能源与水利结合模式探索——以南水北调西线光伏天河工程为例

魏 琦，白保华，何继江，延 星，缪雨含

(1.国网综合能源服务集团有限公司，北京 100052；2.清华大学 社会科学院，北京 100084；3.清华大学 能源互联网创新研究院，北京 100085)

自碳中和目标提出以来，西部地区丰富的太阳能、风能、水能、地热等大量未开发的可再生能源资源成为业界关注的重点领域[1]。可再生能源的开发与利用不仅有助于西部地区的碳中和，还能通过跨地区输送的方式将清洁能源供应到中国的中东部地区，促进中东部地区实现碳中和。西部地区的各类大型工程项目也有必要利用当地丰富的资源配套建设可再生能源项目，以实现减排降碳，甚至碳中和。

随着西部大开发进程加快，西部地区的经济发展呈现利好的趋势，其中水利工程带来的水资源对西部地区的社会经济发展起到了基础性的作用[2]。20世纪50年代党中央首次提出南水北调工程，是基于中国水资源南北分布极其不均的现状，为缓解北方地区水资源供需矛盾，合理配置水资源而设计的重大战略性基础设施工程和民生工程[3]。经过多年论证，2002年《南水北调总体规划》获国务院批准。该规划将南水北调工程总体分为“四横三纵”3项工程：东线工程、中线工程和西线工程。其中，东线工程涉及苏、皖、鲁、冀、津5省市，中线工程主要服务于京、津、冀、豫4省市，分别于2002年和2003年正式动工，已累计调水超过4.0×1010m3，直接受益人数超过1.2亿[4]。

南水北调西线工程主要涉及青、甘、宁、蒙、陕、晋6省区，皆为中国水资源极度缺乏地区，大部分地区降水低于400 mm，而蒸发量超过1 000 mm，部分地区人均占有水量仅为全国人均占有水量的12%。水资源的缺乏导致了西部地区的水土流失和土地荒漠化等环境问题，并极大程度限制了经济发展，直接制约着西部大开发的进程[5]。目前，南水北调西线工程研究的调水范围面积达1.15×106km2，勘查了从海拔2 000 m到4 400 m的相关干支流河段[6]。南水北调西线工程将通过调水引流缓解西部地区缺水困境，改善生态环境质量，促进西部地区可持续经济和社会发展[7]。

虽然水利工程有利于西部地区的经济发展，但有一点不能忽视，即水利工程在原材料生产阶段、材料运输阶段、建设阶段、运行阶段等全生命周期中也造成了大量的能源消费与碳排放[8]，其中，建设阶段的碳排放源包括土方开挖、石方开挖、混泥土衬砌等大型机械设备的施工，水利运行管理过程的碳排放来自加压站及各个泵站的运行。已有研究表明，水利工程投资每增加1%，碳排放量增加0.215 7%，水利工程建设前期耗能高，会导致后期低碳效益发挥不足[9]。

为了实现碳中和，西部地区的重大工程均需考虑减碳问题，水利工程也应重视其生态效益。南水北调西线工程应通过开发新能源等方式减少对化石能源的依赖，通过技术创新提高能源利用效率，降低工程的能耗与碳排放。作者将水资源与绿色能源结合考虑，兼顾西部独特的资源禀赋和发展需求，提出将西线工程与太阳能结合，以此促进西部地区低碳发展。

1 能源与水利结合研究基础

调水与风光资源的结合已有研究[10]，水利+光伏是能源与水利结合的一种形式，水利光伏的复合利用表现为水面光伏在人工水体上的应用，即利用水利工程的水面建设光伏电站，实践中主要依托水库[11-12]和水渠[13-14]来建设。水面光伏指的是一种在水库、河道、湖泊等自然或人工水体上建设光伏电站的模式，近年来在世界范围内发展迅速[15]。根据建设场地的不同条件，水面光伏的建设形式主要分为两种：架高式水面光伏电站和漂浮式水面光伏电站[16]。

水利光伏能有效利用水利工程中闲置的水面，在起到保护水质和减少水分蒸发量的同时，利用太阳能发电，进一步提高工程的整体利用率，带来生态和经济双重效益[17]。研究表明，水利光伏能有效抑制水体富营养化[18]，能显著影响水分蒸发，可减少几乎与光伏板覆盖率同比例的水分蒸发量[13-14]；而这些被光伏板阻挡的水蒸气又对光伏板起到了冷却作用，使得水利光伏有着较地面光伏电站更高的发电效率[19]；虽然水分的侵蚀会略微减少光伏板的寿命，但发电效率的提升使得水面光伏在实际运行中的经济收益并没有受到减损[13]。此外，水利光伏还为水利工程的节能减排提供了新的路径，以南水北调中线工程为模拟情景的模型计算得出，建设水利光伏可为整体工程用电最高减排98.45%[20]。

