漂浮式光伏應(yīng)用及技術(shù)難點(diǎn)簡(jiǎn)析

摘 要：闡述了漂浮式光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的背景、自身優(yōu)點(diǎn)以及使用的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義，提出漂浮式光伏對(duì)于目前土地資源緊缺的情況下將得到越來(lái)越多的重視。并針對(duì)水位較深的水庫(kù)等環(huán)境，初步設(shè)計(jì)了一套漂浮式的結(jié)構(gòu)方案，并指出該系統(tǒng)在得到大規(guī)模推廣前需要解決的問(wèn)題和難點(diǎn)，對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用推廣起到一定參考作用。

關(guān)鍵詞：漂浮式；光伏發(fā)電；太陽(yáng)能

能源問(wèn)題始終是倍受我國(guó)和世界各國(guó)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題?？稍偕茉词俏覈?guó)重要的能源資源，在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮了很大作用。而在全球能源安全和氣候變化問(wèn)題日趨嚴(yán)峻的形勢(shì)下，太陽(yáng)能發(fā)電日益受到世界各國(guó)的高度重視，戰(zhàn)略地位不斷提高。

太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、無(wú)污染。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)正式利用光伏電池的光生電效應(yīng)直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化成電能，并已在獨(dú)立及并網(wǎng)電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都應(yīng)用于陸地環(huán)境，但對(duì)于地面光伏，一方面，日益稀缺的土地資源對(duì)大型地面光伏電站的制約效應(yīng)已日益凸顯[2]，西部地區(qū)可利用土地面積較大，但對(duì)電量的需求不大，限電現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而有著相當(dāng)程度耗電量的東部卻受限于稀缺的土地面積而無(wú)法大規(guī)模發(fā)展地面光伏項(xiàng)目；另一方面，屋頂資源的不確定性以及相關(guān)補(bǔ)貼不夠到位也使得分布式光伏項(xiàng)目的建設(shè)存在著各種不穩(wěn)定因素。目前，越來(lái)越多的關(guān)注點(diǎn)放到了魚(yú)塘、湖泊等水面上，如能在水上進(jìn)行光伏發(fā)電，同時(shí)水下進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖，則不僅打破了原有光伏發(fā)電有關(guān)場(chǎng)地的發(fā)展瓶頸，而且能實(shí)現(xiàn)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)電效益的“雙贏”局面。

1 漂浮式光伏發(fā)展歷程

對(duì)于較淺的水面，一般最深水位小于5米，可采用樁基礎(chǔ)，可采用PHC樁，將樁打入底部持力層，樁頂高于水面一定距離，在樁頂部分采用支架連接布置光伏板，其原理與地面采用樁基礎(chǔ)的光伏發(fā)電系統(tǒng)差別不大。而文中提到的漂浮式主要是指布置于水位較深的水庫(kù)、湖面等情況下的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

在水域之上進(jìn)行光伏電池的布置安裝是一種比較新的概念。目前，全世界范圍內(nèi)還沒(méi)出現(xiàn)大規(guī)模的運(yùn)營(yíng)商，但是卻已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些試驗(yàn)性的水上漂浮式光伏發(fā)電項(xiàng)目[3]。

2012年3月，以色列一家太陽(yáng)能公司成功開(kāi)發(fā)出水面太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其光伏電池組合板可以漂浮在海洋及湖泊水面上，每塊發(fā)電功率達(dá)200kW，小于目前主流的310W、315W等，可根據(jù)需要組裝[4]。

2013年7月日本首個(gè)大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電站在 玉縣桶川市的調(diào)節(jié)池上竣工，調(diào)節(jié)池面積約5萬(wàn)平方米，系統(tǒng)裝機(jī)容量1.18MW。該項(xiàng)目采用了法國(guó)公司Ciel et Terre的漂浮太陽(yáng)能平臺(tái)技術(shù)，在1.3萬(wàn)平方米的水面上用錨固定了木筏狀的基臺(tái)，基臺(tái)上鋪設(shè)約4500塊太陽(yáng)能電池板[5]。

