「碳案」第十四期,我们来到位于青藏高原的青海共和县塔拉滩。十年间,这里陆续安装起超过700万块光伏板,成为全球装机容量最大的光伏发电园区。光伏园不仅能治沙、发电,还成为一个大型牧场,养了一群“光伏羊”。“板上发电,板下放羊”的生态如何形成?太阳能和黄河水又是如何梦幻联动的?请随36碳的脚步一探究竟。

文 | 吕雅宁

编辑 | 苏建勋

在海拔近3000米的青藏高原腹地中,青海省海南藏族自治州共和县内,有一片名为“塔拉滩”的山间盆地。

“塔拉”一词源于蒙古语系,意为滩地草原。光看名字,这应是一片辽阔壮丽的草原,但多年前却并非如此。昔日的塔拉滩只有两样东西:炽热烈日和漫天沙尘。

上世纪50年代起,当地通过构筑沙障、建设防护林等工作,让沙漠化土地面积的占比从90%以上,降到约10%。

近年,光伏产业成为另一剂新药。

“滩大风大太阳大”的地理条件可以转变为光伏的资源优势。塔拉滩从2011年开始发展光伏产业,逐步建起我国首个千万千瓦级太阳能发电基地。

从最初的77.9平方公里建设至今,塔拉滩光伏基地的总面积已达609.6平方公里,甚至相当于一个新加坡的国土面积。

也许是无心插柳柳成荫,当地人本计划在戈壁滩上建一个光伏电站,最终还收获了一片青青牧场,形成“板上发电,板下放羊”特殊生态。

依托附近的龙羊峡水电站,塔拉滩还研发了独具特色的“水光互补”协调技术,将光伏发电接入水电站,用水电调节光伏的波动性,解决光伏“靠天吃饭”的问题。二者相辅相成“打捆”输出更安全稳定的电力,在青藏高原的水与光之间上演了一场梦幻联动。

2022年,海南州光伏产业园创下吉尼斯世界纪录,成为“最大装机容量的光伏发电园区”,累计发电量突破500亿千瓦时,还同时创下“世界最大装机容量的水光互补发电站”纪录。

昔日的不毛之地,如今成为一片与自然共生的光伏蓝海。在青藏高原的塔拉滩,这里有利用太阳能的一万种打开方式。

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图源:国家电投黄河公司

戈壁滩上长出一个“光伏牧场”

“进了塔拉滩,汽车三点头;出了塔拉滩,汽车把头摇。”曾经来往于塔拉滩的司机口中,流传过这样一句顺口溜。

当年穿越塔拉滩时,车不仅颠得厉害,风沙一吹还把汽车打得千疮百孔,司机们稍不留神会吃到一嘴沙土。

由于干旱气候和风沙侵蚀,植被无法扎根,草场日益缩小,畜牧业更难以为继,牧民陆续迁出这里。

但高海拔意味着日光高辐射,加上终年干燥少雨,当地每天平均日照时间可达8个小时,每年光照时长超过1800个小时,原本恶劣的自然条件可以转变为光伏的资源优势。

十年间,这里陆续安装起超过700万块光伏板,装机容量达到2.2 GW,成为全球装机容量最大的光伏发电园区。

图源:作者拍摄

成片的光伏板取代了光秃秃的沙石地,可以阻挡风沙,进而减小当地风速。

另一方面,光伏板为土地遮挡强光直射,大大降低水分蒸发率,给草籽创造生长条件。平时清洁光伏板的用水也会流到下方土壤中,起到灌溉作用。

与光伏园区建设前相比,园区内的风速降低了50%,水分蒸发量减少了30%,植被盖度也恢复到80%以上。

但这同样有两面性,如果青草超过光伏板,会再度影响发电效率。青草枯萎后,还容易被光伏板折射的阳光点燃,造成安全风险。

与其花钱雇人来割草,还不如让牧民来这里放羊。”电站运维管理人员提议。

光伏电站尝试“请”来上万只羊群吃草,光伏板下的阴影适合羊群休息,羊粪又成为天然肥料,改善土壤肥力。这群“光伏羊”每年能帮助当地牧民增收200多万元。

曾迁出的牧羊人开始重返家园,他们不仅有了更多牧场,还能参与到光伏电站的日常清洗、安保运维工作中去。

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板上发电,板下放羊。图源:国家电投黄河公司

在塔拉滩,太阳能有一万种解法

在光伏牧场旁,我们看到一座露天的“光伏博物馆”。可以明显发现,这里林立着形态各异的光伏产品,堪称实体百科全书。

当下,光伏技术不断“内卷”,无论是硬件设备还是软件算法都在快速迭代。而对于大规模百兆瓦级光伏项目,在电站设计、设备选型、数据分析等方面更需多轮实证。

即使是产品间的微小不同,当乘以庞大的数量级之后,电站性能也会出现很大差异。

2016年,光伏园区内建起一个规模庞大的百兆瓦光伏发电户外检测实证平台,让148种光伏主流技术、产品同台对比。实证平台由6个试验区和2个测试平台组成,覆盖国内外制造商的光伏组件、逆变器、支架、储能等技术。

