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自然资源学报 >

2025 , Vol. 40 >Issue 5: 1312 - 1329

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20250511

其他研究论文

黄河上游现有水电站水库光伏开发的潜在效益评估

  • 陈凯 , 1 ,
  • 冯玥扬 1 ,
  • 周妍汐 2 ,
  • 宋雯 1 ,
  • 周强 3 ,
  • 陈睿山 , 1
展开
  • 1.上海交通大学设计学院，上海 200240
  • 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051
  • 3.青海师范大学地理科学学院，西宁 810008
陈睿山（1982-），男，甘肃武威人，博士，教授，博士生导师，研究方向为综合自然地理学、资源环境与可持续发展。E-mail:

陈凯（1993-），男，河北定州人，博士研究生，研究方向为新能源与可持续发展。E-mail:

收稿日期: 2023-09-25

  修回日期: 2024-10-22

  网络出版日期: 2025-04-16

基金资助

国家社会科学基金重大项目(20ZDA085)

收起

Evaluation of potential benefits from photovoltaic development on the existing hydropower reservoirs in the Upper Yellow River

  • CHEN Kai , 1 ,
  • FENG Yue-yang 1 ,
  • ZHOU Yan-xi 2 ,
  • SONG Wen 1 ,
  • ZHOU Qiang 3 ,
  • CHEN Rui-shan , 1
Expand
  • 1. School of Design, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
  • 2. Power China Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, China
  • 3. School of Geographic Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008, China

Received date: 2023-09-25

  Revised date: 2024-10-22

  Online published: 2025-04-16

Fold

摘要

为实现碳达峰、碳中和目标，中国光伏发电装机规模将持续快速增长，而土地利用是其发展面临的关键问题。漂浮式光伏作为一种重要的光伏发展模式，特别是在干旱半干旱地区，相较于陆基光伏，表现出土地和水蒸发节省、光伏性能提升以及水生杂草抑制的显著优势。若漂浮式光伏与现有水电集成，还将有助于光伏发电的输送和大规模消纳。然而，这些优势通常以定性方式呈现，尚缺乏系统的定量化分析。以黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段为研究区域，基于水电站信息和气象数据，运用光伏系统性能模型以及光伏系统覆盖水体的蒸发模型，评估了“现有水电+漂浮式光伏”发电系统中漂浮式光伏的潜在发电、土地和水蒸发节省效益以及实施建设可行性。结果表明：漂浮式光伏若覆盖现有水电站水库水域面积的10%，其发电、土地节省和水蒸发节省三方面的年经济效益分别为53.80亿元、0.78亿元和0.52亿元，累计年经济效益55.10亿元；生命周期结束时的总投资和潜在净收益分别为930.60亿元和414.70亿元，投资回报率均值为1.78%，具备实施建设的经济可行性。研究结果证实了“水电+漂浮式光伏”发电系统的综合优势，有助于推动中国调整和优化相关政策，促进光伏项目的可持续发展。

关键词： “水电+光伏”发电; 陆基光伏; 漂浮式光伏; 效益评估; 经济可行性; 黄河上游

本文引用格式

陈凯 , 冯玥扬 , 周妍汐 , 宋雯 , 周强 , 陈睿山 . 黄河上游现有水电站水库光伏开发的潜在效益评估[J]. 自然资源学报, 2025 , 40(5) : 1312 -1329 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20250511

Abstract

To achieve the goal of carbon peak and carbon neutrality, the installed capacity of photovoltaic (PV) power generation in China will continue to grow rapidly, and the land use is a key issue facing its development. Floating PV, as an important PV development mode, especially in arid and semi-arid regions, shows significant benefits over land-based PV in terms of land conservation, water evaporation reduction, PV performance improvement and mitigation of aquatic weed growth. Also, if floating PV could be integrated with existing hydropower, it would contribute to the transmission and large-scale consumption of PV power generation. However, these benefits are often presented in a qualitative manner and systematic quantitative analysis has not yet been available. Based on hydropower plant information, meteorological data, PV system performance model and water evaporation model for water bodies covered by PV system, this paper evaluates the potential power generation, land conservation and water evaporation reduction benefits from floating PV in the "existing hydropower + floating PV" power generation system, and the feasibility of implementation of the system, taking the Upper Yellow River from Eling Lake estuary to Qingtong Gorge as the study area. The results show that if the floating PV system covers 10% of the water area at the existing hydropower reservoirs, the annual economic benefits in terms of power generation, land saving and water evaporation saving are 5.38 billion yuan, 0.078 billion yuan and 0.052 billion yuan, respectively, with a cumulative annual economic benefit of 5.51 billion yuan. The total investment and potential net income at the end of the lifecycle are 93.06 billion yuan and 41.47 billion yuan, respectively, with an average return on investment of 1.78%, which makes the construction economically feasible. The results of this paper confirm the comprehensive benefits of the "hydropower+floating PV" power generation system, which can help China to adjust and optimize the relevant policies as well as contribute to the sustainable development of PV projects.

