國(guó)家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院的研究人員王夢(mèng)犀，在2020年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，以云南香格里拉普達(dá)措國(guó)家公園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為例，從電源類型的選擇、自然條件受限等角度分析，提出了采用太陽(yáng)能光伏技術(shù)作為解決辦法，為相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施提供電力支持，對(duì)促進(jìn)國(guó)家公園體制試點(diǎn)建設(shè)具有重要的實(shí)踐意義。
太陽(yáng)能光伏技術(shù)，指通過光伏效應(yīng)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電技術(shù)，是清潔綠色能源可再生利用的技術(shù)性體現(xiàn)，具有資源利用充足、技術(shù)成熟可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)。根據(jù)世界自然基金會(huì)研究結(jié)果可知，從減排二氧化碳效果而言，安裝1m2光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于植樹造林100m2。
在國(guó)外，太陽(yáng)能光伏技術(shù)起步較早，如美國(guó)、日本、歐洲等從上個(gè)世界末加大政策和資金投入，在市場(chǎng)運(yùn)用上給予大量的支持，得到了一系列有價(jià)值的成果。我國(guó)通過多年的發(fā)展和實(shí)踐，技術(shù)已比較成熟，廣泛應(yīng)用于交通、通信、農(nóng)林等行業(yè)。
近年來，伴隨國(guó)家實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)，建設(shè)“美麗中國(guó)”，著力構(gòu)建“山水林田湖草”的生態(tài)保護(hù)體系，持續(xù)增強(qiáng)了對(duì)林業(yè)生態(tài)的保護(hù)力度，尤其加大對(duì)各類自然保護(hù)地包括國(guó)家公園、自然保護(hù)區(qū)、森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)、自然遺產(chǎn)地等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不斷運(yùn)用新技術(shù)，因地制宜，探索出一條適合生態(tài)保護(hù)的技術(shù)思路。
本文以云南香格里拉普達(dá)措國(guó)家公園（以下簡(jiǎn)稱“普達(dá)措國(guó)家公園”）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為例，詳細(xì)探討太陽(yáng)能光伏技術(shù)在生態(tài)保護(hù)中的典型應(yīng)用。
2019年，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于建立以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地體系的指導(dǎo)意見》，賦予國(guó)家公園等自然保護(hù)地新的歷史使命，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入新的機(jī)遇期，更加注重生態(tài)保護(hù)和環(huán)境協(xié)調(diào)。
太陽(yáng)能光伏技術(shù)國(guó)家公園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以普達(dá)措國(guó)家公園為例，該項(xiàng)目位于云南省迪慶州香格里拉市東部，距香格里拉縣城22km。試點(diǎn)區(qū)地處滇西北“三江并流”世界自然遺產(chǎn)中心地帶，由碧塔海自然保護(hù)區(qū)和“三江并流”世界自然遺產(chǎn)哈巴片區(qū)屬都湖景區(qū)兩部分構(gòu)成，以屬都湖和彌里塘亞高山牧場(chǎng)、碧塔海為主要組成部分。
試點(diǎn)區(qū)具有集寒溫性原始暗針葉林植被、亞高山草甸、沼澤草甸及高原湖泊植被為一體的內(nèi)陸高原生態(tài)系統(tǒng)，地質(zhì)地貌、湖泊濕地、森林草甸、河谷溪流、珍稀動(dòng)植物等生態(tài)資源保存完好，具備國(guó)際重要濕地、自然保護(hù)區(qū)和“三江并流”世界自然遺產(chǎn)的特點(diǎn)。
