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
作者简介:
魏 琦（1969—），男，教授级高级工程师.研究方向:综合能源服务及相关技术. E-mail：weiqi@sgecs.sgcc.com.cn
魏琦，河南遂平人，教授级高级工程师。1993年毕业于太原工业大学电力系统及其自动化专业，2005年获太原理工大学电气工程专业工程硕士学位。国网综合能源服务集团有限公司董事、党委副书记、副总经理，电力行业电动汽车充电设施标准化技术委员会副主任委员。长期致力于综合能源服务战略性新兴产业的发展建设及相关技术研究。
通信作者:
Exploring the Mode of Energy and Hydraulic Engineering Combination — An Example of the Photovoltaic Tianhe Project of the South-to-North Water Diversion West Route Project
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摘要: 在国家“3060”双碳能源战略背景下，南水北调工程为西部地区探索碳中和带来了新的机遇。然而，水利工程在建设过程中会造成大量碳排放，在碳约束下，水利工程应规划与部署减碳方案。南水北调作为世界最大的跨流域调水工程，其东线和中线工程一期方案已实施，西线工程的方案尚在论证与优化中。以南水北调西线工程为例，提出将能源与水利结合的创新模式，即光伏天河工程模式。光伏天河工程是将光伏阵列布设于西线工程的水渠水面及防护带地面上，从而形成规模宏大的带状光伏电站。南水北调西线工程全长超过2 300 km，除去隧道沟渠等部分，假设可铺设光伏面板的渠道长1 000 km，水面外加两侧防护带宽度，光伏天河总体安装面积达到120 km2。以每平米铺设120 W光伏面板进行计算，西线工程沿线可安装光伏14.4 GW。光伏天河系统每年发电量约1.87 × 109 kW·h，节约标煤约2.30 × 106 t，减少将近6.03 × 106 t的CO2排放量，有助于西线工程的整体减排降碳。以1 MW光伏装机为基准，光伏工程的投资回收年限为14 a，通过低息贷款和技术革新可缩短投资回收期。提出两点政策建议：一是，南水北调西线方案在规划时应考虑将调水与能源结合，在渠道全线布设光伏阵列搭建光伏天河；二是，沿西线节点建立规模不等的地面和漂浮式光伏电站及抽水蓄能电站，形成若干水光互补绿色能源基地。Abstract: In the context of the national “3060” dual carbon energy strategy, the South-to-North Water Diversion Project will bring opportunity to China’s western district. In the carbon limitation background, decarbonization methods should be valued to compensate the significant carbon emissions from the hydraulic engineering project. As the world biggest water transfer project, the South-to-North Water Division Project has completed the first phase of the Center Route and East Route, and its West Route is under plan discussion. In consideration of the carbon emissions from the hydraulic project, we introduced a new mode combining energy and hydraulic engineering for decarbonization, by installing the photovoltaic panels upon the water and protection zone, named as photovoltaic Tianhe. Based on the original length of 2300 km for the West Route, the length for photovoltaic panels of 1000 km, including the water and protection zone, and the total area of 120 km2 were assumed. The whole photovoltaic volume would reach 14.4 GW, which will produce yearly 18.7 billion kW·h green electricity, save 2.3 million tons of the coal, and reduce 6.03 million tons of the CO2 emission to help decarbonize the whole West Route project. Taking 1 MW as the baseline, the return on investment of the photovoltaic project is calculated as 14 years, which could be shortened by low-interest loan and new technology. According to the above research, we made two policy suggestions: firstly, the energy and hydraulic combination mode should be considered within the West Route’s planning phase, building photovoltaic Tianhe project upon the water panel; secondly, to establish several water-solar combined green energy bases along the West Route, composing of ground photovoltaic power station, water floating photovoltaic power station and pumped-storage hydroelectricity.
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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4.0×1010 m3，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1000 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1.15×106 km2，勘查了从海拔2000 m到4400 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0.2157%，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Table 1 List of hydraulic photovoltaic research研究对象 研究内容 主要研究结论 西班牙 El Negret 水库光伏[11] 7%水库面积的漂浮式光伏 水库光伏峰值功率22.27 kW，发电量28 349 (kW·h)/a，盈利指数9.86%，
内部回报率12.65%，在未计算防蒸发水价和政府补贴情景下盈利良好印度 Vododara 水渠光伏[13] 10 MW水渠光伏 水渠光伏减少水分蒸发量9.554 × 107 m3/a，光伏组建衰减率1.93%/a，转
换效率受水面折射影响，单纯光伏发电效率不及同地区陆上光伏电站埃及 Sheikh Zayed 运河[14] 灌溉水渠和大坝漂浮式光伏 灌溉水渠光伏：最佳铺设面积比例50%，减少水分蒸发量4.39×106 m3/a，
发电量1.035×106 (kW·h)/a；自然大坝光伏：最佳铺设面积比例32.8%，
减少水分蒸发5.85×106 m3/a，发电量1.55×106 (kW·h)/a南水北调中线工程光伏[19] 多情景架高式水渠光伏 情景1：水渠光伏长820 km，宽40 m，投资3.733×109元，发电量659 GW/a，
投资回收期11.2 a，全生命周期碳排放2 972 t，减排1.887×105t，替代传统
