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产业技术研究青海省清洁能源发电潜力及价值分析
摘 要：
随着科技进步，清洁能源的开发利用成为缓解资源短缺、改善生态环境的重要途径，对清洁能源潜力进行量化评估，有助于有关部门制定合理的开发利用决策。本文基于模型模拟和空间分析等方法，对青海省水电势能、太阳能、风能、生物质能、地热能5种主要清洁能源的发电潜力及价值进行评估，得到了青海省主要清洁能源发电潜力的时空分布格局和数量统计特征。结果表明：①从时间上看，2000—2018年清洁能源发电潜力呈逐年增加趋势，空间分布格局变化不大，发电潜力较稳定。从空间上看，青海省西部清洁能源发电潜力相对较高，东部较低；州（市）尺度上，玉树州、海西州处于清洁能源发电潜力高值区，西宁市处于低值区；生态功能区尺度上，三江源地区处于清洁能源发电潜力高值区，祁连山地区处于低值区。②从清洁能源结构来看，青海省水电资源潜力最为丰富，2000—2018年水电势能平均发电潜力达到2338.41亿kW·h，其次是生物质能、地热能、太阳能和风能，且在实际应用中清洁能源在能源消费中的比重逐渐增大。③2000—2018年青海省清洁能源潜力平均价值为1887.75亿元，未来可获得的清洁能源的经济价值将随着中国碳市场的发展和清洁能源开发利用强度的增大而逐渐增长。本文为青海省相关部门了解省内清洁能源的现状和未来开发利用前景，制定清洁能源开发利用政策提供了重要依据。
研究区概况
青海省地理坐标范围为89°35′E—103°04′E,31°36′N—39°19′N之间。中国七大地理分区将全国划分为华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北，青海省位于七大地理分区的西北地区，深居内陆，远离海洋，地处青藏高原，属于高原大陆性气候。
青海省地势总体呈西高东低，南北高中部低的态势，西部海拔高峻，向东倾斜，呈梯型下降，东部地区为青藏高原向黄土高原过渡地带，地形复杂，地貌多样。青海省是长江、黄河、澜沧江等重要水系的发源地，降水较多，水系发育，河网密集，河流比降大，境内多海拔5000米以上的高大山体，山上终年积雪，广布冰川，形成许多天然巨型固体水库。青海省地势高、空气稀薄、干燥少云，太阳辐射透过大气层的距离较海拔低的地区短，被大气层所反射和吸收的部分也较少，因而到达地面的辐射量相对增多，是中国太阳辐射量最多的地区之一。青藏高原地势开阔，海拔较高，对风的阻挡小，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，风能资源丰富。青海省位于欧亚板块的交接地区，地壳运动较频繁，频繁的造山运动使得活跃地壳的热运动频繁，地热资源丰富。青海省蕴藏丰富的水能、太阳能、风能等可再生能源，是中国的能源资源储备大省，且具备大规模开发条件，是国家重要的清洁能源基地。
清洁能源潜力评估方法
水电资源潜力评估方法
CLM(Community Land Model）陆面过程模式是国家大气研究中心（National Center of Atmospheric Research,NCAR）发展推广的陆面过程模式。CLM在综合了LSM(Land Surface Model）、IAP94(Institute of Atmospheric Physics Land Surface model）以及BATS(Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme）等陆面模式优点的基础上，改进了一些物理过程参数化方案，并且加入了水文、生物地球化学以及动态植被等过程，是目前世界上发展最为完善而且也是最具发展潜力的陆面过程模式之一。因此，本文采用最新发布的CLM5.0，使用其尺度自适应河流运输模型（MOSART），通过运动波方法对河道汇流、随时间变化的河道径流速度、水深以及河道地表水储量进行模拟，进而得到青海省地表径流量，由地表径流的势能产生的最大水电势能作为水电开发利用潜力评估的依据。本文根据水资源量和水位差（高程）计算水电势能理论蕴藏量，计算方法如公式（1）所示：
式中：N为水电势能理论蕴藏量（k W);Q为地表水资源量（m3);L为上下断面水位差（m);g表示重力加速度，取值为9.81。水电势能计算步骤如下：
首先，利用Arc GIS水文分析工具，基于青海省90 m数字高程模型（DEM）数据，以当年的地表径流为权重计算青海省汇流累积分布，并生成集水区分布图。水资源只有达到一定汇集量才具有发电能力。参考已有研究，确定该汇集量为1.28×106m3，即达到或超过此阈值点具备建设水库使水势能转化为电能的条件。此外，由于当代可开发水电技术条件限制以及水能不能完全转变为电能，存在一定损失，因此真正能够被利用的水能资源为可开发水电势资源。全国技术可开发水能资源量占全国水能理论蕴藏量的40.67%，以此比例计算青海省水电势能发电量及其经济价值。
本文驱动CLM模型所用数据集如表1所示，水电势能潜力评估的空间分辨率为1 km，时间为2000—2018年。