水利光伏的复合模式已在国内外有不少研究实证，表1总结了部分研究的分析结论，从水利光伏的建设形式、预期收益等方面展示了水利光伏的可实施性和复合收益，同时也为本文搭建光伏天河的工程构想提供了研究依据。

表1 水利光伏研究Tab.1 List of hydraulic photovoltaic research

2 光伏天河技术基础

南水北调工程是世界最大的跨流域调水工程。将光伏阵列布设于西线工程的水渠水面及防护带地面上，形成规模宏大的带状光伏电站，光伏项目称为光伏天河工程。光伏天河主要利用相互连接的光伏盖板，在减少湖泊、水库、水渠等水体由于阳光照射和空气流通所造成的水体蒸发的同时，利用光伏组件将太阳能转化成绿色电能。图1（a）显示了调水工程的无遮挡的水体以蒸发形式消耗了大量水资源。图1（b）显示了水体表面在布设光伏阵列后，由于光伏阵列的隔档，水体蒸发和换热损失大量减少，最大限度保留了湖泊、水库、水渠中的水量。

图1 一种用于水库的新型光伏浮动盖板系统[23]Fig.1 A new floating photovoltaic cover system for reservoirs[23]

目前，水面光伏系统的发展大体可以分为架高式和漂浮式两种[24]：架高式主要通过管桩架高的方式在管桩顶端安装光伏组件；漂浮式光伏可以分为“浮体+支架”和“一体化浮筒”两种。一般情况下漂浮式光伏电站适用于水流速度小于2 m/s、设计高水位与设计低水位落差较小（＜10 m）、具有一定死水位（≥ 0.5 m）的水域[24]。

1）架高式光伏。

架高式光伏和传统地面支架光伏类似，都是通过建设地面或者水下的水泥桩对光伏面板和系统组件进行支持。如图2所示，架高式光伏可以采用只覆盖水面和覆盖水面+防护带的两种方式[20]。

图2 水面支架光伏组件[20]Fig.2 Standing photovoltaic cover system for water surface[20]

架高式光伏适用于水渠和深度较浅的水库和湖泊，不同于漂浮式光伏，架高式光伏不会受到水面波动的影响，可以按照设计的最佳仰角进行施工建设。

2）漂浮式光伏。

通过连接组件，浮动太阳能盖板将模块化的浮动光伏盖板相互连接起来。在水面这样的特种工作环境中，连接组件需要满足浮动光伏盖板的支撑要求，如图3所示。

图3 浮动太阳能盖板组件[23]Fig.3 Floating photovoltaic cover system[23]

光伏阵列是光伏天河工程设计中的核心器件和环节，与陆地光伏不同，漂浮式光伏在设计、安装、运行以及维护过程中，需要充分考虑水面环境的因素。具体包括浮动平台的材料防腐、光伏组件的连接防震、光伏面板的仰角优化、光伏运维的走道布局等。

3 光伏天河工程构想

3.1 光伏天河规模测算

南水北调西线工程的规划方案经过多年研究论证，已于2020年底正式进入比选论证阶段。选择黄河委南水北调西线工程课题组张金良等[8]提出的上线+下线联合调水的方案，如图4所示。

图4 南水北调西线工程规划总体布局方案示意图[25]Fig.4 General planning of the South-to-North Water Division West Route Project[25]

由图4可知，该方案是由雅砻江、大渡河调水4.0 × 109m3的上线和加上由金沙江、雅砻江、大渡河调水1.30 × 1010m3的下线的组合方案。其中，上线全长为325.7 km，绝大部分水渠为明流输水隧洞，该隧洞长321.1 km；下线全长1 959.5 km，部分水渠为明流输水隧道，该隧道长410.3 km[8]；除去部分不适宜铺设水利光伏的渠道段，假设建设光伏天河的西线工程水渠长度为1 000 km。

作者构想，西线工程主干渠道将全线被光伏盖板覆盖，覆盖区域包括渠面和两侧的保护带。借鉴已建成的南水北调中线工程一期的主要水渠宽度和两侧可用保护带宽度数据[20]，将可铺设光伏组建平均宽度设定为120 m，则光伏天河总安装面积为120 km2。按照每平米可以铺设120 W光伏面板[26]可以算出，整个光伏天河装机规模为14.4 GW。