普達(dá)措國(guó)家公園的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括界樁界碑、宣傳牌、管理站點(diǎn)建設(shè)、生態(tài)巡護(hù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境整治、巡護(hù)道路、社區(qū)共建等內(nèi)容，其中，涉及用電項(xiàng)目為管理站、道路照明、視頻監(jiān)控、污水處理和科研監(jiān)測(cè)等。
管理用房指管理局、管理站或檢查站，管理局基本位于縣城內(nèi)，地理?xiàng)l件好，用電問題均可由市政電網(wǎng)解決，而管理站或檢查站一般建于鄉(xiāng)鎮(zhèn)或野外，自然條件相對(duì)較差，電力供給往往達(dá)不到要求，多數(shù)條件下需要自備電源。
道路照明，一般指靠近管理站或者社區(qū)的部分交通路段照明或管理站的內(nèi)部場(chǎng)地照明。視頻監(jiān)控系統(tǒng)，指資源監(jiān)控系統(tǒng)或安防監(jiān)控系統(tǒng)，資源監(jiān)控系統(tǒng)指以野生動(dòng)植物、雪山、草甸和森林為主要監(jiān)控對(duì)象，借助大視野、云臺(tái)紅外-可見光雙攝像頭、遠(yuǎn)距離傳輸和后臺(tái)大屏幕顯示系統(tǒng)為一體的綜合智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，安防監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋面較小，沿巡護(hù)道路布設(shè)，主要針對(duì)進(jìn)出人員或動(dòng)物的常規(guī)監(jiān)視。
污水處理，一般是針對(duì)管理站或生態(tài)廁所的污水進(jìn)行處理?？蒲斜O(jiān)測(cè)，除便攜式的設(shè)備取樣或記錄監(jiān)測(cè)外，一部分野外實(shí)驗(yàn)需要專門的現(xiàn)場(chǎng)記錄和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，需要現(xiàn)場(chǎng)用電，如水文或氣象觀測(cè)場(chǎng)（站）等。
2 太陽(yáng)能光伏技術(shù)的應(yīng)用
同絕大多數(shù)自然保護(hù)地一樣，在普達(dá)措國(guó)家公園的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，電源成為制約用電項(xiàng)目建設(shè)的主要因素之一。由于用電項(xiàng)目的功率較小，布局分散，且相互之間的距離較遠(yuǎn)，由供電部門直接專線供電成本太大，也不符合實(shí)際情況。
因此，在有條件的情況下，盡可能采用市政電網(wǎng)（或農(nóng)村電網(wǎng)）的低壓電源較為實(shí)際，但一些保護(hù)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目迫于保護(hù)的需要，又礙于野外條件的制約，與市政電網(wǎng)相距甚遠(yuǎn)，附近又無村莊或居民點(diǎn)，除小部分可考慮就近接自農(nóng)村電網(wǎng)外，基本上要考慮自備小型電源。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，常用的技術(shù)路線有太陽(yáng)能（或風(fēng)光互補(bǔ)）、風(fēng)能、水能、海洋能、沼氣能、柴油發(fā)電機(jī)組等。
普達(dá)措國(guó)家公園地處青藏高原東南邊緣迪慶高原，由亞洲地勢(shì)第一階梯（青藏高原）向第二階梯（云南高原）過渡的陡降坡度帶上，橫斷山縱向嶺谷區(qū)中段，不存在海洋能。整個(gè)國(guó)家公園地勢(shì)由北部、西部和南部向東部?jī)A斜，最高點(diǎn)位于尼汝村北部山頂，海拔4.67km，最低點(diǎn)位于東部附近的尼汝河河谷，海拔2.347km，相對(duì)高度2.323km，高差懸殊，水能的利用難度太大，且傳輸不經(jīng)濟(jì)。
沼氣能雖然對(duì)環(huán)境的污染小，但在國(guó)家公園野外工作中，人員維護(hù)不便，需求尚小，投入發(fā)電機(jī)組、回收裝置等，不經(jīng)濟(jì)合理，早些年在農(nóng)村已退出了歷史的舞臺(tái)。柴油發(fā)電機(jī)組，是一種常規(guī)的應(yīng)急電源，但有噪音和油污，極容易對(duì)野生動(dòng)植物本身及其棲息環(huán)境造成干擾，不適合在國(guó)家公園的野外環(huán)境投入使用。
風(fēng)能，是一種較好的新能源類型，但是由于國(guó)家林地占用政策不允許且其投資較大，需控制規(guī)模為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，考慮到香格里拉高原季風(fēng)氣候，風(fēng)力受季節(jié)影響較大，風(fēng)力分布不均勻，可以利用但不能作為四季主要的電源。因此，選擇范圍縮小至太陽(yáng)能（或風(fēng)光互補(bǔ)）型電源。