Key words： "hydropower+photovoltaic" power generation; land-based photovoltaic; floating photovoltaic; benefits evaluation; economic feasibility; Upper Yellow River

太阳能作为一种清洁能源，是应对全球能源危机和气候变化的有效途径之一[1,2]，越来越受到世界各国的高度重视。中国作为全球最大的能源消耗国和碳排放国[3]，近年来一直致力于推进太阳能光伏的快速发展。其累计装机容量从2007年的0.1 GW增加至2022年底的392.6 GW，复合年增长率73.6%。基于碳达峰、碳中和目标的实现路径以及未来的能源需求，中国光伏的新增装机规模将持续快速增长[1,4]。然而，光伏发电具有间歇性、随机性以及波动性特点，大规模并网会对电力系统稳定性产生严重干扰[5]。因此，提升光伏发电电能质量，对于保障能源安全具有重要的价值。
水电启动灵活、调节速度快、调峰能力强，作为光伏发电实时功率补偿器，具有改善其电能质量的巨大潜力。2013年，随着“水电+陆基光伏”——黄河龙羊峡水光互补发电在中国西北地区成功投产，光伏发电依托现有水电得以大规模消纳成为现实[6]。相较于“水电+陆基光伏”，“水电+漂浮式光伏”更具优势，其运行可行性在美国、巴西和越南等国家已得到验证[7⇓-9]。其优势包括：（1）光伏系统部署在水电站水库，不额外占用土地，有助于缓解光伏大规模扩张带来的土地需求压力[10⇓-12]；（2）光伏系统覆盖水电站水库部分区域，可减少水体蒸发，有助于为水力发电或灌溉等其他用途节省水资源[10,13,14]；（3）光伏系统因水库水体的冷却效果，其功率转换效率有所提升[10,12,15]；（4）水库中植物光合生长得到抑制，有助于改善水质[10]。
近年来，许多学者开始探索“水电+漂浮式光伏”发电[16⇓⇓⇓⇓⇓⇓-23]。例如，Lee等[16]评估了全球潜在“水电+漂浮式光伏”发电系统中光伏的技术潜力，可获得年发电量4.25×104亿~10.6×104亿kW∙h。Cazzaniga等[17]假设全球最大的20座水电站水库10%水域部署漂浮式光伏，可获得65%的年发电量增加。Gonzalez等[18]分析了非洲大陆146座现有水电站水库光伏开发潜力，发现覆盖率不到1%，可获得58%的年发电量增加。Silvério等[19]提出了确定“水电+漂浮式光伏”发电系统中光伏规模的模型，基于此分析了巴西圣弗朗西斯科河流域“水电+漂浮式光伏”发电，获得73%的发电输出提升。此外，“水电+漂浮式光伏”发电在土地节省[20]、水蒸发节省[18,21]以及减少光伏发电的弃电率[6]和输电成本等方面的系统优势也是重点关注的领域。
总体来看，现有研究主要聚焦于“水电+漂浮式光伏”发电系统中光伏的技术潜力、规模优化以及系统优势。其中，技术潜力研究偏多，而系统优势通常则以定性方式呈现，在证实方面缺乏定量、综合的证据。鉴于此，本文以黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段为研究区域，基于水电站信息、气象数据和可靠模型，定量评估潜在“现有水电+漂浮式光伏”发电系统中光伏的发电、土地节省、水蒸发节省的经济效益以及实施建设的经济可行性，以期为此系统优势提供定量的综合证据，并为推动此类项目的政策调整和优化提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

黄河是中国第二长河，发源于青藏高原巴颜喀拉山脉，全长5464 km，流域面积达79.5万km2，多年水资源量为525亿m3，以占全国2%的水资源承载了15%的耕地和12%的人口供水任务[24]。其源头至内蒙古托克托县河口镇为上游河段[25]，全长3472 km，控制流域面积38.6万km2，流量大，水能蕴藏丰富，是中国最早实施梯级开发的河段之一[25,26]。截至2022年底，其间鄂陵湖湖口至青铜峡河段已建成运行梯级水电站23座（图1，鄂陵湖湖口处黄河源水电站即将被拆除，故将其排除在本文评估外），装机规模15572.9 MW，年均发电量528亿kW∙h，形成梯级水库群水域面积753.4 km2。黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段运行水电站基本特征详见表1。黄河上游不仅水能资源十分丰富，太阳能资源也极为富集（图2）[4,27]。其流经省份——青海、甘肃、宁夏以及内蒙古4省（自治区）大部分属太阳能资源Ⅰ类地区（6680~8400 MJ/m2）和Ⅱ类地区（5852~6680 MJ/m2），非常适宜光伏大规模开发[4]。截至2022年底，4省（自治区）光伏累计装机规模已突破6350万kW，预计“十四五”末将达15530万kW，复合年均增长率34.7%。
图1 黄河上游流域运行水电站地理空间分布

Fig. 1 Geospatial distribution of hydropower plants operational in the Upper Yellow River Basin

表1 黄河上游流域运行水电站基本特征

Table 1 Basic characterization of hydropower plants operational in the Upper Yellow River Basin

编号 名称 经度E/(°) 纬度N/(°) 水库面积/km2 装机容量/MW 年发电量/亿kW∙h 省域
1 班多 100.27 35.31 0.73 360 14.12 青海
2 龙羊峡 100.92 36.12 383.00 1280 60.00 青海
3 拉西瓦 101.19 36.07 13.94 4200 102.23 青海
4 尼那 101.27 36.06 2.40 160 7.63 青海
5 李家峡 101.81 36.12 31.58 2000 59.00 青海
6 直岗拉卡 101.87 36.11 1.60 190 7.62 青海
7 康扬 101.95 36.06 5.36 284 9.92 青海
8 公伯峡 102.23 35.88 22.00 1500 51.40 青海
9 苏只 102.34 35.87 6.72 225 8.79 青海
10 黄丰 102.43 35.87 8.87 225 8.65 青海
11 积石峡 102.71 35.83 13.61 1020 33.63 青海
12 大河家 102.75 35.84 0.98 142 5.59 青海
13 炳灵 103.01 35.81 7.85 240 9.74 甘肃
14 刘家峡 103.34 35.93 131.00 1700 57.90 甘肃
15 盐锅峡 103.27 36.06 16.10 510 22.80 甘肃
16 八盘峡 103.41 36.14 11.00 220 11.10 甘肃
17 河口 103.47 36.17 2.20 74 3.85 甘肃
18 柴家峡 103.54 36.12 2.54 96 4.91 甘肃
19 小峡 104.01 36.15 3.90 230 9.56 甘肃
20 大峡 104.16 36.31 7.00 330 14.80 甘肃
21 乌金峡 104.40 36.40 2.06 140 6.83 甘肃
22 沙坡头 105.02 37.45 3.92 120 6.10 宁夏
23 青铜峡 105.99 37.88 75.00 327 11.80 宁夏
合计 753.40 15573 528.00

