太阳能光伏技术在国家公园中的应用分析

国家林业和草原局昆明勘察设计院的研究人员王梦犀，在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文，以云南香格里拉普达措国家公园基础设施建设为例，从电源类型的选择、自然条件受限等角度分析，提出了采用太阳能光伏技术作为解决办法，为相关基础设施提供电力支持，对促进国家公园体制试点建设具有重要的实践意义。

太阳能光伏技术，指通过光伏效应直接将太阳能转化为电能的一种发电技术，是清洁绿色能源可再生利用的技术性体现，具有资源利用充足、技术成熟可靠、维护简单方便、使用寿命长、经济合理等特点。根据世界自然基金会研究结果可知，从减排二氧化碳效果而言，安装1m2光伏发电系统相当于植树造林100m2。

在国外，太阳能光伏技术起步较早，如美国、日本、欧洲等从上个世界末加大政策和资金投入，在市场运用上给予大量的支持，得到了一系列有价值的成果。我国通过多年的发展和实践，技术已比较成熟，广泛应用于交通、通信、农林等行业。

近年来，伴随国家实施生态文明建设，建设“美丽中国”，着力构建“山水林田湖草”的生态保护体系，持续增强了对林业生态的保护力度，尤其加大对各类自然保护地包括国家公园、自然保护区、森林公园、风景名胜区、自然遗产地等基础设施建设，不断运用新技术，因地制宜，探索出一条适合生态保护的技术思路。

本文以云南香格里拉普达措国家公园(以下简称“普达措国家公园”)基础设施建设为例，详细探讨太阳能光伏技术在生态保护中的典型应用。

1 背景

2019年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》，赋予国家公园等自然保护地新的历史使命，基础设施建设进入新的机遇期，更加注重生态保护和环境协调。

太阳能光伏技术国家公园基础设施建设，以普达措国家公园为例，该项目位于云南省迪庆州香格里拉市东部，距香格里拉县城22km。试点区地处滇西北“三江并流”世界自然遗产中心地带，由碧塔海自然保护区和“三江并流”世界自然遗产哈巴片区属都湖景区两部分构成，以属都湖和弥里塘亚高山牧场、碧塔海为主要组成部分。

试点区具有集寒温性原始暗针叶林植被、亚高山草甸、沼泽草甸及高原湖泊植被为一体的内陆高原生态系统，地质地貌、湖泊湿地、森林草甸、河谷溪流、珍稀动植物等生态资源保存完好，具备国际重要湿地、自然保护区和“三江并流”世界自然遗产的特点。

普达措国家公园的基础设施建设，包括界桩界碑、宣传牌、管理站点建设、生态巡护监测、环境整治、巡护道路、社区共建等内容，其中，涉及用电项目为管理站、道路照明、视频监控、污水处理和科研监测等。

管理用房指管理局、管理站或检查站，管理局基本位于县城内，地理条件好，用电问题均可由市政电网解决，而管理站或检查站一般建于乡镇或野外，自然条件相对较差，电力供给往往达不到要求，多数条件下需要自备电源。

道路照明，一般指靠近管理站或者社区的部分交通路段照明或管理站的内部场地照明。视频监控系统，指资源监控系统或安防监控系统，资源监控系统指以野生动植物、雪山、草甸和森林为主要监控对象，借助大视野、云台红外-可见光双摄像头、远距离传输和后台大屏幕显示系统为一体的综合智能视频监控系统，安防监控系统的覆盖面较小，沿巡护道路布设，主要针对进出人员或动物的常规监视。

污水处理，一般是针对管理站或生态厕所的污水进行处理。科研监测，除便携式的设备取样或记录监测外，一部分野外实验需要专门的现场记录和实验设备，需要现场用电，如水文或气象观测场(站)等。

2 太阳能光伏技术的应用

2.1 电源类型的选择

同绝大多数自然保护地一样，在普达措国家公园的基础设施建设中，电源成为制约用电项目建设的主要因素之一。由于用电项目的功率较小，布局分散，且相互之间的距离较远，由供电部门直接专线供电成本太大，也不符合实际情况。

