光伏治沙方案探讨

买发军，白荣丽

(1.特变电工新疆新能源股份有限公司，乌鲁木齐 830000；2. 西安睿诺航空装备有限公司，西安 710000)

0 引言

沙漠化地区建设光伏电站能够削弱风速，起到有效防风固沙作用，阻止沙尘的飞扬和沙丘的移动，防止水土流失；光伏阵列能对地表起到遮阴作用，有效降低其水分蒸发，有助于沙土中水分积累。将光伏发电和多种治沙方式有机结合，既能达到治沙防沙、保护生态环境的效果，又能实现荒漠治理与林业、农业经济产业相结合的发展[1]。本文针对沙漠化土地推出光伏发电和沙漠治理(即光伏治沙)、节水农业相结合的生态治理解决方案，该方案涉及沙障光伏治沙技术、造林光伏治沙技术、种草光伏治沙技术及光伏滴灌技术。

1 光伏治沙总体策略

采用光伏治沙方案时，可在光伏电站围栏外围设置锁边防护林，根据风力大小将主风向和次风向防护林进行差异化设置，并作为一级防护；在光伏电站场区内主干道路两侧设置防护绿化带，在检修道路两侧种植沙生植物或灌木，树种横纵向交错种植，并作为二级防护；在光伏阵列下方及前后排光伏阵列间设置沙障并种植沙生植物或灌木，以此作为三级防护。进行一级、二级防护时，通过种植抗风性能强、根系发达的树木，能起到降低风速、阻挡风沙的作用；进行三级防护时，通过在沙障内种植沙生植物或灌木，可阻止沙漠化土地扩张，改善土地质量，起到防风固沙、改善环境和维持生态平衡的作用。

现有的与农业结合的光伏治沙项目大多仅考虑到光伏发电的价值，而对治沙时种植的农作物的需求缺乏考量，造成农作物光照不充足、植被恢复不彻底、治沙效果不明显等问题。当农作物种植于光伏阵列下方时，应从光伏电站运维和农作物生长需求的角度出发，兼顾考虑农作物种植对电气安全的影响。因此，在进行此类项目的光伏发电系统设计时，建议采用超大跨度的跟踪式光伏支架，并采用南北向布置，预留大间距的南北向种植廊道，设置的光伏组件离地高度高于传统地面光伏电站的光伏组件离地高度；电缆采用大间距架空敷设方案，为土地高效翻耕创造空间。通过以上创新型光伏发电系统设计方案能够最大化提升农作物的受光需求，使光伏治沙与农业结合达到更好的效果[2]。

2 沙障光伏治沙技术

2.1 沙障铺设要求

沙障设置在光伏阵列下方光伏支架的两排立柱迎风侧，沿着光伏阵列横向布置，并在沙障内混合播种沙生灌草植物(主要为沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等)。光伏阵列下方设置的沙障的立面图和平面图如图1所示。

图1 光伏阵列下方设置的沙障的立面图和平面图Fig. 1 Elevation and plan of sand barrier set under PV array

2.2 方格沙障光伏治沙

利用多种不同的材料(例如稻草、麦秆、芦苇、沙柳、石头、塑料条、编织袋等)做成方格状的屏障物，比如，草方格、塑料方格、石方格等，然后将其扎在光伏阵列下方及前后排光伏阵列间的流动沙丘上，从而通过改变下垫面的性质，增加地表粗糙度，阻滞近地面层的风速，减弱风蚀，以达到防风固沙的目的。根据沙地现场实测，风主要在距地表10 cm内搬运沙粒，超过这个高度，输沙很少。设置沙障时，应使沙障与当地的主风向垂直，沙障的高度、大小和形状可根据当地的地形地貌、风速、风向、风沙活动方式和活动强度等进行合理选择，通过机械作用阻止流沙随风迁移[3]。草方格沙障和塑料方格沙障的照片分别如图2、图3所示。

图2 草方格沙障的照片Fig. 2 Photo of grass checkerboard sand barrier

图3 塑料方格沙障的照片Fig. 3 Photo of plastic checkerboard sand barrier

2.3 立式沙障光伏治沙

在光伏阵列下方及前后排光伏阵列间设置立式沙障，通过立式沙障的孔隙降低风沙流的流动速度；此外，立式沙障还可以起到阻风作用，经过沙障后的涡旋气流将受到限制，降低沙粒的穿越能力，阻挡风沙入侵。根据立式沙障的高度不同，其可以分为低立式沙障和高立式沙障，分别如图4、图5所示。

图4 低立式沙障的照片Fig. 4 Photo of low vertical sand barrier

图5 高立式沙障的照片Fig. 5 Photo of high vertical sand barrier

2.4 特殊工艺沙障光伏治沙

利用化学材料与工艺，对易产生沙害的沙丘或沙质地表建造能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层，以此作为沙障，然后在光伏阵列下方和前后排光伏阵列间铺设此类特殊工艺沙障，用于改善沙地土质。对于风沙严重的地区，应选择透气效果好的化学材料，有助于沙障内部植物的生长。特殊工艺沙障的照片如图6所示。

图6 特殊工艺沙障的照片Fig. 6 Photos of special process sand barrier

3 造林光伏治沙技术

通过造林方式治理沙地能够有效阻挡流沙侵袭或减轻风沙危害，保护光伏设施及农牧业生产。根据光伏发电项目所在地的不同地貌特征，采取分区域平整、施肥和土壤培育措施，确保造林植物的根系生长及存活率。造林植物优选等级优良的苗木，种植后定期进行浇水灌溉，植物的枝叶生长茂密后能够加速土壤密实，促进地表形成“结皮”，增强土壤的抗风蚀能力，起到阻沙固沙的作用。