注：表中水电大坝编号与图1中水电大坝位置序列（由鄂陵湖湖口至青铜峡）相互对应。

图2 黄河上游流域太阳能资源空间分布

Fig. 2 Distribution of solar energy resources in the Upper Yellow River Basin

1.2 数据来源

（1）在中国水利部黄河水利委员会（http://www.yrcc.gov.cn）发布的水利工程建设中收集研究河段现有水电站的地理位置、装机容量、年发电量以及水库面积信息。（2）太阳辐射是影响本文效益评估的主要气象因素，温度和风速起次要作用；基于首个公开可用的、空间明晰的、协调的全球风能和太阳能发电场位置和电力数据集[28]，收集黄河上游流域平均每小时太阳辐射（水平面总辐射/GHI、法向直接辐射/DNI、水平面散射辐射/DHI）、干球温度以及风速数据（图3a~图3e）。（3）水蒸发节省效益评估所需的地面气象站点数据，来源于国家气象信息中心（http://data.cma.cn）；收集2022年间现有水电站邻近地区的10个气象站点（兴海、恰卜恰、贵德、同仁、民和、临夏、榆中、靖远、中卫、中宁）的气象因子日平均值（气象站点分布见图3f），包括温度、风速、相对湿度以及辐射数据。（4）效益评估所需的经济价值数据，来源于黄河上游流经省（自治区）政府网以及国民经济和社会发展统计公报。
图3 黄河上游流域地理空间数据

Fig. 3 Geospatial data in the Upper Yellow River Basin

1.3 评估方法

结合水电站信息以及气象数据，通过设定三种不同的水库覆盖范围情景，基于可靠模型定量评估黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段23座现有水电站水库光伏开发的潜在发电效益、土地节省效益、水蒸发节省效益以及实施建设经济可行性。

1.3.1 水库覆盖范围情景设定

设定三种不同的水库固定覆盖范围光伏开发情景。其中，情景一设定现有水电站水库水域面积的100%用于光伏开发。情景二和情景三分别考虑了水域面积的10%和30%，前者通常被认为是一种不会对水库生态系统产生实质性影响的保守设定[17,21]，后者可被认为是现有研究已明确的水域面积的覆盖范围阈值[29]。

1.3.2 潜在发电效益评估

光伏发电经济效益主要包括节能效益、上网电量效益和政府补贴三部分。本文侧重量化现有水电站水库光伏开发的最大上网电量（不限电，全额上网）的经济效益。在此量化程序中，现有水电站水库拟定安装漂浮式光伏的组件类型、漂浮式结构、阵列配置以及配备逆变器类型的信息需要首先被确定。为了简化估算，根据上述信息使用如下设定：（1）漂浮式光伏组件采用晶科能源公司生产的N型单晶硅组件（目前主流技术），技术规格详见表2；（2）漂浮式光伏组件锚定在管状漂浮式系统上，呈悬浮状态（组件布局示意详见图4），使其转换效率在较低温度下得到提升[30]；（3）漂浮式光伏阵列静止，并以10°角度向正南方向倾斜，相邻行间距离大于组件距离漂浮式系统高度的20%（即防止某一行光伏组件被相邻行组件遮光），以较密集的阵列配置实现最大可能的电力生产[31⇓-33]；（4）逆变器采用天合光能公司生产的TB8000SHU型号，技术规格详见表3。
表2 参考光伏组件的技术规格

Table 2 Technical specifications of the reference PV module

参数 值 单位
PSTC 575 W
效率 22.26 %
温度系数 -0.3 %/℃
长度 2.278 m
宽度 1.134 m
面积 2.583 m2
重量 28 kg
材料 N-Type单晶硅 —
制造商 晶科能源 —
图4 漂浮式光伏组件布局示意图

Fig. 4 Schematic diagram of the floating PV module layout

表3 参考逆变器的技术规格

Table 3 Technical specifications of the reference inverter

参数 值 单位
交流额定电压 240 V
直流额定电压 380 V
最大交流功率 7680 W
最大直流功率 7889.23 W
最大功率点跟踪 270~46 V
运行损耗 29.65 W
夜间损耗 1.19 W
效率 97.5 %
制造商 天合光能 —
然后，借助技术上严格的光伏系统性能模型——PV_LIB模型[34],量化现有水电站水库拟定安装固定覆盖范围（100%、10%和30%）漂浮式光伏的电力生产（Ef）。该模型提供了一组文档完备的函数（考虑外部条件，包括气候、组件、逆变器、组件直流特性、直流到交流转换以及交流系统输出），以模拟特定地点太阳能光伏系统的理论输出。
此外，借助PV_LIB模型还量化拟定安装于现有水电站水库的光伏设施，安装于现有水电站水库邻近平坦土地区域的电力生产（El）。在此量化程序中，拟定安装陆基光伏的组件类型、阵列配置以及配备逆变器类型的信息需要被确定。为了简化估算，根据上述信息使用如下设定：（1）陆基光伏组件采用评估中漂浮式光伏拟采用的组件；（2）陆基光伏阵列固定在最佳倾斜角度，并避免全年中午前后共4小时（中午±2小时）有任何行间遮光（即遮光系数为0.05[35]），以实现最大可能的电力生产；（3）逆变器采用评估中漂浮式光伏拟配备的逆变器类型。
最后，需要指出的是：随着工程技术进步，更新、更高效的光伏组件和逆变器在PV_LIB模型数据库中更新，量化得到的电力生产（Ef和El）将大大提升。
光伏发电根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，既可以出售国家电网，也可以出售电力用户，具备经济价值属性。倘若黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段现有水电站水库或其邻近平坦土地区域光伏开发全部出售国家电网，参照2023年青海、甘肃以及宁夏3省（自治区）光伏发电平价上网价格，估算经济价值（Ve），其计算公式为：
V e = E P e
式中： P e为2023年青海、甘肃、宁夏3省（自治区）光伏发电平价上网价格，分别为 0.2277元/(kW∙h)、0.3078元/(kW∙h)、0.42元/(kW∙h)。