根據(jù)光資源環(huán)境分析報(bào)告提供的資料顯示，普達(dá)措國(guó)家公園大部分地區(qū)海拔在3.5km以上，屬于典型的高原高山地區(qū)，大氣透明度高，氣壓較低，空氣稀薄，晴天太陽(yáng)輻射尤其是紫外輻射很強(qiáng)，項(xiàng)目地的年太陽(yáng)總輻射量高達(dá)5618MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)達(dá)2186h，是云南省的高值區(qū)之一?？梢钥吹?，太陽(yáng)能（或局部有條件采用風(fēng)光互補(bǔ)）作為自備電源會(huì)是惟一且合理的選擇。
2.2 太陽(yáng)能光伏技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐
在普達(dá)措國(guó)家公園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，充分利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽(yáng)能作為自備電源，以太陽(yáng)能光伏技術(shù)為野外用電項(xiàng)目提供電力支持，是十分可行的。普達(dá)措國(guó)家公園中用電對(duì)象圍繞管理站、道路照明、視頻監(jiān)控、污水處理和科研監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，采用太陽(yáng)能光伏建筑一體化、視頻監(jiān)控-風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)和太陽(yáng)能發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）景觀照明3種形式。
普達(dá)措國(guó)家公園里面的管理站（含科研監(jiān)測(cè)用房、生態(tài)廁所），絕大多數(shù)位于野外空曠地帶，建筑本身已考慮與環(huán)境相協(xié)調(diào)，建筑體可采用太陽(yáng)能光伏建筑一體化，本著“節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀和經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的原則，同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收，與建設(shè)工程同時(shí)投入使用，進(jìn)行屋頂分布式光伏發(fā)電，為建筑體自身的照明插座、設(shè)備儀器、污水處理設(shè)施提供電力供應(yīng)，滿足正常使用功能的要求。
管理站的太陽(yáng)能光伏建筑一體化，采用獨(dú)立安裝型，即將普通的太陽(yáng)能板通過專用的裝配件與屋頂建筑結(jié)構(gòu)體施工連接（坡屋面順坡安裝型），直接為建筑體供電，節(jié)約場(chǎng)地，不影響野生動(dòng)物的棲息環(huán)境和植物的生長(zhǎng)環(huán)境。
此外，普通太陽(yáng)電池板可批量生產(chǎn)和采購(gòu)，成本低廉，安裝方便，雖無法代替建筑材料直接使用，但是可以作為一種獨(dú)立的設(shè)計(jì)元素與建筑體自身加以整合，不失為獨(dú)特的建筑隱蔽效果；另外，市場(chǎng)上光伏系統(tǒng)可作為房屋的一部分打包出售，無需另外單獨(dú)安裝和改造房屋線路。
管理站光伏發(fā)電的應(yīng)用形式采用離網(wǎng)系統(tǒng)，有太陽(yáng)能電池板、控制器、蓄電池組、逆變器等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 管理站離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)管理站自身業(yè)務(wù)功能和后期發(fā)展的需求，需要建設(shè)20kWp的離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)能板設(shè)計(jì)選用80塊的250Wp多晶硅電池組件（10塊串聯(lián)一組），其中，光伏組件的峰值功率250Wp、開路電壓37.6V、短路電流8.81A、工作電壓30.4V、工作電流8.23A、最大外形尺寸1650mm×992mm× 45mm?？刂破髟O(shè)計(jì)考慮充滿、欠壓、過放、短路和防范沖控制。
其中，控制器的額定電壓DC220V、輸入電流88.1A（選用100A）、最大光伏組件功率20kWp、充電回路壓降≤1.35V、放電回路壓降≤0.1V。蓄電池設(shè)計(jì)考慮閥控鉛酸蓄電池，壽命長(zhǎng)、免維護(hù)，要求能滿足陰雨天連續(xù)使用3天以上，蓄電池容量為800A?h，額定工作電壓2V，自放電率＜3%。
考慮逆變器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的直流輸入電壓220V、電流65.8A，交流輸出電壓220V、電流90.9A，額定容量20kVA，額定輸出功率16kW。另外，選用1臺(tái)30kVA的交流配電柜，匹配2路防雷匯線盒。有條件的管理站建立屋頂光伏巡檢運(yùn)維系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并迅速進(jìn)行處置。
