水面漂浮式光伏電站的經(jīng)濟(jì)性分析

趙 然，邵蔣寧，諸榮耀，楊 松，陶國(guó)均

(浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，杭州 310051)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，煤炭、石油等化石能源正面臨枯竭，尋求可再生能源的發(fā)展成為全人類迫在眉睫的大事。以太陽能、風(fēng)能、水能為主的新型清潔的可再生能源電力正逐漸成為眾多國(guó)家用來代替化石能源電力的主力軍。但大型地面光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)需要占據(jù)大片土地，一個(gè)地面光伏電站的平均土地利用面積為0.5～0.7 MW/hm2[1]。與此同時(shí)，面對(duì)地球人口的爆炸式增長(zhǎng)，土地資源日益緊張，導(dǎo)致一些大型光伏電站被建設(shè)在太陽輻照度較高的山地、沙漠地區(qū)，但光伏組件的負(fù)溫度系數(shù)特性會(huì)導(dǎo)致其在受到高溫暴曬后輸出功率下降，從而影響整個(gè)電站的發(fā)電能力。因此，圍繞光伏電站的新興技術(shù)得到更多關(guān)注，其中被討論最廣泛的是水面漂浮式光伏(FPV)電站。

FPV電站是將光伏陣列安裝在水域中，例如廢水處理廠、魚塘、水庫(kù)等地方的水域。這為一些用地緊張的島嶼國(guó)家提供了利用可再生能源的可行性方案[2]。另外，由于光伏組件被安裝在水面，水溫可以有效降低光伏組件的工作溫度，從而有效提升其發(fā)電量；而且光伏組件的遮陰效果既可以減緩水體的蒸發(fā)速率，又可以阻止水域內(nèi)藻類的大規(guī)模爆發(fā)。據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)估計(jì)，截至2021年，全球約有3790698個(gè)淡水水庫(kù)具備建設(shè)FPV電站的能力，電站總裝機(jī)容量可達(dá)400 GW[2]；并且目前全球眾多國(guó)家已開始了FPV電站項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)。本文對(duì)FPV電站采用的太陽電池的工作溫度進(jìn)行分析，并以山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心的學(xué)者得出的“FPV電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率比地面光伏電站中太陽電池的高1.58%～2.00%”[3]研究結(jié)論作為理論依據(jù)，從年發(fā)電量、投資成本、投資回收期和平準(zhǔn)化度電成本(LCOE) 4個(gè)方面對(duì)FPV電站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析；最后對(duì)幾種可再生能源發(fā)電方式與FPV電站相結(jié)合形成的混合型電站的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行介紹。

1 FPV電站中太陽電池的性能分析

1.1 太陽電池工作溫度分析

太陽電池工作溫度的升高會(huì)降低硅半導(dǎo)體的禁帶寬度，因此在給定太陽輻照度的情況下，稍微增加太陽電池的短路電流，即能在很大程度上降低太陽電池的開路電壓，從而降低太陽電池的填充因子和輸出功率。相關(guān)研究表明，水面區(qū)域的溫度可比陸地上的溫度低4～6 ℃。山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心的學(xué)者采用三維有限元方法，對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC，太陽輻照度為1000 W/m2，太陽電池工作溫度為25 ℃，大氣質(zhì)量AM1.5)下 FPV電站中太陽電池的工作溫度和地面光伏電站中太陽電池的工作溫度進(jìn)行了研究[3]，研究結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種光伏電站場(chǎng)景下太陽電池的工作溫度分布圖Fig. 1 Working temperature distribution diagram of solar cell in two scenarios of PV power stations

從圖1可以看出：無論是FPV電站中的太陽電池還是地面光伏電站中的太陽電池，其中心區(qū)域的工作溫度都高于其他區(qū)域。其中，F(xiàn)PV電站中太陽電池的中心區(qū)域最大工作溫度達(dá)53.985℃，邊緣區(qū)域最低工作溫度為51.139 ℃；地面光伏電站中太陽電池的中心區(qū)域最大工作溫度為57.465 ℃，邊緣區(qū)域最低工作溫度為54.652 ℃。由此可知，水的冷卻作用可以使太陽電池的工作溫度下降3.5 ℃左右。

1.2 太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率分析

太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率η可由式(1)計(jì)算得到，即：

式中：ηr為太陽電池在STC下的光電轉(zhuǎn)換效率；γ為太陽電池的溫度系數(shù)；Tc為太陽電池的工作溫度；TS為太陽電池在STC下的工作溫度。

太陽電池的工作溫度的計(jì)算式為：

式中：TN為800 W/m2太陽輻照度下，額定太陽電池工作溫度，取值范圍通常為33～58 ℃；Ta為空氣溫度；S為太陽輻照量。

通過式(1)、式(2)可分別計(jì)算得到兩種光伏電站場(chǎng)景下太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，具體如表1所示。

表1 兩種光伏電站場(chǎng)景下太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率Table 1 Photoelectric conversion efficiency of solar cells in two scenarios of PV power stations

從表1可以看出：FPV電站中太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率略高于地面光伏電站中太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但二者差距不大，差值約為0.26%。陸地溫度遠(yuǎn)大于STC下的太陽電池工作溫度25℃，可以達(dá)到30 ℃以上，而水面溫度可以接近于STC下的太陽電池工作溫度。兩種光伏電站場(chǎng)景下，除環(huán)境溫度和太陽輻照度這兩個(gè)影響太陽電池工作溫度的因素之外，風(fēng)速等對(duì)太陽電池工作溫度也存在一定影響。因此，F(xiàn)PV電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)比地面光伏電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率高出約1.6%。這與山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心的學(xué)者得出的“FPV電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率可比地面光伏電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率高1.58%～2.00%”[3]這一結(jié)論一致。