由于南水北调调水工程涉及到数目庞大的干渠和支渠系统，光伏天河工程的构想仅考虑西线工程主要渠道。

3.2 光伏天河经济效益

从光伏天河工程的发电经济效益方面来看，以1 MW集中式水面光伏为例，采取全额上网的运行方式，假设该类型电站系统成本、年发电小时数、上网电价、年发电量衰减系数、贷款利率（全额贷款）、年运营费用分别为：3.5 元/W、1 350 h、0.37 元/(kW·h)、0.8%、5%、0.02 元/W，光伏项目的建设成本为3.5 ×106元，其投资回收可以采用以下公式计算。

式中:RIt为t年的投资回收，元；Rt为t年的售电收益；I为利率；Ct为t年的电站运行成本[27]。

采用式（1）计算可以得出，该类项目的投资回收期为14 a，如表2所示。

表2 投资回收与碳减排（以1 MW测算）Tab.2 List of the invest-of-return and emission reduction amount (with 1 MW calculated)

如果随着技术进步，系统成本可以降低到3 元/W，该类项目的投资回收期可降低为11 a。如果该类项目可以申请相关低息贷款政策（假设低息贷款利率为3.5%），在系统成本3 元/W的基础上，投资回收期可以降低到10 a。

此外，光伏天河工程所依托的南水北调西线工程本质为调水工程，加装光伏盖板对减少水分蒸发起着直接作用。虽然水分蒸发量因地形等外界因素过多难以量化，但以南水北调中线工程一期平均水价1.5 元/m3[28]来看，仅光伏天河工程的节水功能就能带来可观的经济效益。

3.3 光伏天河的生态和社会效益

光伏天河工程需要充分考虑经济效益和社会效益，在项目可行性和碳减排潜力方面进行充分的量化分析。

参照《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012）中的发电量计算[29]公式：

式中：Ep为系统年发电量，kW·h；HA为水平面太阳能总辐照量（峰值小时数），kW·h/m2；PAZ为组件安装容量，kWp；ES为标准条件下的辐照度，ES=1 000 W/m2；k为综合效率系数，包括光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电路线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。

根据《中国统计年鉴2020》[30]，光伏发电量折算成标煤的计算方法为：

式中：Tc为折算的标煤重量，t；kpc为光伏发电折算标煤系数，kpc=0.122 9 kg/(kW·h)[30]。

根据式（3），CO2排放计算方法为：

据式（2）～（4）测算，光伏天河每年可提供绿色电力超过1.87 × 1010kW·h，节约标煤约2.30 × 106t，减少CO2排放约6.03 × 106t，将有效降低南水北调西线工程的碳排放，并为西部地区的碳中和进程提供稳定可靠的绿色电源。

在促进生态环境修复方面，光伏天河可对水渠中的水体起到保护水质和减少蒸发量的作用，将对西线工程调水和输水线路沿线的生态经济带绿色发展起到巨大的贡献，见图5。

图5 南水北调西线江河连通示意图[31]Fig.5 River connection system in the South-to-North Water Diversion West Route Project[31]

在社会效益方面，光伏天河工程的维护和运营将为周边地区带来大量的就业岗位。并其将可能在西线工程的一些节点位置聚集一批依托水源和绿色电源发展的新型城镇或特色产业集群，促进地区经济和社会可持续发展。

4 结论与政策建议

作为清洁能源与水利结合的一种创新模式，光伏天河工程充分利用南水北调西线工程沿线道路，每年发电量可超过1.87 × 1010kW·h，CO2年排放量能减少6.03 × 106t，这将有助于降低南水北调西线工程的碳排放，推动水利工程的碳中和进程。同时，光伏天河还将产生巨大的生态效益和社会效益，光伏天河的组件盖板能保护水体质量，减少水蒸发；光伏天河产生的绿电能带动产业发展，从而促进周边地区经济和社会的发展。作者提出以下两点政策建议：

1）南水北调西线方案在规划时应考虑将水利与能源结合，在符合安装条件的调水渠道布设光伏阵列，建设光伏天河工程。

2）应充分利用南水北调西线上的水电站（如叶巴滩、两河口和双江口水电站）大坝、天然河道、湖泊的连通和输送能力，以及运河及总干渠上的各类泵站，建设一批不同规模的抽水蓄能电站、地面光伏电站和漂浮式水面光伏电站，组成若干水光互补绿色能源基地。

由于水利工程生命周期内建设阶段土方开挖、石方开挖、混泥土衬砌等施工环节的碳排放与加压站及各个泵站运行过程的碳排放数据难以计算，本文未能建立南北水调西线工程的碳中和模型，后期还需进一步深入研究水利工程实现碳中和的情景。同时，未来还应充分利用西部地区丰富的清洁能源资源，促进各类工程项目在全生命周期内实现碳中和。