2）視頻監(jiān)控-風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)
普達(dá)措國(guó)家公園內(nèi)的野外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電源，綜合考慮風(fēng)光互補(bǔ)供電技術(shù)，不少于7個(gè)陰雨天的設(shè)備連續(xù)運(yùn)行供電。風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備安裝在不低于15m的資源監(jiān)測(cè)專用鐵塔上，適應(yīng)高寒高海拔地區(qū)的巡視監(jiān)控需要。
單個(gè)監(jiān)控基站的電源設(shè)備，設(shè)計(jì)選用“小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)+太陽(yáng)能組件+風(fēng)光互補(bǔ)視頻監(jiān)控綜合控制柜”。
關(guān)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定功率控制600W，額定電壓48V，葉片數(shù)量3～5葉為宜，葉片直徑不超過1.75m，起動(dòng)風(fēng)速2.5m/s，切入風(fēng)速3m/s，發(fā)電機(jī)效率不低于0.75。
關(guān)于太陽(yáng)能組件，采用單晶硅太陽(yáng)能電池組件，轉(zhuǎn)換率控制在18%以上，峰值功率不超過200W，工作電壓36V，工作電流5.56A，最大外形尺寸1580mm×808mm×35mm，質(zhì)量不超過15kg。太陽(yáng)能專用膠體電池，額定電壓12V，額定容量200A?h。
關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)視頻監(jiān)控綜合控制柜，小型風(fēng)機(jī)低風(fēng)速時(shí)切入充電，最大功率點(diǎn)追蹤（maximum power point tracking, MPPT），功率曲線變化可調(diào)，具有防雷保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)、斷路保護(hù)、輸入限功率保護(hù)、夜間防反沖保護(hù)以及超溫保護(hù)。其中，風(fēng)機(jī)充電控制器，最大接入風(fēng)機(jī)功率600W，太陽(yáng)能充放電控制器，逆變交流輸出220V、最大充放電流60A。
圖5 視頻監(jiān)控-風(fēng)光互補(bǔ)安裝示意圖
在普達(dá)措國(guó)家公園內(nèi)管理站的內(nèi)部場(chǎng)地照明或村莊社區(qū)的部分交通路段照明，設(shè)計(jì)考慮太陽(yáng)能LED景觀照明。太陽(yáng)能LED景觀照明，以太陽(yáng)能為電源，采用LED光源，燈具形式主要為以路燈（庭院燈）、草坪燈等。
LED光源是行業(yè)認(rèn)可的太陽(yáng)能光伏技術(shù)最合適的光源，以此用于太陽(yáng)能景觀照明符合節(jié)能環(huán)保的要求。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，LED屬于高效光源，發(fā)光效率高，耗電量小，使用壽命長(zhǎng)，與白熾燈相比節(jié)電效率可以達(dá)到90%以上。在同樣亮度下，LED光源耗電量?jī)H為普通白熾燈的1/10，熒光燈的1/3，低壓型節(jié)能燈的1/2。
太陽(yáng)能LED景觀照明的供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器和蓄電池（組）組成。根據(jù)燈具的需要如輸出電源為交流220V或110V，可配置逆變器，LED均流驅(qū)動(dòng)器，以及選用先進(jìn)的LED路燈系統(tǒng)及其控制策略。
以國(guó)家公園為代表的自然保護(hù)地，具有資源豐富、生態(tài)多樣、生態(tài)環(huán)境脆弱等典型地域特征，是中國(guó)特色自然保護(hù)地體系的重要內(nèi)容，因地制宜，充分利用太陽(yáng)能光伏建筑一體化、視頻監(jiān)控-風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)、太陽(yáng)能LED景觀照明等太陽(yáng)能光伏技術(shù)，解決因自然條件受限的電源問題，不失為一種新的技術(shù)理念，對(duì)促進(jìn)國(guó)家公園體制試點(diǎn)建設(shè)具有重要的實(shí)踐意義。
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