首頁(yè) 科學(xué)研究 產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究

產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究

青海省清潔能源發(fā)電潛力及價(jià)值分析

摘    要：

隨著(zhù)科技進(jìn)步，清潔能源的開(kāi)發(fā)利用成為緩解資源短缺、改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑，對清潔能源潛力進(jìn)行量化評估，有助于有關(guān)部門(mén)制定合理的開(kāi)發(fā)利用決策。本文基于模型模擬和空間分析等方法，對青海省水電勢能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地熱能5種主要清潔能源的發(fā)電潛力及價(jià)值進(jìn)行評估，得到了青海省主要清潔能源發(fā)電潛力的時(shí)空分布格局和數量統計特征。結果表明：①從時(shí)間上看，2000—2018年清潔能源發(fā)電潛力呈逐年增加趨勢，空間分布格局變化不大，發(fā)電潛力較穩定。從空間上看，青海省西部清潔能源發(fā)電潛力相對較高，東部較低；州（市）尺度上，玉樹(shù)州、海西州處于清潔能源發(fā)電潛力高值區，西寧市處于低值區；生態(tài)功能區尺度上，三江源地區處于清潔能源發(fā)電潛力高值區，祁連山地區處于低值區。②從清潔能源結構來(lái)看，青海省水電資源潛力最為豐富，2000—2018年水電勢能平均發(fā)電潛力達到2338.41億kW·h，其次是生物質(zhì)能、地熱能、太陽(yáng)能和風(fēng)能，且在實(shí)際應用中清潔能源在能源消費中的比重逐漸增大。③2000—2018年青海省清潔能源潛力平均價(jià)值為1887.75億元，未來(lái)可獲得的清潔能源的經(jīng)濟價(jià)值將隨著(zhù)中國碳市場(chǎng)的發(fā)展和清潔能源開(kāi)發(fā)利用強度的增大而逐漸增長(cháng)。本文為青海省相關(guān)部門(mén)了解省內清潔能源的現狀和未來(lái)開(kāi)發(fā)利用前景，制定清潔能源開(kāi)發(fā)利用政策提供了重要依據。


關(guān)鍵詞：清潔能源；太陽(yáng)能；風(fēng)能；水電勢能；生物質(zhì)能；地熱能；生態(tài)文明；青海省


研究區概況

青海省地理坐標范圍為89°35′E—103°04′E,31°36′N(xiāo)—39°19′N(xiāo)之間。中國七大地理分區將全國劃分為華北、東北、華東、華中、華南、西南、西北，青海省位于七大地理分區的西北地區，深居內陸，遠離海洋，地處青藏高原，屬于高原大陸性氣候。


青海省地勢總體呈西高東低，南北高中部低的態(tài)勢，西部海拔高峻，向東傾斜，呈梯型下降，東部地區為青藏高原向黃土高原過(guò)渡地帶，地形復雜，地貌多樣。青海省是長(cháng)江、黃河、瀾滄江等重要水系的發(fā)源地，降水較多，水系發(fā)育，河網(wǎng)密集，河流比降大，境內多海拔5000米以上的高大山體，山上終年積雪，廣布冰川，形成許多天然巨型固體水庫。青海省地勢高、空氣稀薄、干燥少云，太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣層的距離較海拔低的地區短，被大氣層所反射和吸收的部分也較少，因而到達地面的輻射量相對增多，是中國太陽(yáng)輻射量最多的地區之一。青藏高原地勢開(kāi)闊，海拔較高，對風(fēng)的阻擋小，冬季東南部盛行偏南風(fēng)，東北部多為東北風(fēng)，風(fēng)能資源豐富。青海省位于歐亞板塊的交接地區，地殼運動(dòng)較頻繁，頻繁的造山運動(dòng)使得活躍地殼的熱運動(dòng)頻繁，地熱資源豐富。青海省蘊藏豐富的水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，是中國的能源資源儲備大省，且具備大規模開(kāi)發(fā)條件，是國家重要的清潔能源基地。

