Coexistence of Light and Pasture

庫(kù)布奇沙漠基于實(shí)例的“光，農(nóng)，旅”能源景觀共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宏觀背景

鄂爾多斯沙漠一直專注于光能、熱能等替代資源的開發(fā)利用，伴隨當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，在沙漠環(huán)境中創(chuàng)造能源價(jià)值。霍布克沙漠多個(gè)生態(tài)治理光伏發(fā)電示范項(xiàng)目主體工程已完成。針對(duì)電站下方特殊的生態(tài)環(huán)境，對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行了局部生態(tài)修復(fù)，并嘗試發(fā)展光伏發(fā)電板下的種植養(yǎng)殖業(yè)。2021年，當(dāng)?shù)卣?jì)劃建設(shè)乳業(yè)帶，庫(kù)布奇沙漠成為最佳放牧地。作為中國(guó)北方地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，該地非常適合建設(shè)CSP（聚光太陽(yáng)能）電站，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)和輸電實(shí)踐。

思路起源

庫(kù)布奇沙漠是中國(guó)熱值最高的地區(qū)之一，陽(yáng)光充足，熱量充足，然而終年干燥，雨水稀少，因此豐富的太陽(yáng)能也給當(dāng)?shù)啬膛Ｄ翀?chǎng)的種植和維護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能光伏板可以遮光擋風(fēng)，每年可以減少蒸發(fā)量800mm，可降低風(fēng)速1.5m/s。若在板下、板間可種植牧草，比常規(guī)沙漠種植及灌溉模式節(jié)約用水90%以上，提高植物存活率30%，并且清洗板面所用的水可以滲透土地從而涵養(yǎng)水源。然而，牧草長(zhǎng)高后易遮蔽太陽(yáng)能板，影響光能的吸收轉(zhuǎn)化效率，故有人提出了“板下養(yǎng)羊”的方案，于是就有了太陽(yáng)能養(yǎng)殖場(chǎng)，一種將現(xiàn)代清潔能源工程與傳統(tǒng)養(yǎng)殖事業(yè)相結(jié)合的建設(shè)模式。

沿南北向穿越庫(kù)布奇沙漠的Buergese Gully水源附近的流動(dòng)人口、牧民戶數(shù)、旅游景點(diǎn)的逐年增加創(chuàng)造了日益增長(zhǎng)的能源消耗需求。相較于常規(guī)應(yīng)用的光伏發(fā)電，光熱發(fā)電能實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的儲(chǔ)能與送電。這種太陽(yáng)能電廠由成百上千臺(tái)定日鏡組成，可以通過(guò)WIFI互相連接以提高效率，將陽(yáng)光反射聚集到塔頂上一個(gè)叫做接收器的大型熱交換器上。研究表明，在適合進(jìn)行系統(tǒng)安裝的地理位置中，光熱發(fā)電與光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)聯(lián)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益最大化，并具有構(gòu)成規(guī)模宏大的可參與性景觀設(shè)施的基礎(chǔ)。
因此，如何在目標(biāo)場(chǎng)地內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同太陽(yáng)能利用方式的合理互通、解決牧草種植中的資源過(guò)耗問(wèn)題、并建立具有完整的景觀交通控制與電能輸送網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)綜合體成為了我們的主要目標(biāo)。

模型演化

結(jié)合“光牧共生”概念模型的指導(dǎo)和當(dāng)?shù)貙?shí)際內(nèi)需，我們將該模型進(jìn)行牧場(chǎng)、種植業(yè)、觀光休閑與太陽(yáng)能發(fā)電的有機(jī)結(jié)合，呈現(xiàn)為一定比例的能源核心區(qū)、種植區(qū)和人類活動(dòng)區(qū)。但塔式光熱電鏡場(chǎng)的布置會(huì)受到中心點(diǎn)距離效率、遮擋損失、地理緯度等因素的影響。因此我們結(jié)合文獻(xiàn)資料對(duì)目標(biāo)場(chǎng)地在塔高100m情況下，吸熱塔周圍 1000 米范圍內(nèi)的地點(diǎn)兩分兩至日的平均綜合效率的分析，得到了北半球中緯度地區(qū)的塔式系統(tǒng)在塔北端具有較高效率的結(jié)論，于是對(duì)吸熱塔所在的能源核心區(qū)的安置位置以及種植適宜性最高的地區(qū)有了初步劃分。