1.3.3 潜在土地节省效益评估

土地经济效益是指在有限的土地内可能生产的产品和服务的价值，本文侧重量化现有水电站水库光伏开发节省土地租赁的经济效益。在能源需求持续增加，大量土地用于能源开发背景下，土地节省可以被定义为通过强化现有能源生产或借助另一种容纳环境（例如，人工水体、建筑物等）来取代原本用于能源开发的土地，从而使净土地利用或土地覆盖变化为零[36]。因此，现有水电站水库光伏开发的土地节省等同于预计将使用多少土地来容纳与现有水电站水库光伏开发等量电力生产的光伏设施。
基于1.3.2节中拟定安装陆基光伏设定信息，本文借助PV_LIB模型首先量化了与现有水电站水库拟定安装漂浮式光伏等量电力生产的陆基光伏阵列的土地利用面积（Sl,a，即光伏面板覆盖面积以及面板之间的间距）。在此量化程序中，陆基光伏阵列的最佳倾斜角度（ β o p t i m a l）以及最佳填充系数（PFoptimal，即最小化陆基光伏阵列土地利用，并在给定遮光和朝向情况下保持最大辐射）均借助Martín-Chivelet等[35]提供的方法获取，其计算公式分别为：
β o p t i m a l = - 0.0049 φ 2 + 1.0888 φ
P F o p t i m a l = P F 0 – A × φ 2 – B × φ
式中：-0.0049和1.0888为拟合参数系数；φ为光伏阵列质心对应的纬度（确定系数R2= 0.993）；PF为填充系数（即光伏面板面积与光伏阵列土地利用面积之间的比率）， P F 0为纬度0°处的填充系数（对于平坦土地区域的固定式光伏阵列， P F 0 = 100 ％）；A和B为拟合参数系数，A=0.0098，B=0.9505（确定系数R2=0.9995）。
然后，基于量化得到陆基光伏阵列的土地利用面积，借助Martín-Chivelet等[35]提供的方法，量化陆基光伏电站的总土地利用面积（ S l , t），其计算公式为：
S l , t = S l , d R d t
S l , d = S l , a R a d
式中： S l , d为陆基光伏电站的直接土地利用面积或适合光伏设施的土地利用面积（m2），由光伏阵列、通道、变电站、服务建筑以及其他基础设施的直接土地利用组成，陆基光伏电站土地利用示意详见图5； R d t为陆基光伏电站的直接土地利用面积与其总土地利用面积（电站边界包围的所有土地）之间的比率，也被称为适宜系数，即陆基光伏电站中适合光伏设施的土地利用面积与其总土地利用面积之间的比率，发电量加权的适宜系数为0.757，容量加权的适宜系数为0.773[37]； R a d为陆基光伏阵列的土地利用面积与其直接土地利用面积之间的比率，该比率通常为0.80[37]。
图5 陆基光伏电站土地利用示意图

Fig. 5 Schematic diagram of land use for a land-based PV plant

土地是人类发展最基本的生产资料，可以通过土地潜力挖掘（土地生产）和市场流通（作为特殊商品进入市场）等方式获取收益，具备经济价值属性。倘若黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段现有水电站水库光伏开发的土地节省全部纳入陆基光伏项目建设用地，参照当地目前执行实施光伏项目的用地租赁费标准，估算经济价值（Vl），其计算公式为：
V l = S l , t P h
式中： P h为现有水电站水库所属地区2023年执行实施光伏项目的用地租赁费标准 [元/(亩·年)]（1亩≈667 m2），分别为（水电站水库编号/所属地区/租赁费用标准）：1~4/青海海南藏族自治州/200~300、5~6/青海黄南藏族自治州/200~300、7~12/青海海东市/200~300、13~15/甘肃临夏回族自治州/100~600、16~19/甘肃兰州市/200~300、20~21/甘肃白银市/400、22/宁夏中卫市/648、23/宁夏吴忠市/150，这些租赁费用标准依据所属地区均值计入。

1.3.4 潜在水蒸发节省效益评估

水资源经济效益是指水资源的开发利用能够为社会带来的各种经济效益，包括直接经济效益（体现在农业灌溉、工业生产、城市供水等方面）和间接经济效益（体现在生态环境改善、旅游业发展等方面）。本文侧重量化现有水电站水库光伏开发节省水蒸发供应于各行业的直接经济效益。在此量化程序中，现有水电站水库拟定安装光伏的漂浮式结构已经得到设定，即漂浮式光伏组件锚定在管状漂浮式系统上呈悬浮状态，仅会使透过水体的太阳辐射传输减少，而不会使其停止[30]。漂浮式光伏组件安装示意及辐射平衡详见图6。
图6 漂浮式光伏组件安装示意及辐射平衡

Fig. 6 Schematic diagram of floating PV module installation and radiation balance