清潔能源潛力評估方法

水電資源潛力評估方法

CLM(Community Land Model）陸面過(guò)程模式是國家大氣研究中心（National Center of Atmospheric Research,NCAR）發(fā)展推廣的陸面過(guò)程模式。CLM在綜合了LSM(Land Surface Model）、IAP94(Institute of Atmospheric Physics Land Surface model）以及BATS(Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme）等陸面模式優(yōu)點(diǎn)的基礎上，改進(jìn)了一些物理過(guò)程參數化方案，并且加入了水文、生物地球化學(xué)以及動(dòng)態(tài)植被等過(guò)程，是目前世界上發(fā)展最為完善而且也是最具發(fā)展潛力的陸面過(guò)程模式之一。因此，本文采用最新發(fā)布的CLM5.0，使用其尺度自適應河流運輸模型（MOSART），通過(guò)運動(dòng)波方法對河道匯流、隨時(shí)間變化的河道徑流速度、水深以及河道地表水儲量進(jìn)行模擬，進(jìn)而得到青海省地表徑流量，由地表徑流的勢能產(chǎn)生的最大水電勢能作為水電開(kāi)發(fā)利用潛力評估的依據。本文根據水資源量和水位差（高程）計算水電勢能理論蘊藏量，計算方法如公式（1）所示：


式中：N為水電勢能理論蘊藏量（k W);Q為地表水資源量（m3);L為上下斷面水位差（m);g表示重力加速度，取值為9.81。水電勢能計算步驟如下：

首先，利用Arc GIS水文分析工具，基于青海省90 m數字高程模型（DEM）數據，以當年的地表徑流為權重計算青海省匯流累積分布，并生成集水區分布圖。水資源只有達到一定匯集量才具有發(fā)電能力。參考已有研究，確定該匯集量為1.28×106m3，即達到或超過(guò)此閾值點(diǎn)具備建設水庫使水勢能轉化為電能的條件。此外，由于當代可開(kāi)發(fā)水電技術(shù)條件限制以及水能不能完全轉變?yōu)殡娔?，存在一定損失，因此真正能夠被利用的水能資源為可開(kāi)發(fā)水電勢資源。全國技術(shù)可開(kāi)發(fā)水能資源量占全國水能理論蘊藏量的40.67%，以此比例計算青海省水電勢能發(fā)電量及其經(jīng)濟價(jià)值。

本文驅動(dòng)CLM模型所用數據集如表1所示，水電勢能潛力評估的空間分辨率為1 km，時(shí)間為2000—2018年。

目前沒(méi)有統一的劃分標準來(lái)確定水電勢能潛力的高低，參考中華人民共和國水利部批準的《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017)、《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規范》（GB50287-2016)[太陽(yáng)能發(fā)電潛力評估方法

本文以太陽(yáng)輻射數據為基礎評估太陽(yáng)能發(fā)電潛力，根據太陽(yáng)輻射年等效利用小時(shí)數、理論裝機量及其理論發(fā)電量量化青海省太陽(yáng)能發(fā)電潛力。在計算青海省太陽(yáng)能水平面總輻射、散射輻射的基礎上，根據公式（2）計算傾斜面上月平均太陽(yáng)輻照量


式中：為傾斜面上月平均太陽(yáng)輻照量與水平面上月平均太陽(yáng)輻照量的比值；D為傾斜面上時(shí)角取值，為水平面上月平均散射輻照量；為水平面上月平均總輻照量；β為方陣傾角；μ為地面反射率，根據已有研究其取值為0.2。根據國家標準（GB50797）《光伏發(fā)電站設計規范》中推薦的光伏陣列最佳傾角參考值，選取青海省固定最佳斜面傾角為35°。在此基礎上計算得到最佳斜面總輻射年總量。


地熱能發(fā)電潛力評估方法

中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所在青海省開(kāi)展的“青海省地熱資源調查評價(jià)”“貴德盆地深部水文地質(zhì)調查”項目完成了青海省地熱資源現狀評價(jià)與區劃工作[地熱能發(fā)電潛力依據該研究探明的2012—2014年地熱資源量平均值代替。


青海省地熱資源總儲量為1.43×1020J，折合標準煤為8.10×109t；可開(kāi)采地熱資源總量為1.40×1017J/年，折合標準煤為7.98×106t/年[盆地型。隆起斷裂型地熱資源，大多分布在盆地周邊山區地帶，常以溫泉形式沿斷裂帶排泄于地表，具有溫度高、分布面積小的特點(diǎn)，主要分布在西寧盆地南緣藥水灘地熱區、貴德熱水溝地熱區、興?？h溫泉地熱區及唐古拉山口溫泉地熱區等。青海省沉降盆地型地熱資源主要分布在青海東部西寧、貴德、共和等盆地內，該地區地熱資源豐富，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值較高，同時(shí)勘查研究程度較高。青海省地熱資源的熱源特征與底部巖漿活動(dòng)歷史和特征密切相關(guān)，由于我國青藏高原地區具有強烈的構造運動(dòng)，新生代以來(lái)，受歐亞板塊和印度洋板塊的擠壓，青藏高原逐漸隆升，局部有巖漿入侵的存在，故產(chǎn)生沉積盆地型干熱巖資源和隆起斷裂型地熱資源[政策措施引導下，能更好地推動(dòng)地熱資源開(kāi)發(fā)利用，為中國地熱發(fā)電戰略部署做出貢獻。