基于以上理論基礎(chǔ)，我們將“光牧共生”模型再設(shè)計(jì)為了5個(gè)分支，每一類都有太陽(yáng)能處理功能，但具有不同的占地面積、年草產(chǎn)量、年藥材產(chǎn)量、單日發(fā)電量和放牧承載量，內(nèi)部配置根據(jù)預(yù)期功能也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。
最大的兩座廠區(qū)（Type A、Type B）的能源技術(shù)為光熱發(fā)電，中心設(shè)有輻照接收塔，占地約0.22至0.33平方公里，通道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，連接灌溉基礎(chǔ)設(shè)施、牛棚、草本植物和柵欄，適合安置于人流量最大的主干道和水源地兩側(cè)。另一種類型的光熱發(fā)電廠（Type C），規(guī)模僅次于前兩類，交通量較小，主要供游牧民使用。最后兩類（Type D、Type E）僅占地 0.019 至 0.055 平方公里，不足以支持光熱電站的建設(shè)，主要用于人流集散和藥材種植。這些發(fā)電廠的電力輸出依賴于由屋頂或地面上的光伏發(fā)電板，以為藥草種植區(qū)提供植物生長(zhǎng)所需的遮蔭。

總體規(guī)劃

在有了五類空間原型的設(shè)計(jì)構(gòu)造后，為了給各類發(fā)電廠的平面布局提供數(shù)據(jù)支持，我們將場(chǎng)地空間分成600mx600m的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)分析幾個(gè)能反應(yīng)Buergese Gully沿線以用電和放牧為主的的經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求的影響因子，包括道路節(jié)點(diǎn)、普通住戶、牧民家庭、牛場(chǎng)和草藥作坊的數(shù)量和位置。在得到每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)各類型發(fā)電廠的數(shù)量范圍后，結(jié)合其占地面積與輸電特性，綜合考慮當(dāng)?shù)卣畬?duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)、畜牧業(yè)的規(guī)劃，以及周邊沙漠旅游資源的結(jié)構(gòu)布局（溝通東側(cè)的響沙灣景區(qū)與西側(cè)的七星湖濕地景區(qū)），確定了場(chǎng)地集太陽(yáng)能發(fā)電、奶牛牧場(chǎng)、互動(dòng)農(nóng)業(yè)、工業(yè)景觀觀光于一體的概念布局方案。

同時(shí)，該設(shè)計(jì)尊重場(chǎng)地原有指針型噴灌牧場(chǎng)的肌理，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)延伸。Type A規(guī)模最大，僅有兩個(gè)，分布在Buergese Gully東側(cè)，作為綜合體的中心地帶。Type B分布在靠近水源的位置，數(shù)量最多。Type C在最外圍區(qū)域。Type D與Type E作為游客集散中心分布在靠近道路與建筑的區(qū)域。所有空間原型類型周邊都環(huán)繞輸電線、路網(wǎng)以及灌溉水渠，來(lái)保證電流輸送、交通和水源供應(yīng)。

細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

聚光光熱廠區(qū)
聚光光熱電站中的定日鏡尺寸為20㎡，采用由美國(guó)休斯頓大學(xué)的 Lipps 和 Vanthull 提出的放射狀柵格法進(jìn)行分布；

布能源核心區(qū)除了吸熱塔、儲(chǔ)熱罐、蒸汽發(fā)生器等硬件設(shè)施外，環(huán)繞式登高步道可使游覽者在各個(gè)高度下俯瞰全場(chǎng)；

核心區(qū)外圍設(shè)有畜牧養(yǎng)殖所需的功能性設(shè)施，牛棚頂部設(shè)有光伏發(fā)電板以及運(yùn)載電纜的管道裝置；

指針式灑水器轉(zhuǎn)動(dòng)支軸的底座與中央弧形建筑的滑軌銜接，輪胎兩側(cè)設(shè)有環(huán)形步道。在定期繞場(chǎng)灌溉時(shí)，桁架可收放調(diào)節(jié)長(zhǎng)度以適應(yīng)軌道的變化，灌溉用水亦可用作定日鏡清洗；

柵欄用于將牧場(chǎng)劃分為面積基本相等的牧區(qū)，以42天為一個(gè)輪作周期，從而確保牧草能夠良好生長(zhǎng)。

三條軸線道路呈120°角貫穿場(chǎng)地，匯聚于中心點(diǎn)，可作為檢修與施工的快速通道。

光伏發(fā)電廠區(qū)
中藥種植場(chǎng)地采用的光伏發(fā)電板尺寸為19.4㎡，以4m為行距陣列式分布。扇形廣場(chǎng)區(qū)有兩座藥材處理用房和四座觀景塔；

入口集散廣場(chǎng)設(shè)有游客與牛犢的互動(dòng)草場(chǎng)以及具有科普功能的牛乳加工展覽館。

總結(jié)

雖然光熱發(fā)電技術(shù)在當(dāng)今不被大家所熟知，但是在成本、能源的消耗、應(yīng)用范圍、存儲(chǔ)狀況等方面，光熱發(fā)電都是相對(duì)較優(yōu)的選擇。我們相信未來(lái)的某一天，太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)、穩(wěn)定、可調(diào)度的優(yōu)質(zhì)電源能夠成為人類科技協(xié)調(diào)統(tǒng)籌發(fā)展的重要支柱。

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