目前没有统一的划分标准来确定水电势能潜力的高低，参考中华人民共和国水利部批准的《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017)、《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2016)[太阳能发电潜力评估方法
本文以太阳辐射数据为基础评估太阳能发电潜力，根据太阳辐射年等效利用小时数、理论装机量及其理论发电量量化青海省太阳能发电潜力。在计算青海省太阳能水平面总辐射、散射辐射的基础上，根据公式（2）计算倾斜面上月平均太阳辐照量
式中：
为倾斜面上月平均太阳辐照量与水平面上月平均太阳辐照量的比值；D为倾斜面上时角取值，
为水平面上月平均散射辐照量；
为水平面上月平均总辐照量；β为方阵倾角；μ为地面反射率，根据已有研究其取值为0.2。根据国家标准（GB50797）《光伏发电站设计规范》中推荐的光伏阵列最佳倾角参考值，选取青海省固定最佳斜面倾角为35°。在此基础上计算得到最佳斜面总辐射年总量。
地热能发电潜力评估方法
中国地质科学院水文地质环境地质研究所在青海省开展的“青海省地热资源调查评价”“贵德盆地深部水文地质调查”项目完成了青海省地热资源现状评价与区划工作[地热能发电潜力依据该研究探明的2012—2014年地热资源量平均值代替。
青海省地热资源总储量为1.43×1020J，折合标准煤为8.10×109t；可开采地热资源总量为1.40×1017J/年，折合标准煤为7.98×106t/年[盆地型。隆起断裂型地热资源，大多分布在盆地周边山区地带，常以温泉形式沿断裂带排泄于地表，具有温度高、分布面积小的特点，主要分布在西宁盆地南缘药水滩地热区、贵德热水沟地热区、兴海县温泉地热区及唐古拉山口温泉地热区等。青海省沉降盆地型地热资源主要分布在青海东部西宁、贵德、共和等盆地内，该地区地热资源丰富，开发利用价值较高，同时勘查研究程度较高。青海省地热资源的热源特征与底部岩浆活动历史和特征密切相关，由于我国青藏高原地区具有强烈的构造运动，新生代以来，受欧亚板块和印度洋板块的挤压，青藏高原逐渐隆升，局部有岩浆入侵的存在，故产生沉积盆地型干热岩资源和隆起断裂型地热资源[政策措施引导下，能更好地推动地热资源开发利用，为中国地热发电战略部署做出贡献。
风能发电潜力
2000—2018年青海省风能发电潜力呈下降趋势（n=19,R2=0.449），平均每年下降约0.384亿k W·h，但空间分布格局变化较小。
2000—2018年青海省平均风能发电潜力的空间分布如图3所示。从全省空间分布来看，风能发电潜力在空间上呈不均匀分布，整体上为西部高，东部低。从州（市）尺度来看，海西州是风能发电潜力的高值区，最高每年达1.82×106W/m2，占全省风能发电潜力总量的48%；玉树州是风能发电潜力的中值区，占全省风能发电潜力总量的30%；果洛州、海南州、海北州、黄南州、海东市、西宁市是风能发电潜力的低值区。从生态功能区尺度来看，三江源地区始终处于风能发电潜力的高值区，多年平均最高发电潜力达1.77×106W/m2，占全省风能发电潜力总量的56%；柴达木地区是风能发电潜力的中值区，占全省风能发电潜力总量的32%；祁连山地区、青海湖流域、东部干旱山区是风能发电潜力的低值区。
青海省清洁能源蕴藏量丰富，开发利用潜力巨大，具有时间和空间变化特征。2000—2018年青海省清洁能源潜力整体呈逐年增加的趋势，其中水电势能、太阳能、生物质能呈增加趋势，风能呈减少趋势；在空间上，青海省西部清洁能源潜力相对较高，东部较低，西部具有丰富的太阳能和风能，东部具有丰富的水电势能。能源总量和单位面积能源产出效率排序并不完全一致，因此在能源开发时应综合考虑不同地区的生态环境现状、能源产出效率、能源蕴藏总量等因素，可以把长期处于清洁能源潜力的高值区作为优先开发区，如在西部地区开发太阳能与风能，在东部地区开发水电势能等。
从清洁能源结构来看，青海省水电资源潜力最为丰富，其次是生物质能、地热能、太阳能和风能。随着科学技术的进步，青海省水电站、光伏电站、风电站的装机量都在逐年增加，生物质能源的使用量也在不断提高，但是地热能利用仍然处于初级阶段，开发利用量较少。针对清洁能源利用现状，应充分考虑清洁能源的蕴藏量和开发条件，在合理保护生态环境的前提下，在适宜地区进一步建设水力发电站、太阳能发电站、风力发电站，提高生物质资源的利用效率，对可用于发电的地热资源进行勘探和开发。
从清洁能源价值来看，2000—2018年清洁能源价值呈增加趋势，水电势能平均价值占清洁能源总价值的比重最大，其次是生物质能、地热能、太阳能和风能。根据相关统计数据与本文研究结果比较后发现，全省清洁能源实际应用程度与清洁电力应用潜力尚有较大差距，未来青海省清洁能源利用水平存在较大提升空间。在未来清洁能源开发利用过程中应结合能源潜力总量、不同地区的能源产出效率与能源需求，建立与清洁能源生产相适应的产业体系、消费体系，加大推广清洁能源开发利用的力度。 （作者：毛爱涵)
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