太陽能光伏技術，指通過光伏效應直接將太陽能轉化為電能的一種發電技術，是清潔綠色能源可再生利用的技術性體現，具有資源利用充足、技術成熟可靠、維護簡單方便、使用壽命長、經濟合理等特點。根據世界自然基金會研究結果可知，從減排二氧化碳效果而言，安裝1m2光伏發電系統相當于植樹造林100m2。

在國外，太陽能光伏技術起步較早，如美國、日本、歐洲等從上個世界末加大政策和資金投入，在市場運用上給予大量的支持，得到了一系列有價值的成果。我國通過多年的發展和實踐，技術已比較成熟，廣泛應用于交通、通信、農林等行業。

近年來，伴隨國家實施生態文明建設，建設“美麗中國”，著力構建“山水林田湖草”的生態保護體系，持續增強了對林業生態的保護力度，尤其加大對各類自然保護地包括國家公園、自然保護區、森林公園、風景名勝區、自然遺產地等基礎設施建設，不斷運用新技術，因地制宜，探索出一條適合生態保護的技術思路。

本文以云南香格里拉普達措國家公園（以下簡稱“普達措國家公園”）基礎設施建設為例，詳細探討太陽能光伏技術在生態保護中的典型應用。

1 背景

2019年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》，賦予國家公園等自然保護地新的歷史使命，基礎設施建設進入新的機遇期，更加注重生態保護和環境協調。

太陽能光伏技術國家公園基礎設施建設，以普達措國家公園為例，該項目位于云南省迪慶州香格里拉市東部，距香格里拉縣城22km。試點區地處滇西北“三江并流”世界自然遺產中心地帶，由碧塔海自然保護區和“三江并流”世界自然遺產哈巴片區屬都湖景區兩部分構成，以屬都湖和彌里塘亞高山牧場、碧塔海為主要組成部分。

試點區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陸高原生態系統，地質地貌、湖泊濕地、森林草甸、河谷溪流、珍稀動植物等生態資源保存完好，具備國際重要濕地、自然保護區和“三江并流”世界自然遺產的特點。

普達措國家公園的基礎設施建設，包括界樁界碑、宣傳牌、管理站點建設、生態巡護監測、環境整治、巡護道路、社區共建等內容，其中，涉及用電項目為管理站、道路照明、視頻監控、污水處理和科研監測等。

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，地理條件好，用電問題均可由市政電網解決，而管理站或檢查站一般建于鄉鎮或野外，自然條件相對較差，電力供給往往達不到要求，多數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的部分交通路段照明或管理站的內部場地照明。視頻監控系統，指資源監控系統或安防監控系統，資源監控系統指以野生動植物、雪山、草甸和森林為主要監控對象，借助大視野、云臺紅外-可見光雙攝像頭、遠距離傳輸和后臺大屏幕顯示系統為一體的綜合智能視頻監控系統，安防監控系統的覆蓋面較小，沿巡護道路布設，主要針對進出人員或動物的常規監視。

污水處理，一般是針對管理站或生態廁所的污水進行處理。科研監測，除便攜式的設備取樣或記錄監測外，一部分野外實驗需要專門的現場記錄和實驗設備，需要現場用電，如水文或氣象觀測場（站）等。

2 太陽能光伏技術的應用

2.1 電源類型的選擇

同絕大多數自然保護地一樣，在普達措國家公園的基礎設施建設中，電源成為制約用電項目建設的主要因素之一。由于用電項目的功率較小，布局分散，且相互之間的距離較遠，由供電部門直接專線供電成本太大，也不符合實際情況。

因此，在有條件的情況下，盡可能采用市政電網（或農村電網）的低壓電源較為實際，但一些保護和監測項目迫于保護的需要，又礙于野外條件的制約，與市政電網相距甚遠，附近又無村莊或居民點，除小部分可考慮就近接自農村電網外，基本上要考慮自備小型電源。根據現有的技術條件，常用的技術路線有太陽能（或風光互補）、風能、水能、海洋能、沼氣能、柴油發電機組等。

普達措國家公園地處青藏高原東南邊緣迪慶高原，由亞洲地勢第一階梯（青藏高原）向第二階梯（云南高原）過渡的陡降坡度帶上，橫斷山縱向嶺谷區中段，不存在海洋能。整個國家公園地勢由北部、西部和南部向東部傾斜，最高點位于尼汝村北部山頂，海拔4.67km，最低點位于東部附近的尼汝河河谷，海拔2.347km，相對高度2.323km，高差懸殊，水能的利用難度太大，且傳輸不經濟。

沼氣能雖然對環境的污染小，但在國家公園野外工作中，人員維護不便，需求尚小，投入發電機組、回收裝置等，不經濟合理，早些年在農村已退出了歷史的舞臺。柴油發電機組，是一種常規的應急電源，但有噪音和油污，極容易對野生動植物本身及其棲息環境造成干擾，不適合在國家公園的野外環境投入使用。

風能，是一種較好的新能源類型，但是由于國家林地占用政策不允許且其投資較大，需控制規模為小型風力發電機，考慮到香格里拉高原季風氣候，風力受季節影響較大，風力分布不均勻，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能（或風光互補）型電源。

根據光資源環境分析報告提供的資料顯示，普達措國家公園大部分地區海拔在3.5km以上，屬于典型的高原高山地區，大氣透明度高，氣壓較低，空氣稀薄，晴天太陽輻射尤其是紫外輻射很強，項目地的年太陽總輻射量高達5618MJ/m2，年日照時數長達2186h，是云南省的高值區之一。可以看到，太陽能（或局部有條件采用風光互補）作為自備電源會是唯一且合理的選擇。

