消极影响的环境价值

(1)恢复植被费用

光伏电站建设过程对周围生态环境、植被造成破坏工程完工后需要对植被进行恢复。则总的恢复植被费用Vr可表示为:

式中:νr为单位面积恢复植被费用，元/m2;t为恢复植被的总占地面积，m2。

(2)噪声污染超标罚款

光伏电站的建设及逆变器其他输变电设备运行过程中会产生噪声污染、电磁干扰等问题对周围居民及其他其他生物造成影响。对于建设初期的噪声是可以降低影响是短暂的。而运行噪声是无法避免的，从声传播的方式，考虑噪声的传播近似为球面波，设距离噪声测量点R处由强度为Lw的声源产生的声压级LP(dB)为:

对于光伏电站内n个噪声源，将所有受声点的噪声进行叠加，则噪声LPT的等效值可表示［14］:

以LCN表示各类功能区昼间或夜间环境噪声限值，数据参照《城市区域环境噪声标准》;则总的噪声超标费用Vn为［15］:

式中:μ为《排污费征收标准使用管理条例》规定的噪声超标排污费征收标准，M为噪声超标月数。

(3)光污染费用

光伏电池表面玻璃在阳光照射下会反射强光，形成光污染给周围居民及交通带来影响。故在建设初期为减少光污染，在工艺方面所采取的措施所要支付的费用或后期光污染所造成的损害支付的罚款等额外费用可用Vs表示。

光伏发电给宁夏地区带来消极的环境价值可表示为:

则光伏发电总的环境价值:

4.3 算例计算

以中电投宁夏能源铝中卫香山光伏电站为例，分析该光伏电站对宁夏生态环境带来的总的环境价值。中卫香山30MWP光伏电站工程位于中卫市香山境内熊家水地区，占地面积约0.78km2，总装机容量30MWP，运行期25a，年平均发电量约为4012万(kW·h)，等效满负荷年利用小时数1329.7h。

则与同等电量下的传统火力发电厂相比，可节约标煤约为1.34万t，可减少SO2排放量约为0.12万t，减少CO2排放量约为3.99万t，减少NOx排放量约为0.06万t，按当地电煤价格368.54元/t计算，节煤效益约为52.49万元，污染气体节能减排价值约为246.12万元。减少重金属As的排放量约为103.47kg，Pb的排放量约为267.80kg，Cd的排放量约为4.13kg，Ni的排放量约为289.75kg，Hg的排放量约为3.09kg，Cr的排放量约为248.34kg，重金属的节能减排价值约为11.68万元，则该光伏电站每年总的节能减排价值约为257.80万元;减排效益约为0.06426kg/(kW·h)，相对于传统的火电厂，充分体现出优越的环境价值。

5 结语

宁夏地区是国家“十二五”期间大气污染联防联控的重点区域。光伏发电的开发利用已成为宁夏新能源建设的主导方向，这对于减少宁夏地区污染排放、改善大气环境质、治理大气雾霾、改善水土流失、荒漠化有重大意义。通过综合考虑光伏发电开发，对宁夏地区生态环境的影响，建立了光伏发电环境效益价值计算模型，定量直观的反映光伏发电的环境价值。并对模型进行算例验证，结果表明模型的合理性和准确性，验证了光伏发电优越的环境效益价值。

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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

丁晓花(1990-)，女，在读研究生，研究方向为电工电子新技术。E－mail:dxhua900522@163.com

国家自然科学基金资助项目(71263043);宁夏自治区自然科学基金资助项目(NZ12140)