因此，在有条件的情况下，尽可能采用市政电网(或农村电网)的低压电源较为实际，但一些保护和监测项目迫于保护的需要，又碍于野外条件的制约，与市政电网相距甚远，附近又无村庄或居民点，除小部分可考虑就近接自农村电网外，基本上要考虑自备小型电源。根据现有的技术条件，常用的技术路线有太阳能(或风光互补)、风能、水能、海洋能、沼气能、柴油发电机组等。

普达措国家公园地处青藏高原东南边缘迪庆高原，由亚洲地势第一阶梯(青藏高原)向第二阶梯(云南高原)过渡的陡降坡度带上，横断山纵向岭谷区中段，不存在海洋能。整个国家公园地势由北部、西部和南部向东部倾斜，最高点位于尼汝村北部山顶，海拔4.67km，最低点位于东部附近的尼汝河河谷，海拔2.347km，相对高度2.323km，高差悬殊，水能的利用难度太大，且传输不经济。

沼气能虽然对环境的污染小，但在国家公园野外工作中，人员维护不便，需求尚小，投入发电机组、回收装置等，不经济合理，早些年在农村已退出了历史的舞台。柴油发电机组，是一种常规的应急电源，但有噪音和油污，极容易对野生动植物本身及其栖息环境造成干扰，不适合在国家公园的野外环境投入使用。

风能，是一种较好的新能源类型，但是由于国家林地占用政策不允许且其投资较大，需控制规模为小型风力发电机，考虑到香格里拉高原季风气候，风力受季节影响较大，风力分布不均匀，可以利用但不能作为四季主要的电源。因此，选择范围缩小至太阳能(或风光互补)型电源。

根据光资源环境分析报告提供的资料显示，普达措国家公园大部分地区海拔在3.5km以上，属于典型的高原高山地区，大气透明度高，气压较低，空气稀薄，晴天太阳辐射尤其是紫外辐射很强，项目地的年太阳总辐射量高达5618MJ/m，年日照时数长达2186h，是云南省的高值区之一。可以看到，太阳能(或局部有条件采用风光互补)作为自备电源会是唯一且合理的选择。

图1 云南省太阳能年总辐射量分布图

图2 云南省年平均日照百分率分布

2.2 太阳能光伏技术的应用实践

在普达措国家公园基础设施建设中，充分利用当地丰富的太阳能作为自备电源，以太阳能光伏技术为野外用电项目提供电力支持，是十分可行的。普达措国家公园中用电对象围绕管理站、道路照明、视频监控、污水处理和科研监测等项目，采用太阳能光伏建筑一体化、视频监控-风光互补技术和太阳能发光二极管(light emitting diode, LED)景观照明3种形式。

1)太阳能光伏建筑一体化

普达措国家公园里面的管理站(含科研监测用房、生态厕所)，绝大多数位于野外空旷地带，建筑本身已考虑与环境相协调，建筑体可采用太阳能光伏建筑一体化，本着“节能、环保、安全、美观和经济实用”的原则，同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用，进行屋顶分布式光伏发电，为建筑体自身的照明插座、设备仪器、污水处理设施提供电力供应，满足正常使用功能的要求。

图3 管理站太阳能光伏建筑一体化

管理站的太阳能光伏建筑一体化，采用独立安装型，即将普通的太阳能板通过专用的装配件与屋顶建筑结构体施工连接(坡屋面顺坡安装型)，直接为建筑体供电，节约场地，不影响野生动物的栖息环境和植物的生长环境。

此外，普通太阳电池板可批量生产和采购，成本低廉，安装方便，虽无法代替建筑材料直接使用，但是可以作为一种独立的设计元素与建筑体自身加以整合，不失为独特的建筑隐蔽效果;另外，市场上光伏系统可作为房屋的一部分打包出售，无需另外单独安装和改造房屋线路。