圖1 云南省太陽能年總輻射量分布圖

圖2 云南省年平均日照百分率分布

2.2 太陽能光伏技術的應用實踐

在普達措國家公園基礎設施建設中，充分利用當地豐富的太陽能作為自備電源，以太陽能光伏技術為野外用電項目提供電力支持，是十分可行的。普達措國家公園中用電對象圍繞管理站、道路照明、視頻監控、污水處理和科研監測等項目，采用太陽能光伏建筑一體化、視頻監控-風光互補技術和太陽能發光二極管（light emitting diode, LED）景觀照明3種形式。

1）太陽能光伏建筑一體化

普達措國家公園里面的管理站（含科研監測用房、生態廁所），絕大多數位于野外空曠地帶，建筑本身已考慮與環境相協調，建筑體可采用太陽能光伏建筑一體化，本著“節能、環保、安全、美觀和經濟實用”的原則，同步設計、同步施工、同步驗收，與建設工程同時投入使用，進行屋頂分布式光伏發電，為建筑體自身的照明插座、設備儀器、污水處理設施提供電力供應，滿足正常使用功能的要求。

圖3 管理站太陽能光伏建筑一體化

管理站的太陽能光伏建筑一體化，采用獨立安裝型，即將普通的太陽能板通過專用的裝配件與屋頂建筑結構體施工連接（坡屋面順坡安裝型），直接為建筑體供電，節約場地，不影響野生動物的棲息環境和植物的生長環境。

此外，普通太陽電池板可批量生產和采購，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立的設計元素與建筑體自身加以整合，不失為獨特的建筑隱蔽效果；另外，市場上光伏系統可作為房屋的一部分打包出售，無需另外單獨安裝和改造房屋線路。

管理站光伏發電的應用形式采用離網系統，包括太陽能電池板、控制器、蓄電池組、逆變器等部分組成，其系統結構如圖4所示。

圖4 管理站離網光伏系統的結構示意圖

根據管理站自身業務功能和后期發展的需求，需要建設20kWp的離網太陽能光伏發電系統，太陽能板設計選用80塊的250Wp多晶硅電池組件（10塊串聯一組），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計考慮充滿、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。蓄電池設計考慮閥控鉛酸蓄電池，壽命長、免維護，要求能滿足陰雨天連續使用3天以上，蓄電池容量為800A?h，額定工作電壓2V，自放電率＜3%。

考慮逆變器穩定性設計的直流輸入電壓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維系統，及時發現故障并迅速進行處置。

2）視頻監控-風光互補技術

普達措國家公園內的野外視頻監控系統的電源，綜合考慮風光互補供電技術，不少于7個陰雨天的設備連續運行供電。風光互補設備安裝在不低于15m的資源監測專用鐵塔上，適應高寒高海拔地區的巡視監控需要。

單個監控基站的電源設備，設計選用“小型風力發電機+太陽能組件+風光互補視頻監控綜合控制柜”。

關于小型風力發電機，采用水平軸風力發電機，額定功率控制600W，額定電壓48V，葉片數量3～5葉為宜，葉片直徑不超過1.75m，起動風速2.5m/s，切入風速3m/s，發電機效率不低于0.75。

關于太陽能組件，采用單晶硅太陽能電池組件，轉換率控制在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，質量不超過15kg。太陽能專用膠體電池，額定電壓12V，額定容量200A?h。

關于風光互補視頻監控綜合控制柜，小型風機低風速時切入充電，最大功率點追蹤（maximum power point tracking, MPPT），功率曲線變化可調，具有防雷保護、過電壓保護、過電流保護、短路保護、斷路保護、輸入限功率保護、夜間防反沖保護以及超溫保護。其中，風機充電控制器，最大接入風機功率600W，太陽能充放電控制器，逆變交流輸出220V、最大充放電流60A。

圖5 視頻監控-風光互補安裝示意圖

3）太陽能LED景觀照明

在普達措國家公園內管理站的內部場地照明或村莊社區的部分交通路段照明，設計考慮太陽能LED景觀照明。太陽能LED景觀照明，以太陽能為電源，采用LED光源，燈具形式主要為以路燈（庭院燈）、草坪燈等。

LED光源是行業認可的太陽能光伏技術最合適的光源，以此用于太陽能景觀照明符合節能環保的要求。根據測試數據顯示，LED屬于高效光源，發光效率高，耗電量小，使用壽命長，與白熾燈相比節電效率可以達到90%以上。在同樣亮度下，LED光源耗電量僅為普通白熾燈的1/10，熒光燈的1/3，低壓型節能燈的1/2。

太陽能LED景觀照明的供電系統由太陽能電池組件、太陽能控制器和蓄電池（組）組成。根據燈具的需要如輸出電源為交流220V或110V，可配置逆變器，LED均流驅動器，以及選用先進的LED路燈系統及其控制策略。

圖6 太陽能LED景觀照明示意圖

3 結論

以國家公園為代表的自然保護地，具有資源豐富、生態多樣、生態環境脆弱等典型地域特征，是中國特色自然保護地體系的重要內容，因地制宜，充分利用太陽能光伏建筑一體化、視頻監控-風光互補技術、太陽能LED景觀照明等太陽能光伏技術，解決因自然條件受限的電源問題，不失為一種新的技術理念，對促進國家公園體制試點建設具有重要的實踐意義。