基于上述设定信息，借助Bontempo Scavo等[30]提供的方法，量化现有水电站水库拟定安装漂浮式光伏的水蒸发节省（Es），其计算公式为：
E s = ∑ d = 1 n S r R f , f i x e d × E d , f r e e - E d , c o v e r
E d , f r e e = a 0 + a 1 R s + a 2 T a + a 3 R H + a 4 u 10
E d , c o v e r = a 0 + 0.2 a 1 R s + a 2 T a + a 3 R H + a 4 u 10
式中：Sr为现有水电站水库的水域面积（m2）；Rf,fixed为拟定安装漂浮式光伏的设定覆盖范围（%）； E d , f r e e为自由水体的日蒸发率； E d , c o v e r为漂浮式光伏覆盖流域的水体日蒸发率； R s为水平面太阳辐射（MJ∙m-2∙d-1）； T a为日均空气温度（℃）；RH为日均相对湿度（%）； u 10为距离地面10 m高的日均风速（m∙s-1）； a 0~ a 4均为拟合参数系数， a 0=2.421 mm∙d-1、 a 1=0.012 mm∙m2∙MJ-1、 a 2=0.159 mm∙d-1∙℃-1、 a 3= -0.056 mm∙d-1、 a 4=0.122 mm∙d-1∙m-1∙s。
水是人类社会生存和发展最基本的需求之一，和其他自然资源一样，可以赋予其经济价值。倘若黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段现有水电站水库光伏开发的水蒸发节省全部用于供应沿黄省（自治区）各行业（农业灌溉、工业生产、居民生活、城镇公共以及生态环境）用水需求，采用市场水价法，估算经济价值（Vw），其计算公式为：
V w = E s P w
式中： P w为2022年青海、甘肃、宁夏3省（自治区）各行业用水消耗量与用水价格加权平均的综合水资源单价，分别为0.7769元/m3、0.9933元/m3、0.7280元/m3。

1.3.5 经济可行性评估

现有水电站水库光伏开发在经济层面是否具备可行性直接关乎其能否得以实施建设。本文依托投资回报率（ROI，即通过投资而应返回的价值/生命周期内的净收益与总投资间的比率）作为回应上述疑虑的评估指标。倘若投资回报率为正数，则投资收益；投资回报率越高，则投资收益越大。借鉴已有研究采用的方法[38]，首先量化现有水电站水库光伏开发的投资回报率（ROIf），其计算公式为：
R O I = B N I n v t
B N = I t - I n v t
I n v t = I n v i n i + O t + R t
I n v i n i = C i n s C a p i n s
式中： B N为生命周期（25年）结束时的净收益（万元）； I n v t为生命周期结束时的总投资（万元）； I t为生命周期结束时的总收入（万元，仅指上网电量的经济效益，不考虑政府补贴）； I n v i n i为初始投资（万元）； O t为生命周期结束时的总运营成本（50万元/年[38]）； R t为生命周期结束时的总租赁成本（万元，漂浮式光伏暂无租赁成本）； C i n s为2024年安装成本（万元/kW，漂浮式光伏为0.6601万元/kW，陆基光伏为0.5281万元/kW[39]）； C a p i n s为装机容量（kW），由PV_LIB模型量化获取。
然后，借助同样的方法[38]还量化了拟定安装于现有水电站水库的光伏设施，安装于现有水电站水库邻近平坦土地区域的投资回报率（ROIl）。最后，需要指出的是，投资回报率（ROIf和ROIl）量化程序中各项参数在不同地区以及不同时间年份均存在一定差异，定量化结果仅作为一个粗略的指导性平均值。

2 结果分析

2.1 潜在发电效益

基于固定覆盖范围（100%、10%和30%）情景，运用PV_LIB模型及式（1）定量分析黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段23座现有水电站水库光伏开发的潜在发电经济效益。结果表明：水库水域面积100%用于光伏开发，相较于单一水力发电，年发电总量可增加3.8倍，由528.0亿kW∙h/年增至2540.1亿kW∙h/年，额外获得538.1亿元/年的发电经济效益，意味着研究河段23座现有水电站水库水域表面部署1 m2漂浮式光伏的潜在发电经济效益均值为71.4元/年。虽然此种情景不可行，但表明了研究河段23座现有水电站水库光伏开发的全部潜在发电经济效益。
表4展示了两种相对可行情景（情景二、情景三）的潜在发电经济效益。若水库水域面积10%用于光伏开发，年发电总量可增加201.20亿kW∙h，相当于单一水力发电的38.1%（表1），其潜在的经济价值为53.80亿元/年。其中，龙羊峡“水电+漂浮式光伏”发电的经济效益增量最多，为23.52亿元/年；班多“水电+漂浮式光伏”发电的经济效益增量最少，为0.05亿元/年。在更为激进的情景中，若水库水域面积30%用于光伏开发，年发电总量可增加603.60亿kW∙h，相当于单一水力发电的1.14倍（表1），其潜在的经济价值为161.40亿元/年。
表4 水电站水库固定覆盖范围（10％和30％）用于光伏开发的潜在发电效益

Table 4 Potential generation benefits from fixed coverage (10% and 30%) of hydropower reservoirs for PV development

