太陽能光伏技術(shù)，指通過光伏效應直接將太陽能轉(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、維護簡單方便、使用壽命長、經(jīng)濟合理等特點。根據(jù)世界自然基金會研究結(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)相當于植樹造林100m2。

在國外，太陽能光伏技術(shù)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(fā)展和實踐，技術(shù)已比較成熟，廣泛應用于交通、通信、農(nóng)林等行業(yè)。

近年來，伴隨國家實施生態(tài)文明建設，建設“美麗中國”，著力構(gòu)建“山水林田湖草”的生態(tài)保護體系，持續(xù)增強了對林業(yè)生態(tài)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(qū)、森林公園、風景名勝區(qū)、自然遺產(chǎn)地等基礎設施建設，不斷運用新技術(shù)，因地制宜，探索出一條適合生態(tài)保護的技術(shù)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(shù)在生態(tài)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(fā)了《關(guān)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(tài)保護和環(huán)境協(xié)調(diào)。

太陽能光伏技術(shù)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(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、碧塔海為主要組成部分。

試點區(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、珍稀動植物等生態(tài)資源保存完好，具備國際重要濕地、自然保護區(qū)和“三江并流”世界自然遺產(chǎn)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(tài)巡護監(jiān)測、環(huán)境整治、巡護道路、社區(qū)共建等內(nèi)容，其中，涉及用電項目為管理站、道路照明、視頻監(jiān)控、污水處理和科研監(jiān)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(nèi)，地理條件好，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，自然條件相對較差，電力供給往往達不到要求，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)指以野生動植物、雪山、草甸和森林為主要監(jiān)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(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，沿巡護道路布設，主要針對進出人員或動物的常規(guī)監(jiān)視。

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

2 太陽能光伏技術(shù)的應用

2.1 電源類型的選擇

同絕大多數(shù)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(wǎng)（或農(nóng)村電網(wǎng)）的低壓電源較為實際，但一些保護和監(jiān)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(wǎng)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(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)路線有太陽能（或風光互補）、風能、水能、海洋能、沼氣能、柴油發(fā)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(qū)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(jīng)濟。

沼氣能雖然對環(huán)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(fā)電機組、回收裝置等，不經(jīng)濟合理，早些年在農(nóng)村已退出了歷史的舞臺。柴油發(fā)電機組，是一種常規(guī)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(huán)境造成干擾，不適合在國家公園的野外環(huán)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(guī)模為小型風力發(fā)電機，考慮到香格里拉高原季風氣候，風力受季節(jié)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(jù)光資源環(huán)境分析報告提供的資料顯示，普達措國家公園大部分地區(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(shù)長達2186h，是云南省的高值區(qū)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(shù)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?shù)刎S富的太陽能作為自備電源，以太陽能光伏技術(shù)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(jiān)控、污水處理和科研監(jiān)測等項目，采用太陽能光伏建筑一體化、視頻監(jiān)控-風光互補技術(shù)和太陽能發(fā)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(jiān)測用房、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)，建筑體可采用太陽能光伏建筑一體化，本著“節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀和經(jīng)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(fā)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(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)約場地，不影響野生動物的棲息環(huán)境和植物的生長環(huán)境。

此外，普通太陽電池板可批量生產(chǎn)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(tǒng)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(fā)電的應用形式采用離網(wǎng)系統(tǒng)，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(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)務功能和后期發(fā)展的需求，需要建設20kWp的離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽能板設計選用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。控制器設計考慮充滿、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(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(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)故障并迅速進行處置。

2）視頻監(jiān)控-風光互補技術(shù)

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

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

關(guān)于小型風力發(fā)電機，采用水平軸風力發(fā)電機，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，起動風速2.5m/s，切入風速3m/s，發(fā)電機效率不低于0.75。

關(guān)于太陽能組件，采用單晶硅太陽能電池組件，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。太陽能專用膠體電池，額定電壓12V，額定容量200A?h。

關(guān)于風光互補視頻監(jiān)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(diào)，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(jiān)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(nèi)管理站的內(nèi)部場地照明或村莊社區(qū)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(yè)認可的太陽能光伏技術(shù)最合適的光源，以此用于太陽能景觀照明符合節(jié)能環(huán)保的要求。根據(jù)測試數(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，與白熾燈相比節(jié)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(jié)能燈的1/2。

太陽能LED景觀照明的供電系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器和蓄電池（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)動器，以及選用先進的LED路燈系統(tǒng)及其控制策略。

圖6 太陽能LED景觀照明示意圖

3 結(jié)論

以國家公園為代表的自然保護地，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，是中國特色自然保護地體系的重要內(nèi)容，因地制宜，充分利用太陽能光伏建筑一體化、視頻監(jiān)控-風光互補技術(shù)、太陽能LED景觀照明等太陽能光伏技術(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，對促進國家公園體制試點建設具有重要的實踐意義。