水上光伏電站新模式下不同材料節(jié)水效益研究

胡洪浩 侍克斌 毛海濤 石祥 肖建

摘 要：為了有效結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)與防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)，選出一種綜合效益更高的防蒸發(fā)材料，以節(jié)水效益為切入點，以干旱區(qū)水上光伏電站新模式最小單元體為研究對象，利用苯板、PVC浮板以及PE浮球作為防蒸發(fā)材料，對新模式節(jié)水效益進行研究，并進行投資回收期分析。結(jié)果表明：按照干旱區(qū)水上光伏電站新模式結(jié)構(gòu)形式布置，在水面覆蓋1 m2苯板、PVC浮板以及PE浮球年節(jié)水效率分別為95.92%、96.59%、83.18%;苯板的投資回收期最短，為1.59 a/9.57 a（節(jié)水用于工業(yè)/農(nóng)業(yè)），綜合考慮節(jié)水效率及經(jīng)濟性，最終選用苯板作為干旱區(qū)水上光伏電站新模式防蒸發(fā)材料。

關(guān)鍵詞：防蒸發(fā)材料; 水上光伏電站; 蒸發(fā)抑制率; 節(jié)水效益;干旱區(qū)

中圖分類號：TU991.64文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.014 引用格式：胡洪浩，侍克斌，毛海濤，等.水上光伏電站新模式下不同材料節(jié)水效益研究[J].人民黃河，2021，43（1）：72-76，81.

Study on Water Saving Efficiency of Different Materials Under the Conditions of

New Mode of Water Photovoltaic Power Station

HU Honghao1， SHI Kebin1， MAO Haitao2， SHI Xiang1， XIAO Jian3

（1.School of Water Conservancy & Civil Engineering， Xinjiang Agriculture University， Urumqi 830052， China;

2.College of Civil Engineering， Chongqing Three Gorges University， Chongqing 404100， China;

3.Water Management General Station of Gaochang District of Turpan， Turpan 838000， China ）

Abstract： In order to effectively combine photovoltaic power generation technology with anti-evaporation and water-saving technology and select a kind of anti-evaporation material with higher comprehensive benefits， taking water-saving benefit as the starting point， this paper took the smallest unit of the new model of photovoltaic power station in arid area as the research object， and used benzene plate， PVC float plate and PE float ball as anti-evaporation materials to study water-saving benefits of the new model， and carried out an analysis of the payback period of investment. The results show that according to the layout of the new model structure of photovoltaic power station on water in arid area， the annual water saving efficiency of covering 1 m2 benzene plate， PVC floating plate and PE floating ball are 95.92%， 96.59% and 83.18% respectively. The shortest payback period of benzene board is 1.59 years/9.57 years（save water for industry/agriculture）. Considering the water-saving efficiency and economy， the benzene plate is finally selected as the evaporation-proof material for the new model of photovoltaic power plants in arid areas.

Key words： anti-evaporation material; water photovoltaic power station; evaporation inhibition rate; water-saving efficiency; arid area

為了應(yīng)對日益嚴重的能源危機，尋找新的可替代能源迫在眉睫[1]。目前，太陽能、水能、風能等可再生能源的開發(fā)利用成為化石能源的有效補充，緩解了化石燃料燃燒帶來的環(huán)境問題。其中，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，開發(fā)潛力巨大[2-3]，因此光伏產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。隨著光伏領(lǐng)域的拓展，水光互補、漁光互補等生態(tài)發(fā)電新模式逐漸成為研究重點，光伏發(fā)電板的布設(shè)地點由陸地逐漸向水域轉(zhuǎn)移，形成水上光伏發(fā)電系統(tǒng)[3-7]。水上光伏發(fā)電是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，但在干旱區(qū)與半干旱區(qū)剛剛起步。鑒于干旱區(qū)與半干旱區(qū)降水少、蒸發(fā)損失大、光能資源豐富的特點，可將光伏發(fā)電技術(shù)與防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)相結(jié)合，形成具有地域特色的水上光伏發(fā)電新模式，實現(xiàn)發(fā)電、節(jié)水、控鹽3種效益并舉，有廣闊的發(fā)展前景。