 風(fēng)能發(fā)電潛力

2000—2018年青海省風(fēng)能發(fā)電潛力呈下降趨勢（n=19,R2=0.449），平均每年下降約0.384億k W·h，但空間分布格局變化較小。

2000—2018年青海省平均風(fēng)能發(fā)電潛力的空間分布如圖3所示。從全省空間分布來(lái)看，風(fēng)能發(fā)電潛力在空間上呈不均勻分布，整體上為西部高，東部低。從州（市）尺度來(lái)看，海西州是風(fēng)能發(fā)電潛力的高值區，最高每年達1.82×106W/m2，占全省風(fēng)能發(fā)電潛力總量的48%；玉樹(shù)州是風(fēng)能發(fā)電潛力的中值區，占全省風(fēng)能發(fā)電潛力總量的30%；果洛州、海南州、海北州、黃南州、海東市、西寧市是風(fēng)能發(fā)電潛力的低值區。從生態(tài)功能區尺度來(lái)看，三江源地區始終處于風(fēng)能發(fā)電潛力的高值區，多年平均最高發(fā)電潛力達1.77×106W/m2，占全省風(fēng)能發(fā)電潛力總量的56%；柴達木地區是風(fēng)能發(fā)電潛力的中值區，占全省風(fēng)能發(fā)電潛力總量的32%；祁連山地區、青海湖流域、東部干旱山區是風(fēng)能發(fā)電潛力的低值區。




青海省清潔能源蘊藏量豐富，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大，具有時(shí)間和空間變化特征。2000—2018年青海省清潔能源潛力整體呈逐年增加的趨勢，其中水電勢能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能呈增加趨勢，風(fēng)能呈減少趨勢；在空間上，青海省西部清潔能源潛力相對較高，東部較低，西部具有豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)能，東部具有豐富的水電勢能。能源總量和單位面積能源產(chǎn)出效率排序并不完全一致，因此在能源開(kāi)發(fā)時(shí)應綜合考慮不同地區的生態(tài)環(huán)境現狀、能源產(chǎn)出效率、能源蘊藏總量等因素，可以把長(cháng)期處于清潔能源潛力的高值區作為優(yōu)先開(kāi)發(fā)區，如在西部地區開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能與風(fēng)能，在東部地區開(kāi)發(fā)水電勢能等。


從清潔能源結構來(lái)看，青海省水電資源潛力最為豐富，其次是生物質(zhì)能、地熱能、太陽(yáng)能和風(fēng)能。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，青海省水電站、光伏電站、風(fēng)電站的裝機量都在逐年增加，生物質(zhì)能源的使用量也在不斷提高，但是地熱能利用仍然處于初級階段，開(kāi)發(fā)利用量較少。針對清潔能源利用現狀，應充分考慮清潔能源的蘊藏量和開(kāi)發(fā)條件，在合理保護生態(tài)環(huán)境的前提下，在適宜地區進(jìn)一步建設水力發(fā)電站、太陽(yáng)能發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站，提高生物質(zhì)資源的利用效率，對可用于發(fā)電的地熱資源進(jìn)行勘探和開(kāi)發(fā)。


從清潔能源價(jià)值來(lái)看，2000—2018年清潔能源價(jià)值呈增加趨勢，水電勢能平均價(jià)值占清潔能源總價(jià)值的比重最大，其次是生物質(zhì)能、地熱能、太陽(yáng)能和風(fēng)能。根據相關(guān)統計數據與本文研究結果比較后發(fā)現，全省清潔能源實(shí)際應用程度與清潔電力應用潛力尚有較大差距，未來(lái)青海省清潔能源利用水平存在較大提升空間。在未來(lái)清潔能源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中應結合能源潛力總量、不同地區的能源產(chǎn)出效率與能源需求，建立與清潔能源生產(chǎn)相適應的產(chǎn)業(yè)體系、消費體系，加大推廣清潔能源開(kāi)發(fā)利用的力度。 （作者：毛愛(ài)涵)