3.1 整地

流动沙地治理区的地势起伏较缓，依着地势基本找平，不要求找到同一水平面，只需相对高度不超过3 m，无明显沙丘和大坑即可，以便于建设立式沙障或草方格沙障及栽植防风固沙植被，形成环状防护体系。对于在光伏电站外围、道路两侧种植防护林的区域，以及在光伏阵列下方、前后排光伏阵列间种植防风固沙植被的区域，宜采用分区域平整的方式，以保证植被种植深度。灌木的种植面积宜选择0.4 m×0.4 m为一个区域。在春季时，造林与整地可同时进行。

3.2 树种的选择

依据沙地的生态环境特征，选择可适应干旱气候的抗风蚀、耐沙埋的沙生植物种类。树种选择要求满足“适地适树和以乡土树种为主，灌木为主、乔草结合”的原则，以提高造林植物的成活率，提高防沙治沙效果。灌木多在近地表处以丛状分枝，固沙和阻沙能力强[4]。

3.3 造林时间及密度

灌木的种植在春季雨天后土壤解冻后即可开始，并在树木发芽之前完成种植。根据光伏发电项目所在地的地形地貌特征、土壤含水量情况等综合评估，造林密度不宜过大。

3.4 灌溉与施肥

造林时要及时进行灌溉，灌木每株每次浇水量约为0.15 m3，每年宜灌溉5～6次，在5月前后2个月中坚持每个月灌溉1次，其他月份根据苗木生长情况进行灌溉。部分地区如果土壤肥力不足，可以在造林或灌溉过程中施肥，有助于苗木茁壮成长。

4 种草光伏治沙技术

直播方式分为撒播、条播、穴播3种。在沙区治沙过程中，草种采用直播方式时，正确选取草种是成功的关键。草种选取不当，治沙成效低，不仅会造成一定的经济损失，更延误了沙区的植被建造。直播草种的选取，既要符合经济建设的需要和提高防沙治沙的植被覆盖度，又要使草种的生物学特性与播种区域的立地条件相适应。直播草种宜选择抗风蚀、耐沙埋、遇水易发芽、生根快、抗逆性强、种源丰富的草种，主要可选择羊柴、沙蒿、沙打旺、草木樨、甘草、麻黄等；不同种类的草种混合播种的成活率高于单一草种播种的成活率。

播种草种、灌木种子前需先做好沙障施工，在沙障内进行播种，可以避免因沙丘被大风吹动而带走种子的情况。若在光伏阵列区种植牧草、中草药时，需依据地貌特征，在流动沙地区域采取立式沙障，沙障设置在光伏阵列下方光伏支架的两排立柱迎风侧，沿着光伏阵列横向布置[5]。

4.1 整地

在种子播种前，应采用人工或机械全面整地。为了避免沙地水分流失，应尽可能控制整地厚度在10 cm左右，播种后覆土厚度约为3 cm，然后按每公顷7550 kg农家肥的标准施肥。

4.2 播种

播种草种的最佳时间应在6月中旬前，播种前先浇地，采用机械直播或人工条播的方式均可，用耧播种时播深约为2 cm，播种后耱地镇压。草籽播种前，对于种皮较厚的种子，必须进行浸种处理；对于种壳坚硬、不透水和不透气的种子，可作锉伤种皮处理。

4.3 培育管理

种植后加强培育管理，适时浇水。幼苗期，若生长缓慢，须进行除草和松土，加强管护，根据生长情况适时浇水。第2年时应对大块的缺苗区域及时补播。

5 光伏滴灌技术

光伏滴灌技术是将光伏水泵与精细化的滴灌技术相结合，精细化的滴灌设施能够为光伏阵列下方及前后排光伏阵列间的农作物提供足够的水分，加快农作物生长，改良土壤，形成生态系统良性循环，既能增加农作物收益，又能为改善荒漠、加快沙漠土壤化提供可持续的发展动力。

在每一排光伏阵列下方及前后排光伏阵列间铺设滴灌设施，分区域打井并设置光伏水泵，通过光伏组件发电带动水泵及滴灌设施运作，为场区种植的农作物灌溉；同时在每个光伏方阵设置土壤水分监测传感器，通过汇流箱及箱变测控接口将监测数据传输至光伏电站后台，实时监控土壤湿度，确保种植农作物的存活率，节约水资源。

6 光伏治沙优势分析

光伏治沙是一种将光伏发电与沙地治理相结合的复合型模式，该模式在不改变土地性质和用途的前提下高效利用土地资源，并科学利用沙漠化地区丰富的太阳能资源，达到了“1+1＞2”的效果。本文从沙地治理的视角创新性开展与光伏发电系统相结合的设计，该设计可实现光伏发电与沙地治理双重效益，成功助力能源低碳转型[6]。

光伏电站建成后，在防风固沙的同时还能对沙面形成有效遮荫，减少地表水分蒸发，有助于沙土中水分积累，清洗光伏组件的水也有助于促进植被生长，为光伏阵列下方及前后排光伏阵列间的矮化经济林带或农作物提供足够水分，在节省水源的同时可加快植物生长，形成生态系统良性循环。根据调查及研究结果，光伏组件的遮阴效果能使土壤水分蒸发量减少25%～35%[7]。

7 结论

本文针对沙漠化土地推出光伏发电和沙漠治理(即光伏治沙)、节水农业相结合的生态治理解决方案，通过在光伏电站外围设置防护林、道路侧设置沙生灌木绿化带、光伏阵列下方及前后排光伏阵列间种植沙生植物，构成多级别防护，开启了光伏发电与沙地治沙相结合的创新性生态治理模式。此种模式既能利用清洁电力又能治理沙化土地，实现了以光伏发电项目建设驱动生态治理，促进了光伏产业与生态治理的融合发展，实现了经济效益和环境效益双赢的局面。