王浤宇，王佩明，李艷紅，趙曉光

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)

王浤宇，王佩明，李艷紅，趙曉光

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)新概念，目前在市場(chǎng)上還沒(méi)有得到推廣。對(duì)比了水上漂浮式光伏發(fā)電，地面光伏發(fā)電以及屋頂、幕墻分布式光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了水上漂浮式光伏發(fā)電的種類及發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了需要解決的幾個(gè)重要問(wèn)題，指出了水上漂浮式光伏發(fā)電是光伏發(fā)電不可忽視的重要發(fā)展方向。

水上漂浮式光伏發(fā)電；固定式浮筒；方位角跟蹤式浮筒；漂浮式組件

0 引言

近幾年是國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的階段，主要以大型集中式地面光伏發(fā)電站為主。隨著光伏發(fā)電站的迅速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的問(wèn)題接踵而至。目前我國(guó)的大型集中式地面光伏發(fā)電站主要集中在甘肅、青海、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)，這些地區(qū)雖然光資源好，但是因?yàn)榉N種原因棄光率非常高，2015年甘肅、新疆兩省的棄光電量占全國(guó)棄光電量的83%，棄光率超過(guò)30%。目前市場(chǎng)上大多數(shù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍存在兩大難題：一是建造工程占地面積大；二是我國(guó)光資源好的地區(qū)普遍存在限電問(wèn)題，而南方可提供建造大型集中式地面光伏的土地很少。水上光伏發(fā)電技術(shù)，將會(huì)克服以上兩大難題。

1 水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

近年來(lái)，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)在全世界迅速增長(zhǎng)。太陽(yáng)能發(fā)電成為最具發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式，其中，光伏發(fā)電占主導(dǎo)地位。目前，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要以大型集中式地面光伏為主，大多分布在西部、北部等光資源較好的地區(qū)。國(guó)內(nèi)還有很多屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其裝機(jī)容量一般小于1 MW，并且多數(shù)為離網(wǎng)運(yùn)行。除此之外，還有建筑光伏一體化(BIPV)的光伏幕墻發(fā)電系統(tǒng)、光伏大棚、魚(yú)塘光伏等。

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)新概念，目前在市場(chǎng)上還沒(méi)有得到推廣。水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以安裝在海洋、湖泊(包括咸水湖)、河流(包括季節(jié)性旱澇河流)、水庫(kù)、魚(yú)塘、灌溉池、蓄水池甚至廢水處理池等處；此外，市場(chǎng)上常用的光伏組件(如晶體硅組件)的功率輸出隨著溫度的升高而降低，而水上漂浮式光伏組件的溫度明顯低于地面或屋頂光伏組件，從而能輸出更高的功率；同時(shí)，水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以減少水面蒸發(fā)量，抑制藻類繁殖，保護(hù)水資源。

2 不同形式光伏的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分有：光伏組件，特殊電纜逆變器及箱式變壓器等電氣設(shè)備，浮筒，錨鎖系統(tǒng)[1]。

2.1 地面光伏發(fā)電系統(tǒng)

(1)優(yōu)點(diǎn)。1)可計(jì)算出年最佳傾角，提供最大發(fā)電量；2)可大面積、低成本地安裝跟跟蹤系統(tǒng)；3)相比其他形式，更容易建成大型集中式發(fā)電系統(tǒng)；4)光伏組件清洗和維護(hù)較方便；5)一般建設(shè)在人煙稀少的地區(qū)，一旦發(fā)生安全事故，造成的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失最小。

(2)缺點(diǎn)。1)可供建設(shè)大型集中式光伏電站的土地越來(lái)越少，尤其是城市周邊；2)地面光伏發(fā)電系統(tǒng)有大量的土建基礎(chǔ)工程，建設(shè)工期較長(zhǎng)。

2.2 屋頂、幕墻分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

(1)優(yōu)點(diǎn)。1)相比其他形式的光伏，可以節(jié)省租地成本；2)幾乎沒(méi)有土建基礎(chǔ)工程，安裝建設(shè)更方便、更快捷；3)夏季時(shí)光伏組件還可為建筑起到一定的遮光降溫作用。

(2)缺點(diǎn)。1)建筑光伏一體化發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)被周?chē)渌ㄖ?、煙囪、?shù)木等遮擋；2)大部分安裝建設(shè)時(shí)需高空作業(yè)，相對(duì)難度較大；3)無(wú)法建成大容量并網(wǎng)光伏電站；4)由于建筑面積較小，為節(jié)省空間，往往不設(shè)計(jì)帶傾角的系統(tǒng)，從而不能達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

2.3 水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)

(1)優(yōu)點(diǎn)[2]。1)適應(yīng)于各種水面，如海洋、湖泊、河流、水庫(kù)、魚(yú)塘等，可節(jié)省土地；2)相比地面式光伏發(fā)電系統(tǒng)，可節(jié)省大量的土建工作，安裝施工周期短；3)可有效減少水分的蒸發(fā)，降低水溫，抑制藻類生長(zhǎng)，有助于漁業(yè)的產(chǎn)量增加；4)可降低光伏組件的溫度，理論上能比地面式光伏輸出更多的電量；5)相比地面式光伏發(fā)電系統(tǒng)，組件的附著灰塵更少，發(fā)電量也相對(duì)較高；6)能更好地適應(yīng)自然災(zāi)害，如洪水、地震等。

(2)缺點(diǎn)。1)浮筒沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化，大部分價(jià)格較高；2)大部分情況下需要特種設(shè)備，施工也比地面式光伏發(fā)電系統(tǒng)復(fù)雜。