目前，防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)主要有化學試劑覆蓋法、水生植物覆蓋法以及物理覆蓋法等。其中，物理覆蓋法備受關(guān)注，前人對此作了大量研究，例如：2002年侍克斌[8]提出內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水方法;2004年嚴新軍等[9]提出采用苯板覆蓋抑制水面蒸發(fā)，并對其在風浪中受力情況進行了研究;2013年Alam等[10]分別用單、雙層棕櫚葉進行防蒸發(fā)試驗研究，結(jié)果表明單、雙層棕櫚葉對水面的蒸發(fā)抑制率分別為47%、58%;2015年李存立等[11]利用不同厚度的PVC浮板在水庫現(xiàn)場進行了防蒸發(fā)試驗，結(jié)果表明蒸發(fā)抑制率隨浮板厚度增加而增大;2016年唐凱等[12]采用苯板覆蓋20 m2蒸發(fā)池進行抑制水面蒸發(fā)試驗，結(jié)果表明苯板覆蓋水面的平均抑制率為51.25%;2017—2018年韓克武等[13-14]采用PE浮球?qū)λ畮祆o水水面進行防蒸發(fā)研究，得出浮球覆蓋率為91%時的蒸發(fā)抑制率為89.60%，浮球覆蓋面積為 1、2、3、4 m2時的節(jié)水效率分別為 62.93%、65.16%、67.77%、70.00%。鑒于材料的綜合性能，目前用于干旱區(qū)平原水庫的防蒸發(fā)節(jié)水材料主要有苯板、PVC浮板以及PE浮球等，這3種材料各有優(yōu)劣，所產(chǎn)生的節(jié)水效益也有所差異，上述學者在研究其防蒸發(fā)節(jié)水效益時尚未考慮與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，當兩者結(jié)合時，光伏發(fā)電系統(tǒng)對不同防蒸發(fā)材料的節(jié)水效益如何還有待進一步研究。因此，筆者以節(jié)水效益為切入點，利用苯板、PVC浮板以及PE浮球作為防蒸發(fā)材料開展研究，以期探明不同材料對干旱區(qū)水上光伏發(fā)電新模式節(jié)水效益的影響規(guī)律，從而選出一種綜合效益更高的防蒸發(fā)材料，為在干旱區(qū)因地制宜發(fā)展水上光伏發(fā)電提供參考。

1 干旱區(qū)水上光伏電站新模式結(jié)構(gòu)形式

水上光伏電站按基礎(chǔ)形式可分為樁基固定式與水面漂浮式，如圖1、圖2所示。

圖2 水面漂浮式本試驗采用水面漂浮式光伏系統(tǒng)，當浮箱固定后，直接在各浮箱構(gòu)成的圍欄單元內(nèi)鋪設(shè)防蒸發(fā)材料，實現(xiàn)產(chǎn)生電能與抑制水面蒸發(fā)并舉，同時有效抑制鹽分濃縮，降低水體礦化度。該結(jié)構(gòu)形式充分結(jié)合干旱區(qū)與半干旱區(qū)特點，利用光伏發(fā)電技術(shù)與防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)，形成一種集發(fā)電、節(jié)水、控鹽為一體的水上光伏發(fā)電新模式。

2 研究區(qū)概況及材料性能

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山東部山間盆地吐魯番市勝金鄉(xiāng)境內(nèi)，屬典型的大陸性干旱荒漠氣候區(qū)，以干旱少雨、氣溫高、多大風為主要特點。1—2月為冰凍期，3—12月為非冰凍期，多年平均降水量16.2 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為2 845 mm。多年平均氣溫14.1 ℃，7月平均氣溫最高（32.6 ℃），極端最高氣溫為49.6 ℃，35 ℃以上的高溫天氣可持續(xù)160多 d。多年平均風速為2.2 m/s，最大風速25.0 m/s。

2.2 材料性能

水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)滿足合適的密度、足夠的強度、憎水、無毒、 耐久性好等要求。本試驗選用苯板、PVC浮板以及PE浮球作為抑制蒸發(fā)材料，同時PE浮箱也可作為一種防蒸發(fā)材料。各防蒸發(fā)材料物理參數(shù)見表1。

唐凱[15]通過試驗研究了苯板覆蓋于水中對水質(zhì)的影響，定量測定了水體的pH值、懸浮物、總鹽、氯化物、硫化物等指標，結(jié)果表明：覆蓋苯板對水質(zhì)的影響不大，對降低懸浮物和總鹽量有較為明顯的作用，苯板覆蓋率為100%相比無苯板覆蓋，懸浮物和總鹽量分別降低了67.1 %和17.3%。PE材料、PVC材料以及苯板有較好的耐久性，不會對周圍水體造成污染，三者作為抑制蒸發(fā)材料各有優(yōu)劣。苯板較輕，價格便宜，但抗彎折能力較弱，在風浪作用下很容易折斷;PVC浮板較重，價格較高，但抗剪強度較大，在風浪作用下不易被破壞。苯板和PVC浮板都是塊狀材料，在風浪作用下易發(fā)生塊體相互重疊，在發(fā)生強風時甚至會被刮至水庫岸坡，出現(xiàn)聚集、擱淺的現(xiàn)象。PE浮球因撞擊、摩擦而造成材料的自身磨損相對較輕，并且會因球形結(jié)構(gòu)和自身重力作用而不被刮離庫外，但價格相對較高。