“光伏博物馆”。图源:作者拍摄

我们的车辆穿行于光伏支架的试验区,这是最直观能看出差异的一片区域。

支架被称为光伏的“骨架”,其成本约占电站投资成本的10-15%。太阳位置是随时变化的,起到角度调节功能的支架则直接影响发电效益。

“光伏支架主要分为固定式和跟踪式,固定式支架中又能细分为普通型和可调节型等,跟踪式支架也可细分为平单轴、斜单轴和双轴等。”国家电投黄河公司工作人员祁复林向36碳介绍。

跟踪支架类似“向日葵”,可随太阳入射角变化而调整角度,通常较固定支架可带来5%-35%发电量增益。

跟踪式支架。图源:国家电投黄河公司

但其中仍蕴含诸多不确定性,光伏支架的角度调节,同样是一门学问。

基于此,国家电投黄河公司和华为展开合作,在光伏逆变器中融入AI算法,根据云遮挡、云层移动等情况,计算出支架最佳转动角度,即便在多雨和多云的天气里,也能捕捉更多光照,可以额外再提升1.5%的发电量,类似智能指导员的角色。

双方还在电站运维中引入无人机和AI图像识别技术,让巡检时间从近2个月缩短到2天,实现智能化。

目前,这里已成为全球品种最全、方案最多、样本分析最权威光伏发电户外检测实证平台,并不断加入新的技术验证。

距离光伏园区不远的地方,还有一座被称作“镜子发电站”的塔式光热发电站。

3万面定日镜,以同心圆的形式围绕着中心一座210米高的吸热塔。当光束“万箭齐发“后,聚焦到中间这座吸热塔上,加热内部流动的熔盐,让熔盐产生高温高压的水蒸气,推动蒸汽轮发电机发出清洁电能。

在塔拉滩,从光伏发电到光热发电,在数以万计的新型技术中,我们找到了太阳能的无数种解法。伴随技术进步,这些解法还在不断延续。

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位于塔拉滩的光热发电项目。图源:新华社

龙羊峡谷,水与光的梦幻联动

从卫星地图俯瞰,沿着塔拉滩向东约36公里的地方,有一片形似龙身的水库,这里是“龙羊峡”,是黄河峡谷区第一个峡谷。

上世纪七十年代,历经几代人努力,当地建成一座龙羊峡水电站,成为黄河上游第一座大型梯级电站,有黄河“龙头”电站之称。

龙羊峡水电站平稳运行至今,年平均发电量60亿千瓦时,并拥有一座库容达247亿立方米的水库,相当于1700个杭州西湖。

如今,这里又有了新故事。

一座是运行40多年的“元老级”水电站,一片是塔拉滩上新建起的光伏海,二者展开一场梦幻联动,历史与现代开始交融碰撞。

光伏发电“靠天吃饭”,受环境影响具有间歇性和波动性。然而水力发电也存在“夏季丰水期、冬季枯水期”的季节性特点,但二者实则可以形成天然的年内互补。

这就诞生了“水光互补”的概念。

当太阳光照强时,用光伏发电,水电停用或者少发。当天气变化或或夜晚的时候,通过电网调度系统自动调节水力发电。

让光和水产生的能量相辅相成,把原本不稳定的锯齿型光伏电源,调整为均衡、优质、安全的平滑稳定电源。

水光互补示意图。图源:国家电投黄河公司

2013年,国家电投黄河公司开始建设龙羊峡水光互补光伏电站,目前装机总容量已达到850兆瓦,让传统能源与新能源融合起来。

“一条330千伏电压等级的输电线,连接起塔拉滩的“光”与龙羊峡的“水”,来自光伏电站的85万千瓦电通过这条输电线路,直接送到龙羊峡水电站。通过协调控制,将光伏电转化为虚拟水电送入电网。”国家电投黄河公司工作人员于海青说。

龙羊峡水电站。图源:作者拍摄

通过“水光互补”, 龙羊峡水电站送出线路的年利用小时数由原来的4621小时,提高到5019小时。以水光互补电站年均约14.94亿千瓦时的发电量计算,每年可减少二氧化碳排放约122.66万吨。

于海青介绍,未来水电站附近还将建起一个大型储能项目,这将成为全球首个梯级电站之间水能循环利用的储能示范项目,提供更稳定灵活的电力供应。

当地人说,青海海南州有三片蓝色的“海洋”: 一片是浩渺无垠的青海湖;一片是“黄河第一坝”龙羊峡水库;一片是全世界最大的光伏蓝海。

这片土地独享大自然的天然偏爱,而当地人也正在用更智慧、更节能的科学技艺,回报这份慷慨馈赠。