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

(中國華電科工集團有限公司，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

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個新概念，目前在市場上還沒有得到推廣。對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，介紹了水上漂浮式光伏發(fā)電的種類及發(fā)展現(xiàn)狀，總結了需要解決的幾個重要問題，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

近幾年是國內光伏發(fā)電產業(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，越來越多的問題接踵而至。目前我國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、內蒙古等地區(qū)，這些地區(qū)雖然光資源好，但是因為種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棄光電量的83%，棄光率超過30%。目前市場上大多數(shù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍存在兩大難題：一是建造工程占地面積大；二是我國光資源好的地區(qū)普遍存在限電問題，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，將會克服以上兩大難題。

1 水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

近年來，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)在全世界迅速增長。太陽能發(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)電占主導地位。目前，國內光伏發(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)。國內還有很多屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其裝機容量一般小于1 MW，并且多數(shù)為離網運行。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、魚塘光伏等。

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個新概念，目前在市場上還沒有得到推廣。水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的特點是可以安裝在海洋、湖泊(包括咸水湖)、河流(包括季節(jié)性旱澇河流)、水庫、魚塘、灌溉池、蓄水池甚至廢水處理池等處；此外，市場上常用的光伏組件(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，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，保護水資源。

2 不同形式光伏的優(yōu)缺點對比

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。1)可計算出年最佳傾角，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較方便；5)一般建設在人煙稀少的地區(qū)，一旦發(fā)生安全事故，造成的人員傷害和財產損失最小。

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

2.2 屋頂、幕墻分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

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

(2)缺點。1)建筑光伏一體化發(fā)電系統(tǒng)經常會被周圍其他建筑、煙囪、樹木等遮擋；2)大部分安裝建設時需高空作業(yè)，相對難度較大；3)無法建成大容量并網光伏電站；4)由于建筑面積較小，為節(jié)省空間，往往不設計帶傾角的系統(tǒng)，從而不能達到最佳工作狀態(tài)。

2.3 水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)

(1)優(yōu)點[2]。1)適應于各種水面，如海洋、湖泊、河流、水庫、魚塘等，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，有助于漁業(yè)的產量增加；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)電量也相對較高；6)能更好地適應自然災害，如洪水、地震等。

(2)缺點。1)浮筒沒有產業(yè)化，大部分價格較高；2)大部分情況下需要特種設備，施工也比地面式光伏發(fā)電系統(tǒng)復雜。

3 水上漂浮式光伏種類

隨著人們對水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)關注度的不斷提高，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，相對成本較低，運行維護簡單，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)的熱門話題。

圖2 方位角跟蹤式浮筒

由于整個光伏系統(tǒng)漂浮于水面，所以只需要很小的驅動系統(tǒng)就可以驅動大面積光伏組件。而地面光伏的單軸跟蹤系統(tǒng)往往需要耗費大量的鋼材，需要大型的電機來驅動，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。整個漂浮系統(tǒng)可利用升降錨索固定于水面，當遇到極端天氣時，可調節(jié)錨索使整個系統(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)點是光伏組件與水面接觸，溫度較低，輸出功率更高，缺點是水平放置沒有傾角，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、印度、美國、澳大利亞、巴西等國家都在關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，對水資源的保護也是其優(yōu)勢之一[5]。目前各國部分水上漂浮式光伏發(fā)電項目見表1。

我國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、棗陽熊河水庫1.2 MW光伏電站、鄒城32 MW光伏電站等。

表1 目前各國部分水上漂浮光伏發(fā)電項目

續(xù)表

我國南方水資源豐富，湖泊、魚塘、水庫、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，還可提升發(fā)電量。但若大面積推廣，還需解決幾個重要問題[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害情況下的保護措施，如洪水、泥石流等；(3)需考慮整個發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境的影響。

5 結束語

日本的水上漂浮式光伏發(fā)電量目前保持著世界領先地位，韓國和印度也在積極研發(fā)和推廣該技術。我國的水上漂浮式光伏發(fā)電尚處于起步階段，國家能源局給予了足夠的重視。我國水庫面積大于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2 700個。漂浮式光伏電站相比地面光伏電站對環(huán)境更友好，不存在電站廢棄后混凝土樁體對土地的污染問題。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.

(本文責編：劉芳)

TM 615

B

1674-1951(2017)03-0074-03

2016-12-20；

2017-02-07

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