2015年4月，由日本京瓷株式會(huì)社和東京盛世利租賃株式會(huì)社共同投資建造的日本兵庫(kù)縣大型水上光伏電站投入運(yùn)行。該水上光伏電站位于日本兵庫(kù)縣，電站所使用的光伏組件總安裝數(shù)量多達(dá)11256 塊，預(yù)計(jì)年發(fā)電量約達(dá)330萬(wàn)千瓦時(shí)，相當(dāng)于日本920戶普通家庭一年的用電量[6]。

2015年8月，我國(guó)首座水面漂浮式光伏發(fā)電站試驗(yàn)項(xiàng)目在湖北省棗陽(yáng)市興建，計(jì)劃年底建成投產(chǎn)?？傃b機(jī)1200千瓦，為保證收益，計(jì)劃陸地裝機(jī)1000千瓦，占地23畝，水庫(kù)水面試驗(yàn)性裝機(jī)200千瓦，占水面約3 畝[7]。

水上漂浮式光伏電站利用某種水上基臺(tái)將光伏組件漂浮在水面進(jìn)行發(fā)電。區(qū)別于地面與屋頂光伏，其特點(diǎn)在于，離水面近，水體對(duì)光伏組件有冷卻效果，可以抑制組件表面溫度上升，能夠獲得更高的發(fā)電量。此外，將太陽(yáng)能電池板覆蓋在水面上，可以減少水面蒸發(fā)量，還能防止藻類(lèi)大量繁殖。

2 漂浮式光伏結(jié)構(gòu)形式初步設(shè)計(jì)

我國(guó)水庫(kù)、湖泊等水域面積廣闊，但很多區(qū)域水位往往較深，如采用樁基礎(chǔ)，一方面存在施工難度，另一方面會(huì)極大增加工程造價(jià)，文章基于以上考慮提出一種漂浮式水上光伏的結(jié)構(gòu)形式，即采用光伏組件通過(guò)錨塊固定、浮筒漂浮在水面上的形式，一來(lái)可以省去基礎(chǔ)的施工，二來(lái)可以適應(yīng)水位的上下浮動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“水上發(fā)電、水下養(yǎng)魚(yú)”的“漁光互補(bǔ)”目標(biāo)，具體連接見(jiàn)圖1。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，該水上光伏組件連接裝置包括支架和光伏板，所述光伏板安裝在支架上，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于：還包括底座、浮筒、帶有拉簧的纜繩、錨塊和用于漁業(yè)養(yǎng)殖的漁網(wǎng)，所述支架固定在底座上，所述底座安裝在浮筒上，所述纜繩的一端連接在浮筒上，該纜繩的另一端連接在錨塊上，所述漁網(wǎng)和浮筒連接，該漁網(wǎng)位于底座的下方。

連接裝置包括光伏板及支架（1）、次H型鋼（2）、主H型鋼（3）、浮筒基礎(chǔ)（4）、拉簧與纜繩（5）、水下錨塊（6）及漁網(wǎng)（7）。其中，浮筒基礎(chǔ)可直接采購(gòu)、拼裝連接，拉簧纜繩通過(guò)與水下重錨塊連接，當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)起到緩沖作用。

具體連接方式如下：光伏板及支架與次H型鋼焊接，次H型鋼與主H型鋼螺栓連接，主H型鋼與浮筒耳部圍成孔隙（8）中內(nèi)插的金屬支架焊接，浮筒漂浮在水面，浮筒內(nèi)插的金屬支架下端預(yù)留孔洞，孔洞一方面與漁網(wǎng)連接，漁網(wǎng)內(nèi)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)等，另一方面與拉簧纜繩的彎鉤連接，拉簧纜繩另一端通過(guò)預(yù)埋鋼環(huán)與水下沉底的混凝土錨塊相連。浮筒之間通過(guò)組合連接形成水上檢修通道。

3 漂浮式光伏存在的問(wèn)題

盡管漂浮式光伏的出現(xiàn)可以大大緩解目前光伏項(xiàng)目對(duì)于土地資源的需求，存在著較多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著一些亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，水面之上的環(huán)境變化往往比地面更為復(fù)雜，只有真正解決技術(shù)難點(diǎn)才能使新結(jié)構(gòu)形式得到大規(guī)模的推廣。