能源后的减排效率98.45%；情景2：水渠光伏长820 km，宽200 m，投资
1.866 5×1010元，发电量3 295 GWh/a，投资回收期11.2 a伊朗Kutzestan水库光伏[21] 240 kW漂浮式水库光伏 水库光伏减少水分蒸发量13 950 m3/a，等同于24%水库总储水量，发电量
3.805 × 105 (kW·h)/a，生态和绿电收益远超过溢价20%的工程施工成本巴西São Francisco流域[22] 多个蓄水库漂浮式光伏 水库光伏与水电站错峰互补，发电量提升51.2%～105.6%，对研究该流
域应对气候变化有积极作用西班牙Agost 水库光伏[23] 300 kW漂浮式水库光伏 水库光伏减少水分蒸发量5 000 m3/a，等同于25%水库总储水量，发电量
4.75 × 105 (kW·h)/a，平衡地区生态和能源需求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。
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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]。
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。
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。
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由图4可知，该方案是由雅砻江、大渡河调水4.0 × 109 m3的上线和加上由金沙江、雅砻江、大渡河调水1.30 × 1010 m3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。
$$ {{\rm{RI}}}_{t}={{\rm{RI}}}_{t-1}+{R}_{t}+I+{C}_{t} $$ (1) 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）Table 2 List of the invest-of-return and emission reduction amount (with 1 MW calculated)时间/a 上网电价（含补贴除税）/元 每年发电量（衰减系数0.8%）/(kW·h) 上网电量每年收入/元 CO2每年减排量/t 投资回收/元 建设期 0.37 — — — –3 500 000.00 1 0.37 1 107 410 409 741.70 356 583.58 –3 285 258.30 5 0.37 1 071 973 396 629.97 345 173.16 –2 347 876.24 10 0.37 1 027 676 380 240.30 330 909.62 –968 005.19 14 0.37 992 239 367 128.56 319 498.97 341 604.67 15 0.37 983 380 363 850.63 316 646.39 685 455.30 20 0.37 939 084 347 460.96 302 383.17 2 355 539.45 25 0.37 894 787 331 071.29 288 119.62 3 943 675.25 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：
$$ {E}_{{\rm{p}}}=\frac{{H}_{{\rm{A}}}\times {P}_{{\rm{AZ}}}\times k}{{E}_{{\rm{S}}}} $$ (2) 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：
$$ {T}_{{\rm{c}}}={E}_{{\rm{P}}}\times {k}_{{\rm{pc}}} $$ (3) 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：
$$ {T}_{{\rm{co}}_2}={T}_{{\rm{c}}}\times {k}_{{\rm{cc}}} $$ (4) 式中：
$ {T}_{{\rm{co}}_2} $ 为折算的CO2排放量，t；kcc为标准煤折算CO2排放系数，kcc=2.62。据式（2）～（4）测算，光伏天河每年可提供绿色电力超过1.87 × 1010 kW·h，节约标煤约2.30 × 106 t，减少CO2排放约6.03 × 106 t，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。
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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 × 1010 kW·h，CO2年排放量能减少6.03 × 106 t，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。
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表 1 水利光伏研究
Table 1 List of hydraulic photovoltaic research
研究对象 研究内容 主要研究结论 西班牙 El Negret 水库光伏[11] 7%水库面积的漂浮式光伏 水库光伏峰值功率22.27 kW，发电量28 349 (kW·h)/a，盈利指数9.86%，
内部回报率12.65%，在未计算防蒸发水价和政府补贴情景下盈利良好印度 Vododara 水渠光伏[13] 10 MW水渠光伏 水渠光伏减少水分蒸发量9.554 × 107 m3/a，光伏组建衰减率1.93%/a，转
换效率受水面折射影响，单纯光伏发电效率不及同地区陆上光伏电站埃及 Sheikh Zayed 运河[14] 灌溉水渠和大坝漂浮式光伏 灌溉水渠光伏：最佳铺设面积比例50%，减少水分蒸发量4.39×106 m3/a，
发电量1.035×106 (kW·h)/a；自然大坝光伏：最佳铺设面积比例32.8%，
减少水分蒸发5.85×106 m3/a，发电量1.55×106 (kW·h)/a南水北调中线工程光伏[19] 多情景架高式水渠光伏 情景1：水渠光伏长820 km，宽40 m，投资3.733×109元，发电量659 GW/a，
投资回收期11.2 a，全生命周期碳排放2 972 t，减排1.887×105t，替代传统
能源后的减排效率98.45%；情景2：水渠光伏长820 km，宽200 m，投资
1.866 5×1010元，发电量3 295 GWh/a，投资回收期11.2 a伊朗Kutzestan水库光伏[21] 240 kW漂浮式水库光伏 水库光伏减少水分蒸发量13 950 m3/a，等同于24%水库总储水量，发电量
3.805 × 105 (kW·h)/a，生态和绿电收益远超过溢价20%的工程施工成本巴西São Francisco流域[22] 多个蓄水库漂浮式光伏 水库光伏与水电站错峰互补，发电量提升51.2%～105.6%，对研究该流
域应对气候变化有积极作用西班牙Agost 水库光伏[23] 300 kW漂浮式水库光伏 水库光伏减少水分蒸发量5 000 m3/a，等同于25%水库总储水量，发电量
4.75 × 105 (kW·h)/a，平衡地区生态和能源需求表 2 投资回收与碳减排（以1 MW测算）
Table 2 List of the invest-of-return and emission reduction amount (with 1 MW calculated)
时间/a 上网电价（含补贴除税）/元 每年发电量（衰减系数0.8%）/(kW·h) 上网电量每年收入/元 CO2每年减排量/t 投资回收/元 建设期 0.37 — — — –3 500 000.00 1 0.37 1 107 410 409 741.70 356 583.58 –3 285 258.30 5 0.37 1 071 973 396 629.97 345 173.16 –2 347 876.24 10 0.37 1 027 676 380 240.30 330 909.62 –968 005.19 14 0.37 992 239 367 128.56 319 498.97 341 604.67 15 0.37 983 380 363 850.63 316 646.39 685 455.30 20 0.37 939 084 347 460.96 302 383.17 2 355 539.45 25 0.37 894 787 331 071.29 288 119.62 3 943 675.25 -
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