水电站/运行 光伏开发/10%覆盖范围 光伏开发/30%覆盖范围
编号 名称 水库面积/km2 年发电量/亿kW∙h 经济效益/亿元 年发电量/亿kW∙h 经济效益/亿元
1 班多 0.73 0.21 0.05 0.62 0.14
2 龙羊峡 383.00 103.30 23.52 309.89 70.56
3 拉西瓦 13.94 3.76 0.86 11.29 2.57
4 尼那 2.40 0.65 0.15 1.95 0.44
5 李家峡 31.58 8.21 1.87 24.64 5.61
6 直岗拉卡 1.60 0.42 0.10 1.25 0.28
7 康扬 5.36 1.39 0.32 4.18 0.95
8 公伯峡 22.00 5.73 1.30 17.19 3.91
9 苏只 6.72 1.75 0.40 5.26 1.20
10 黄丰 8.87 2.32 0.53 6.95 1.58
11 积石峡 13.61 3.62 0.82 10.85 2.47
12 大河家 0.98 0.26 0.06 0.78 0.18
13 炳灵 7.85 2.05 0.63 6.16 1.90
14 刘家峡 131.00 34.32 10.56 102.96 31.69
15 盐锅峡 16.10 4.21 1.30 12.63 3.89
16 八盘峡 11.00 2.88 0.89 8.63 2.66
17 河口 2.20 0.57 0.18 1.72 0.53
18 柴家峡 2.54 0.67 0.21 2.02 0.62
19 小峡 3.90 1.04 0.32 3.12 0.96
20 大峡 7.00 1.86 0.57 5.57 1.71
21 乌金峡 2.06 0.55 0.17 1.65 0.51
22 沙坡头 3.92 1.08 0.45 3.24 1.36
23 青铜峡 75.00
 20.36 8.55 61.07 25.65
合计 753.40 201.20 53.80 603.60 161.40
需要指出的是：此项研究结果是基于水库正常蓄水位水域面积及气象再分析数据，水库水位变化及漂浮式光伏部署致使的水域表面空气温度、风速等微气候变化均会增加定量分析的不确定性；未来研究需进行更为详尽的区域特定分析，包括考虑水库特定特征、微气候变化、光伏技术迭代更新等因素，将有助于改善此项研究定量化结果。

2.2 潜在土地节省效益

基于固定覆盖范围（100%、10%和30%）情景，运用PV_LIB模型及式（2）~式（6）定量分析黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段23座现有水电站水库光伏开发的潜在土地节省经济效益。结果表明，水库水域面积100%用于光伏开发，土地节省面积可达1962.9 km2，相当于23座现有水电站水库总面积的2.61倍（表1），额外免除7.766亿元/年的土地租赁费用，意味着研究河段23座现有水电站水库水域表面部署1 m2漂浮式光伏的潜在土地节省经济效益均值为1.03元/年。虽然此种情景不可行，但表明研究河段23座现有水电站水库光伏开发的全部潜在土地节省经济效益。
表5展示了两种相对可行情景（情景二、情景三）的潜在土地节省经济效益结果。若水库水域面积10%用于光伏开发，土地节省面积可达到196.20 km2，相当于23座现有水电站水库总面积的26.0%（表1），其潜在经济价值为0.78亿元/年。其中，龙羊峡“水电+漂浮式光伏”发电的土地节省经济价值最高，为0.372亿元/年；班多和大河家的“水电+漂浮式光伏”发电的土地节省经济价值最低，为0.001亿元/年。在更为激进的情景中，若水库水域面积30%用于光伏开发，土地节省面积可达到588.50 km2，相当于23座现有水电站水库总面积的78.1%（表1），其潜在的经济价值为2.330亿元/年。
表5 水电站水库固定覆盖范围（10％和30％）用于光伏开发的潜在土地节省效益

Table 5 Potential land savings benefits from fixed coverage (10% and 30%) of hydropower reservoirs for PV development

水电站/运行 光伏开发/10%覆盖范围 光伏开发/30%覆盖范围
编号 名称 水库面积/km2 土地节省/km2 年经济效益/亿元 土地节省/km2 年经济效益/亿元
1 班多 0.73 0.18 0.001 0.55 0.002
2 龙羊峡 383.00 99.28 0.372 297.83 1.117
3 拉西瓦 13.94 3.61 0.014 10.82 0.041
4 尼那 2.40 0.62 0.002 1.86 0.007
5 李家峡 31.58 8.22 0.031 24.66 0.092
6 直岗拉卡 1.60 0.42 0.002 1.25 0.005
7 康扬 5.36 1.39 0.005 4.18 0.016
8 公伯峡 22.00 5.68 0.021 17.05 0.064
9 苏只 6.72 1.74 0.007 5.21 0.020
10 黄丰 8.87 2.29 0.009 6.87 0.026
11 积石峡 13.61 3.50 0.013 10.50 0.039
12 大河家 0.98 0.25 0.001 0.76 0.003
13 炳灵 7.85 2.02 0.011 6.05 0.032
14 刘家峡 131.00 33.80 0.177 101.39 0.532
15 盐锅峡 16.10 4.17 0.022 12.51 0.066
16 八盘峡 11.00 2.86 0.011 8.57 0.032
17 河口 2.20 0.57 0.002 1.71 0.006
18 柴家峡 2.54 0.66 0.002 1.98 0.007
19 小峡 3.90 1.02 0.004 3.05 0.011
20 大峡 7.00 1.83 0.011 5.50 0.033
21 乌金峡 2.06 0.54 0.003 1.62 0.010
22 沙坡头 3.92 1.06 0.010 3.18 0.031
23 青铜峡 75.00 20.48 0.046 61.44 0.138
合计 753.40 196.20 0.780 588.50 2.330
需要指出的是：此项研究结果是基于2.1漂浮式光伏部署的电力生产（Ef），相应潜在土地节省（Sl,t）也存在一定不确定性；未来研究需提升电力生产（Ef）精确性，将有助于改善此项研究定量化结果。