管理站光伏发电的应用形式采用离网系统，包括太阳能电池板、控制器、蓄电池组、逆变器等部分组成，其系统结构如图4所示。

图4 管理站离网光伏系统的结构示意图

根据管理站自身业务功能和后期发展的需求，需要建设20kWp的离网太阳能光伏发电系统，太阳能板设计选用80块的250Wp多晶硅电池组件(10块串联一组)，其中，光伏组件的峰值功率250Wp、开路电压37.6V、短路电流8.81A、工作电压30.4V、工作电流8.23A、最大外形尺寸1650mm×992mm× 45mm。控制器设计考虑充满、欠压、过放、短路和防范冲控制。

其中，控制器的额定电压DC220V、输入电流88.1A(选用100A)、最大光伏组件功率20kWp、充电回路压降≤1.35V、放电回路压降≤0.1V。蓄电池设计考虑阀控铅酸蓄电池，寿命长、免维护，要求能满足阴雨天连续使用3天以上，蓄电池容量为800Ah，额定工作电压2V，自放电率<3%。

考虑逆变器稳定性设计的直流输入电压220V、电流65.8A，交流输出电压220V、电流90.9A，额定容量20kVA，额定输出功率16kW。另外，选用1台30kVA的交流配电柜，匹配2路防雷汇线盒。有条件的管理站建立屋顶光伏巡检运维系统，及时发现故障并迅速进行处置。

2)视频监控-风光互补技术

普达措国家公园内的野外视频监控系统的电源，综合考虑风光互补供电技术，不少于7个阴雨天的设备连续运行供电。风光互补设备安装在不低于15m的资源监测专用铁塔上，适应高寒高海拔地区的巡视监控需要。

单个监控基站的电源设备，设计选用“小型风力发电机+太阳能组件+风光互补视频监控综合控制柜”。

关于小型风力发电机，采用水平轴风力发电机，额定功率控制600W，额定电压48V，叶片数量3～5叶为宜，叶片直径不超过1.75m，起动风速2.5m/s，切入风速3m/s，发电机效率不低于0.75。

关于太阳能组件，采用单晶硅太阳能电池组件，转换率控制在18%以上，峰值功率不超过200W，工作电压36V，工作电流5.56A，最大外形尺寸1580mm×808mm×35mm，质量不超过15kg。太阳能专用胶体电池，额定电压12V，额定容量200Ah。

关于风光互补视频监控综合控制柜，小型风机低风速时切入充电，最大功率点追踪(maximum power point tracking, MPPT)，功率曲线变化可调，具有防雷保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、断路保护、输入限功率保护、夜间防反冲保护以及超温保护。其中，风机充电控制器，最大接入风机功率600W，太阳能充放电控制器，逆变交流输出220V、最大充放电流60A。

图5 视频监控-风光互补安装示意图

3)太阳能LED景观照明

在普达措国家公园内管理站的内部场地照明或村庄社区的部分交通路段照明，设计考虑太阳能LED景观照明。太阳能LED景观照明，以太阳能为电源，采用LED光源，灯具形式主要为以路灯(庭院灯)、草坪灯等。

LED光源是行业认可的太阳能光伏技术最合适的光源，以此用于太阳能景观照明符合节能环保的要求。根据测试数据显示，LED属于高效光源，发光效率高，耗电量小，使用寿命长，与白炽灯相比节电效率可以达到90%以上。在同样亮度下，LED光源耗电量仅为普通白炽灯的1/10，荧光灯的1/3，低压型节能灯的1/2。

太阳能LED景观照明的供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器和蓄电池(组)组成。根据灯具的需要如输出电源为交流220V或110V，可配置逆变器，LED均流驱动器，以及选用先进的LED路灯系统及其控制策略。

图6 太阳能LED景观照明示意图

3 结论

以国家公园为代表的自然保护地，具有资源丰富、生态多样、生态环境脆弱等典型地域特征，是中国特色自然保护地体系的重要内容，因地制宜，充分利用太阳能光伏建筑一体化、视频监控-风光互补技术、太阳能LED景观照明等太阳能光伏技术，解决因自然条件受限的电源问题，不失为一种新的技术理念，对促进国家公园体制试点建设具有重要的实践意义。