3 水上漂浮式光伏種類

隨著人們對(duì)水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)注度的不斷提高，多種多樣的漂浮系統(tǒng)也如雨后春筍般涌現(xiàn)，這里簡(jiǎn)單介紹幾種典型的水上漂浮系統(tǒng)。

3.1 固定式浮筒

固定式浮筒與地面固定式光伏組件非常相似，如圖1所示。首先，確定項(xiàng)目所在地的最佳傾角，訂制具有該傾角的浮筒或支架；其次，安裝光伏組件、電纜等設(shè)備；最后，將陣列放入水中，用錨索固定。

圖1 固定式浮筒

固定式浮筒安裝快捷，相對(duì)成本較低，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，可適用于任何水面[3]。

3.2 方位角跟蹤式浮筒

地面光伏主要有水平式單軸跟蹤、斜單軸跟蹤和雙軸跟蹤。水上漂浮光伏常用的跟蹤浮筒為方位角跟蹤式浮筒，如圖2所示。跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)也是近幾年光伏行業(yè)的熱門(mén)話題。

圖2 方位角跟蹤式浮筒

由于整個(gè)光伏系統(tǒng)漂浮于水面，所以只需要很小的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就可以驅(qū)動(dòng)大面積光伏組件。而地面光伏的單軸跟蹤系統(tǒng)往往需要耗費(fèi)大量的鋼材，需要大型的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，相比之下，采用方位角跟蹤式浮筒的光伏發(fā)電系統(tǒng)成本較低[4]。

3.3 漂浮式組件

漂浮式組件目前還是一個(gè)新概念，其基本原理是：將防水光伏組件安裝上漂浮邊框，組件間柔性連接；使用防水匯流接線盒匯流，之后將直流電送入逆變器、箱式變壓器。整個(gè)漂浮系統(tǒng)可利用升降錨索固定于水面，當(dāng)遇到極端天氣時(shí)，可調(diào)節(jié)錨索使整個(gè)系統(tǒng)沉入水中以避免損失。漂浮式組件適用于大部分水面，特別是海面，其優(yōu)點(diǎn)是光伏組件與水面接觸，溫度較低，輸出功率更高，缺點(diǎn)是水平放置沒(méi)有傾角，只適用于南方低緯度地區(qū)。

4 水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

近幾年，日本、韓國(guó)、印度、美國(guó)、澳大利亞、巴西等國(guó)家都在關(guān)注水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于水面比土地更便宜，水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)能得到更好的推廣；另外，對(duì)水資源的保護(hù)也是其優(yōu)勢(shì)之一[5]。目前各國(guó)部分水上漂浮式光伏發(fā)電項(xiàng)目見(jiàn)表1。

我國(guó)也有一些水上漂浮式光伏電站，如河北臨西縣8 MW漂浮式光伏電站、棗陽(yáng)熊河水庫(kù)1.2 MW光伏電站、鄒城32 MW光伏電站等。

表1 目前各國(guó)部分水上漂浮光伏發(fā)電項(xiàng)目

續(xù)表

我國(guó)南方水資源豐富，湖泊、魚(yú)塘、水庫(kù)、河流眾多，水上漂浮式發(fā)電系統(tǒng)擺脫了土地的限制，有利于水資源的保護(hù)，還可提升發(fā)電量。但若大面積推廣，還需解決幾個(gè)重要問(wèn)題[2]：(1)浮筒的材料必須具有良好的耐腐蝕性、較高的可靠性和較低的成本；(2)需考慮極端天氣或自然災(zāi)害情況下的保護(hù)措施，如洪水、泥石流等；(3)需考慮整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

日本的水上漂浮式光伏發(fā)電量目前保持著世界領(lǐng)先地位，韓國(guó)和印度也在積極研發(fā)和推廣該技術(shù)。我國(guó)的水上漂浮式光伏發(fā)電尚處于起步階段，國(guó)家能源局給予了足夠的重視。我國(guó)水庫(kù)面積大于25 333 km2，湖泊面積大于90 000 km2，其中面積大于1 km2的湖泊超過(guò)2 700個(gè)。漂浮式光伏電站相比地面光伏電站對(duì)環(huán)境更友好，不存在電站廢棄后混凝土樁體對(duì)土地的污染問(wèn)題。綜上所述，漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電行業(yè)不可忽視的重要發(fā)展方向。

[1]TRAPANI K, REDN SANTAFé M.A review of floating photovoltaic installations:2007—2013[J].Progress in photovoltaics:Research and applications, 2014， 23(4): 524-532.

[2]CHOI Y K. A study on power generation analysis of floating PV system considering environmental impact [J].International journal of software engineering and its applications,2014，8(1)：75-84.

[3]CHOI Y K, LEE N H, KIM K J, et al.A study on the influence to solar radiation by changing the azimuth and tilt of a photovoltaic array[J].The transactions of the Korean institute of electrical engineers,2013，62(5):712-716.

[4]CHOI Y K, LEE N H, LEE A K, et al.A study on major design elements of tracking-type floating photovoltaic systems[J].International journal of smart grid and clean energy,2014，3(1):70-74.

[5]LEE A K, SHIN G W, HONG S T, et al.A study on development of ICT convergence technology for tracking-type floating photovoltaic systems[J].International journal of smart grid and clean energy,2014，3(1):80-87.

(本文責(zé)編：劉芳)

TM 615

B

1674-1951(2017)03-0074-03

2016-12-20；

2017-02-07

王浤宇(1990—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，從事光伏發(fā)電設(shè)計(jì)工作(E-mail:wanghongyu@chec.com.cn)。