2.3 潜在水蒸发节省效益

基于固定覆盖范围（100%、10%和30%）情景，运用式（7）~式（10）定量分析黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段23座现有水电站水库光伏开发的潜在水蒸发节省经济效益。结果表明，水库水域面积100%用于光伏开发，年水蒸发量可节省6.28亿m3，相当于23座现有水电站水库自由水体年水蒸发量的60.0%，额外获得5.18亿元/年的水蒸发节省经济效益，意味着研究河段23座现有水电站水库水域表面部署1 m2漂浮式光伏的潜在水蒸发节省经济效益均值为0.69元/年。虽然此种情景不可行，但表明了研究河段23座现有水电站水库光伏开发的全部潜在水蒸发节省经济效益。
表6展示了两种相对可行情景（情景二、情景三）的潜在水蒸发节省经济效益。若水库水域面积10%用于光伏开发，年水蒸发量可节省6279.10万m3，相当于23座现有水电站水库自由水体年水蒸发量的6.0%，其潜在的经济价值为5184.40万元/年。其中，龙羊峡“水电+漂浮式光伏”发电的水蒸发节省经济价值最高，为2263.37万元/年；班多“水电+漂浮式光伏”发电的水蒸发节省经济价值最低，为3.91万元/年。在更为激进的情景中，若水库水域面积30%用于光伏开发，年水蒸发量可节省18837.40万m3，相当于23座现有水电站水库自由水体年水蒸发量的18.0%，其潜在的经济价值为15553.20万元/年。
表6 水电站水库固定覆盖范围（10％和30％）用于光伏开发的潜在水蒸发节省效益

Table 6 Potential water evaporation savings benefits from fixed coverage (10% and 30%) of hydropower reservoirs for PV development

水电站/运行 光伏开发/10%覆盖范围 光伏开发/30%覆盖范围
编号 名称 水库面积/km2 年蒸发节省/万m3 经济效益/万元 年蒸发节省/万m3 经济效益/万元
1 班多 0.73 5.03 3.91 15.09 11.72
2 龙羊峡 383.00 2913.33 2263.37 8739.99 6790.10
3 拉西瓦 13.94 129.63 100.71 388.88 302.12
4 尼那 2.40 22.32 17.34 66.95 52.01
5 李家峡 31.58 293.66 228.14 880.97 684.43
6 直岗拉卡 1.60 14.88 11.56 44.63 34.68
7 康扬 5.36 49.84 38.72 149.53 116.17
8 公伯峡 22.00 188.40 146.37 565.20 439.11
9 苏只 6.72 57.55 44.71 172.64 134.13
10 黄丰 8.87 75.96 59.01 227.88 177.04
11 积石峡 13.61 127.82 99.30 383.45 297.90
12 大河家 0.98 9.20 7.15 27.61 21.45
13 炳灵 7.85 67.52 67.07 202.56 201.21
14 刘家峡 131.00 1126.78 1119.23 3380.35 3357.70
15 盐锅峡 16.10 139.72 138.79 419.17 416.36
16 八盘峡 11.00 95.46 94.82 286.39 284.47
17 河口 2.20 19.09 18.97 57.28 56.90
18 柴家峡 2.54 22.04 21.90 66.13 65.69
19 小峡 3.90 37.35 37.10 112.06 111.31
20 大峡 7.00 67.04 66.59 201.12 199.78
21 乌金峡 2.06 19.73 19.60 59.19 58.79
22 沙坡头 3.92 38.43 27.97 115.28 83.92
23 青铜峡 75.00 758.35 552.08 2275.06 1656.24
合计 753.40 6279.10 5184.40 18837.40 15553.20
需要指出的是：此项研究结果是基于水库正常蓄水位水域面积及气象再分析数据，也存在一定不确定性，未来研究需进行更为详尽的区域特定分析，包括考虑水库特定特征、微气候变化等因素，将有助于改善此项研究定量化结果。

2.4 经济可行性

基于固定覆盖范围（10%和30%）相对可行情景，运用PV_LIB模型及式（1）和式（11）~式（14）定量分析黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段23座现有水电站水库光伏开发实施建设的经济可行性。结果表明，若水库水域面积10%用于光伏开发，实施建设的总投资达930.60亿元，其生命周期结束时的潜在净收益为414.70亿元（表7），意味着研究河段23座现有水电站水库水域面积10%用于光伏开发的投资回报率均值为1.78%，具备实施建设的经济可行性。其中，青铜峡“水电+漂浮式光伏”发电的投资回报率最高，为5.25%；大河家“水电+漂浮式光伏”发电的投资回报率最低，为0.51%。鉴于实施建设的总投资和净收益跟随固定覆盖范围近似成比例变化，本文不再详述30%覆盖范围情景的经济可行性研究结果。
表7 水电站水库固定覆盖范围（10％）用于光伏开发的投资回报率

Table 7 Return on investment from fixed coverage (10%) of hydropower reservoirs for PV development