2.3 現(xiàn)場布置

現(xiàn)場布置選在水庫四周開闊、受光良好的水域進行（見圖3）。取干旱區(qū)水上光伏電站新模式的一個最小單元體作為研究對象，該單元體由浮箱平臺、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及防蒸發(fā)材料（分別為苯板、PVC浮板、PE浮球）3部分組成。先將12個PE浮箱相互連接作為浮體基礎(chǔ)，再將光伏電板與支架連接后固定于浮箱平臺上，然后在浮箱中間的水面鋪設(shè)防蒸發(fā)材料，形成了一個4 m2的單元體，用繩索將其固定于岸邊。

3 數(shù)據(jù)整理及分析

3.1 風速采集及分析

利用NK5500手持氣象儀，采集研究區(qū)一個完整非冰凍期的氣象數(shù)據(jù)，對不同風速出現(xiàn)的天數(shù)進行統(tǒng)計，并計算其出現(xiàn)的頻率，見表2?？芍?、3級風出現(xiàn)的頻率較高，風速為1.6～5.4 m/s，占整個非冰凍期的84.30%，1級與5～11級風出現(xiàn)的頻率較低，風速在10.8 m/s以上的天數(shù)很少。

3.2 潤濕率計算及分析

觀測記錄不同風速下研究單元體各防蒸發(fā)材料的潤濕面積S（不含靜水中水面以下的防蒸發(fā)材料的表面積），求和得出防蒸發(fā)材料在風浪作用下潤濕的總面積S1。潤濕率α是指在一定風速下各防蒸發(fā)材料潤濕的總面積S1占各材料水面以上總面積S0的百分比：

α=S1S0（1）

不同風速下浮箱圍欄以及不同防蒸發(fā)材料潤濕率見表3。

由表3可知：浮箱圍欄、苯板、PVC浮板以及PE浮球的潤濕率均隨風速增大而增大。當風速為0～3.3 m/s時，形成波浪的能量較小，圍欄內(nèi)各種防蒸發(fā)材料覆蓋下的水面可視為靜水狀態(tài)，各防蒸發(fā)材料的潤濕率為0。隨著風速逐漸增大，形成波浪的能量也增大，波浪拍擊在浮箱上濺濕的高度增加，使浮箱外側(cè)的潤濕面積增大，當風速超過10.8 m/s 時，浮箱圍欄潤濕率達到最大（20%）。苯板、PVC浮板以及PE浮球的潤濕率隨風速增大的總體變化趨勢相近，當風速小于8 m/s時潤濕率隨風速增大的變化速率較慢，當風速大于8 m/s時各種防蒸發(fā)材料的潤濕率曲線越來越陡，尤其是當風速大于10 m/s時，各種材料的潤濕率增大速度極快。原因是風速較小時，浮箱與光伏系統(tǒng)的重力勢能較大，浮箱吃水深度較深，整體穩(wěn)定性較好，浮箱圍欄對波浪的消減作用較大，圍欄內(nèi)的浮板或浮球受波浪的影響較小，因而潤濕率變化速度較慢;風速超過8 m/s時，浮箱與光伏系統(tǒng)的重力勢能對波浪的消減作用減小，圍欄內(nèi)的防蒸發(fā)材料受波浪的影響較大，當風速繼續(xù)增大時潤濕率變化速度加快。當風速超過10.8 m/s時，苯板、PVC浮板以及PE浮球潤濕率達到最大，分別為17%、14%、15%，相差不大。PVC浮板潤濕率最小的原因是其質(zhì)量較大，在隨波浪起伏時相對較為穩(wěn)定;苯板較輕，在風浪作用下穩(wěn)定性相對較差，因此其潤濕率最大。

6 結(jié) 語

按照干旱區(qū)水上光伏電站新模式結(jié)構(gòu)形式布置，在水面覆蓋1 m2苯板、PVC浮板以及PE浮球年節(jié)水效率分別為95.92%、96.59%、83.18%， 苯板投資回收期最短，綜合考慮節(jié)水效率及經(jīng)濟性，最終選用苯板作為干旱區(qū)水上光伏電站新模式的防蒸發(fā)材料。本文僅從節(jié)水效益的角度進行探討，研究的對象為干旱區(qū)水上光伏電站新模式的最小單元體，后續(xù)將擴大研究對象單元，并且綜合考慮其發(fā)電、節(jié)水以及控鹽效益。

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【責任編輯 張華興】