3.1 電纜敷設(shè)方式

漂浮式項(xiàng)目中電纜無(wú)法像地面光伏一樣，采用地埋等方式連接，如若采用水下電纜的形式又會(huì)對(duì)浮筒之上的光伏板存在較大的下拉作用力，不利于光伏組件于水上的漂浮，對(duì)整體的穩(wěn)定性有著不利影響；另一方面，水下電纜對(duì)施工技術(shù)要求很高，同時(shí)會(huì)增加工程的整體造價(jià)。因此，電纜從光伏板到匯流箱之間的連接方式需要做針對(duì)性的方案調(diào)整。

3.2 水位變化下的電纜連接方式

以水庫(kù)為例，在泄洪期間，水面高度會(huì)發(fā)生改變，且最高水位與最低水位之間的差值往往較大，有幾十米之多，這就必然帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題，即水位下降時(shí)，由于光伏結(jié)構(gòu)向下移動(dòng)的拉力作用，電纜將會(huì)向水面部分移動(dòng)，反之，則向岸邊方向移動(dòng)。如果水面上升下降的速度較大，這種移動(dòng)會(huì)更加明顯。為了應(yīng)對(duì)水面高低起伏對(duì)于電纜線路的影響，岸邊逆變器與水上光伏板間的電纜連接方式以及節(jié)點(diǎn)連接形式需要做針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

3.3 工程造價(jià)的控制

以如上所設(shè)計(jì)的漂浮式結(jié)構(gòu)為例，浮筒作為光伏板的承重結(jié)構(gòu)以及水上通道，起著重要作用。從目前市場(chǎng)情況來(lái)看，浮筒只能通過(guò)廠家定制大批采購(gòu)，但造價(jià)略高，一般情況下的單位千瓦造價(jià)為光伏板的一半，這將增加投資回報(bào)年限甚至可能無(wú)法保證收益。因此，工程造價(jià)將會(huì)是影響類(lèi)似項(xiàng)目能否開(kāi)展的重要原因之一。

不過(guò)針對(duì)水電站，這一情況將得到解決。一方面，漂浮式光伏利用既有水面可以省去一大筆征地費(fèi)用；另一方面，可以考慮使用水電站原有的升壓站，因此升壓站的建設(shè)可以省去，這也將減少一大筆建筑工程費(fèi)用，從而彌補(bǔ)浮筒較為高昂的價(jià)格對(duì)總造價(jià)產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著土地資源的緊缺，水域之上安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了越來(lái)越多的重視，漂浮式光伏系統(tǒng)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如能夠減少土地使用成本，同時(shí)利用水體對(duì)光伏陣列進(jìn)行冷卻，不僅可以提高輸出電量，還可以減少風(fēng)冷、水冷等額外散熱裝置的成本。

但在大規(guī)模推廣之前，需要解決電纜敷設(shè)方式、水面上電纜與岸上逆變器間連接方式以及控制造價(jià)這三個(gè)難題，做針對(duì)性方案設(shè)計(jì)。從目前的情況來(lái)看，對(duì)于水電站，由于省去征地費(fèi)用及升壓站建設(shè)費(fèi)用，具有較大的優(yōu)勢(shì)，具備相關(guān)條件，可以考慮作為漂浮式光伏系統(tǒng)推廣的試點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王斯成.我國(guó)光伏發(fā)電有關(guān)問(wèn)題研究[J].中國(guó)能源，2009（2）：7-10.

[2]魏政，于冰清.我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策[J].中外能源，2013（6）：15-24.

[3]何嘯，李國(guó)富，葛霞，等.漂浮式光伏發(fā)電裝置在海浪影響下的光照性能研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2014（6）：545-549.

[4]以色列研發(fā)成功水面太陽(yáng)能電站[J].農(nóng)村電工，2012（3）：48.

[5]日本1.18MW水上漂浮光伏電站竣工[J].可再生能源，2013（10）：33.

[6]日本兵庫(kù)縣水上光伏項(xiàng)目投入運(yùn)行[N].中國(guó)有色金屬報(bào)，2015.

[7]我省首試“水上漂”光伏電站[N].湖北日?qǐng)?bào)，2015.