水电站/运行 光伏开发/10%覆盖范围 光伏开发/相同容量覆盖平坦土地
编号 总投资/亿元 净收益/亿元 投资回报率/% 总投资/亿元 净收益/亿元 投资回报率/%
1 1.02 0.23 0.88 0.86 0.27 1.30
2 471.76 116.24 0.99 386.65 178.74 1.89
3 17.29 4.21 0.97 14.19 6.41 1.85
4 3.08 0.67 0.87 2.55 1.01 1.62
5 39.01 7.74 0.79 32.00 12.78 1.64
6 2.10 0.40 0.77 1.74 0.53 1.24
7 6.73 1.27 0.76 5.53 2.07 1.53
8 27.22 5.28 0.78 22.32 8.91 1.64
9 8.04 1.60 0.76 6.91 2.65 1.57
10 11.05 2.20 0.80 9.07 3.55 1.60
11 16.88 3.62 0.86 13.86 5.91 1.75
12 1.33 0.17 0.51 1.11 0.31 1.15
13 9.79 5.96 2.43 8.12 7.05 3.59
14 161.44 102.56 2.54 133.56 120.07 3.72
15 19.95 12.55 2.52 16.53 14.58 3.65
16 13.67 8.58 2.51 11.23 10.02 3.66
17 2.83 1.67 2.35 2.35 1.90 3.32
18 3.25 2.00 2.46 2.69 2.26 3.44
19 4.93 3.07 2.49 4.06 3.59 3.62
20 8.74 5.51 2.52 7.29 6.40 3.65
21 2.66 1.59 2.39 2.23 1.81 3.36
22 4.95 6.30 5.06 4.24 6.66 6.68
23 92.48 121.27 5.25 75.16 131.45 7.10
合计 930.60 414.70 764.20 529.00
基于1.3.2节中拟定安装陆基光伏设定信息，运用PV_LIB模型及式（1）~式（6）和式（11）~式（14）定量分析黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段23座现有水电站水库光伏开发等量规模的陆基光伏实施建设的经济可行性。结果表明，拟定安装于水库水域面积10%的光伏设施，安装于水库邻近平坦土地区域，实施建设的总投资达764.20亿元，相当于水库光伏开发实施建设总投资的82.1%，其生命周期结束时的潜在净收益为529.00亿元（表7），相当于水库光伏开发潜在净收益的1.28倍；意味着研究河段23座现有水电站水库水域面积10%用于光伏开发等量规模的陆基光伏开发的投资回报率均值为2.77%，高于水库光伏开发的投资回报率1.78%。其中，青铜峡“水电+漂浮式光伏”发电的投资回报率相差最多（1.85%），班多“水电+漂浮式光伏”发电的投资回报率相差最少（0.42%）。
需要指出的是：此项研究结果是基于2.1潜在发电效益、2.2潜在土地节省效益以及全球光伏安装加权成本数据，相应经济可行性评估也存在一定不确定性；未来研究需提升发电效益（Vl）和土地节省效益（Vw）精确性，并运用区域特定的光伏安装成本，将有助于改善此项研究定量化结果。

3 结论与展望

3.1 研究结论

本文基于水电站信息和气象数据，运用光伏系统性能模型与光伏系统覆盖水体的蒸发模型，定量评估了黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段潜在“现有水电+漂浮式光伏”发电系统中漂浮式光伏的发电、土地节省和水蒸发节省三方面的经济效益与实施建设的经济可行性，研究结论如下：
（1）漂浮式光伏若仅覆盖现有水电站水库水域面积的10%，其发电（全额上网）、土地节省（土地租赁免除）和水蒸发节省（沿黄地区各行业用水供应）三方面的年经济效益分别为53.8亿元、0.78亿元和0.52亿元，累计年经济效益达55.10亿元；若覆盖范围扩大至30%，其在上述三方面的年经济效益分别为161.40亿元、2.33亿元和1.56亿元，累计年经济效益达165.30亿元。
（2）漂浮式光伏若仅覆盖现有水电站水库水域面积的10%，其实施建设的总投资和生命周期结束时的潜在净收益分别为930.60亿元和414.70亿元，投资回报率均值为1.78%，低于现有水电站水库临近平坦土地区域光伏开发的投资回报率（2.77%），在经济层面具备可行性；若覆盖范围扩大至30%，其实施建设的总投资和生命周期结束时的潜在净收益近似增加至3倍，投资回报率均值近似不变。

3.2 研究展望

3.2.1 潜在效益深度和广度的扩展研究

黄河上游太阳辐射量较高[4,27]，鄂陵湖湖口至青铜峡河段已建成运行的23座现有水电站水库的年均太阳辐射量超过1600 kW∙h/m2，如此巨大的发电潜力尚未在光伏开发选址决策中得到考虑。本文研究表明，黄河上游鄂陵湖湖口至青铜峡河段潜在“现有水电+漂浮式光伏”在电力生产、土地节省、水蒸发减少方面具有非常显著的潜力。若研究河段未来（正在建设以及规划建设）水电大坝数据得以明确，其潜在“水电+漂浮式光伏”在上述三方面的潜力将更为可观。
此外，本文仅从土地节省、水蒸发减少两方面的经济效益定量化评估了“水电+漂浮式光伏”发电的潜在优势，此两方面的其他效益（如社会效益）及其他方面的优势效益（如输电成本减少、生物多样性改善）仍有待进一步研究。

3.2.2 最佳覆盖范围的系统研究

现有水电站水库光伏开发并非没有环境问题。已有研究显示，若漂浮式光伏覆盖范围较大，可能会降低水体的溶解氧水平，进而伤害鱼类和其他动物[40,41]。极端的氧气消耗将有利于产甲烷细菌的生长，增加碳排放[41]。此外，由于水体和管状浮力系统间的直接接触及电缆产生的电磁场，水生生态系统可能会受到不利影响[42]。黄河上游水电站水库作为沿黄地区重要的灌溉、供水及生态用水来源，大范围部署漂浮式光伏可能会对现有水库的安全运营与水质产生不利影响。若漂浮式光伏覆盖范围较小，这些影响可能会大幅降低。但目前尚不清楚这些特定类型影响的严重程度，也不清楚影响如何随着纬度、水质和其他因素的变化而变化，还需进一步研究。
现有水电站水库中漂浮式光伏覆盖多大范围合适，目前还没有确定的结论。需要通过大规模的实地调研和实验，全面评估水电站水库生态系统对漂浮式光伏部署的反应，从而确定合适的覆盖范围，最大限度地减少负面环境影响，同时发挥其综合效益。考虑到此类项目的诸多不确定性以及对河湖水域生态系统的保护，中国已经开始监管漂浮式光伏项目的建设[41,43]。因此，迫切需要研究确定漂浮式光伏的最佳覆盖范围，在发挥“水电+漂浮式光伏”发电优势的同时，限制对水域生态系统的负面影响，从而推进此类项目的实施建设。

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