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环境学院叶斌课题组发表“水-能”耦合利用重要研究成果

2020-10-26

近日,南方科技大学环境科学与工程学院叶斌访问助理教授在资源循环利用重要期刊《Resources, Conservation & Recycling》(IF 8.086)上发表研究论文《Feasibility of coupling PV system with long-distance water transfer: a case study of China’s “South-to-North water diversion” 》,提出了在内陆地区利用有限的土地资源开发利用可再生能源,减少碳排放的新模式。

中国实施南水北调东线和中线工程,有效地缓解了北方水资源紧缺的状况。但是也占用了沿线数十平方公里宝贵的土地资源,且输水过程需修建梯级泵站,增加河道沿线的用电需求。近年来随着太阳能发电成本的下降,本研究提出在输水河道上方架设光伏板,充分利用河道上方的空间资源建设太阳能发电站。

 

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图 1 南水北调中线工程及经过主要城市

 

本研究首先要确定太阳能电池板的安装面积。基于Google Earth图像数据确定南水北调中线河道上临界点的经纬度。由于河道的宽度在9-40米之间,河道两边绿化带宽100-200米,拒此确定河道上铺设光伏组件的平均宽度,本研究提出两种方案:

方案1:太阳能光伏板仅覆盖河道水面面积,安装面积平均宽度为40米,此场景如图2所示。这种情况对河道生态系统和周边环境的影响有限。

 

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图 2场景1(铺设宽度40m)

 

方案2:根据南水北调施工要求,河道两侧要分别设置约200m的绿地,河道总宽度在409 -440 m之间。假设1/2的面积被太阳能电池板覆盖,基于此考量提出场景2的假设,太阳能电池板通过柱子支撑在水面以上10-20米的位置,假设屋顶的平均宽度为200米,如图3所示.。

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图3场景2 (铺设宽度200m)

 

本研究结果表明,考虑初始投资和运行成本,两个城市的发电成本分别为0.36元/千瓦时和0.35元/千瓦时。相比之下,两省脱硫燃煤电厂基准价格分别为0.3779元/千瓦时和0.3720元/千瓦时。因此,太阳能发电的上网电价低于脱硫燃煤基准价格。按照财务参数设定,本项目不考虑新能源政府补贴情况下回收期为19.8年;如果考虑光伏的可再生能源补贴,其回收期可大幅缩短至11.2年。在没有补贴的情况下,两种情况下的投资回报率(ROI)均为4.6%,说明项目位置的影响不显著。造成这种微弱影响的原因可能是,在两种情况下,初始投资几乎相同,而能源输出的差异非常有小。虽然投资回报率只有4.6%,但已经非常接近2020年9月中国长期国债的收益率。这一结果表明,即使没有任何政府补贴,目前该项目也可实现盈亏平衡。此外,蒸散发分析表明,光伏板的遮挡效应可以在一定程度上减少河道水分的蒸发。碳平衡分析表明,与目前项目所在省份的燃煤发电系统相比,该工程的碳减排率可达98.45%。然而,也存在一些潜在问题需要进一步考虑,例如太阳能电池板的安装可能对渠道水流造成污染,从而对渠道水生态系统造成破坏。

  习总书记在联合国成立75周年峰会期间对全球庄严宣布:中国将在2030年前碳达峰、2060年前实现碳中和。以光伏发电和风力发电为代表的可再生能源替换高碳煤电是实现上述目标的关键路径之一,上述研究为在土地资源紧缺的内陆地区开发可再生能源提供了新的思路。

 

本论文第一作者为南科大环境科学与工程学院叶斌访问助理教授,哈尔滨工业大学(深圳)蒋晶晶副教授和南科大环境科学与工程学院刘俊国教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一作者单位。

本项目得到国家自然科学基金项目(71803074),深圳市自然科学基金面上项目(JCYJ20190806144415100 and JCYJ20190809162809440), 以及南方科技大学高水平大学建设专项资金(No. G02296302, G02296402)的资助。

 

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      叶斌是南科大环境学院教工支部书记,访问助理教授,入职南科大两年半以来,在环境与可持续发展领域顶级期刊发表12篇高影响因子论文,包括Renewable and Sustainable Energy Review (IF 12.110), Applied Energy (IF 8.848), Resources, Conservation & Recycling(IF 8.086)等期刊;累计发表研究论文60余篇,主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金,深圳市自然科学基金以及中国博士后科学基金等纵向科研项目。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.105194

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