2 FPV電站的經(jīng)濟(jì)性分析

下文通過對(duì)比地面光伏電站和FPV電站的發(fā)電量、投資成本、投資回收期和LCOE，分析FPV電站的經(jīng)濟(jì)性。

2.1 兩種光伏電站的發(fā)電量對(duì)比

采用光伏行業(yè)常用仿真軟件PVsyst，選取中國(guó)中部地區(qū)某地的陸地區(qū)域建立一個(gè)10 MW的地面光伏電站。該電站使用的光伏組件為浙江正泰新能源開發(fā)有限公司生產(chǎn)的高效PERC雙面多主柵半片單晶硅光伏組件，型號(hào)為CHSM72M(DG)/F-BH 540Wp；逆變器采用上海正泰電源系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的組串式逆變器，型號(hào)為 1500V CPS SCH250KTL-DO 250kW。地面光伏電站所用設(shè)備型號(hào)及數(shù)量情況如表2所示。

表2 地面光伏電站所用設(shè)備型號(hào)及數(shù)量情況Table 2 Model and quantity of equipment used in ground PV power station

利用PVsyst軟件對(duì)該地面光伏電站的年發(fā)電小時(shí)數(shù)和年發(fā)電量情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示：該地面光伏電站的年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1303 h，年發(fā)電量為 11821 MWh。

由前文可知，F(xiàn)PV電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率可比地面光伏電站中太陽電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率高出1.58%～2.00%，考慮多種因素后，可估算得到FPV電站的實(shí)際年發(fā)電效率比地面光伏電站的實(shí)際年發(fā)電效率高1.79%。因此，在同個(gè)測(cè)試地區(qū)，保證其他相關(guān)因素相同的條件下，10 MW FPV電站的年發(fā)電量相較于10 MW地面光伏電站的年發(fā)電量可提升1.79%，達(dá)到 12033 MWh。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PV電站增加的212 MWh年發(fā)電量，需要地面光伏電站在原有的10 MW基礎(chǔ)上增加一個(gè)裝機(jī)容量約為0.1627 MW的光伏陣列。新增的0.1627 MW光伏陣列需要300塊光伏組件和1臺(tái)組串式逆變器。綜上可知，由于10 MW FPV電站的年發(fā)電量高于相同裝機(jī)容量的地面光伏電站的年發(fā)電量，若要達(dá)到相同的年發(fā)電量，地面光伏電站需通過增容來實(shí)現(xiàn)。

2.2 兩種光伏電站的投資成本對(duì)比

在考慮光伏陣列間距和光伏組件安裝傾角等因素后發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)中部地區(qū)某區(qū)域內(nèi)建設(shè)一個(gè)10 MW的FPV電站，其占地面積約為190667.6 m2(約為286畝)；而建設(shè)一個(gè)10.1627 MW的地面光伏電站，所需的占地面積約為194001 m2，約為291畝。因此，相比FPV電站，地面光伏電站需要新增300塊光伏組件、1臺(tái)組串式逆變器和約5畝土地才能達(dá)到同等水平的年發(fā)電量。因此，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，在對(duì)發(fā)電量有要求的情況下，可以采用FPV電站，并通過適當(dāng)降低容配比來控制初始投資成本。通常，一個(gè)光伏電站的投資成本主要包括設(shè)備成本及安裝工程成本，這兩項(xiàng)約可占到總投資成本的85%。

兩種光伏電站的壽命周期按25年計(jì)，則對(duì)這兩種光伏電站的25年總投資成本進(jìn)行預(yù)算，預(yù)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知：FPV電站的25年總投資成本比地面光伏電站的高約354.825萬元，其主要包括租地費(fèi)用、安裝工程和后期運(yùn)維成本。

表3 兩種光伏電站的25年總投資成本預(yù)算結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of 25-year total investment cost budget results of two types of PV power stations

雖然FPV電站25年的總投資成本預(yù)算高于地面光伏電站，但FPV電站可以保護(hù)水體，減少水體蒸發(fā)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，北半球中緯度地區(qū)的水體每年蒸發(fā)損失率約在1.3～1.8 kL/m2[4]。假設(shè)中國(guó)中部地區(qū)的水體每年蒸發(fā)損失率約為1.5 kL/m2，一個(gè)10 MW的FPV電站可以覆蓋水面約190667.6 m2，則其每年可以減少的水體蒸發(fā)量約為286001.4 m3，約占水體蒸發(fā)量的80%。按照當(dāng)?shù)厮M(fèi)為3.65元/m3估算，每年節(jié)約水體創(chuàng)造的價(jià)值約為104.3905萬元，項(xiàng)目運(yùn)行25年共計(jì)可創(chuàng)造約2609.7628萬元的價(jià)值。折算到投資成本后，F(xiàn)PV電站的25年總投資成本降至約1419.737萬元，遠(yuǎn)低于地面光伏電站的25年總投資成本。

綜上所述，不考慮其他影響因素，僅從FPV電站運(yùn)行可減少水體蒸發(fā)角度而言，F(xiàn)PV電站的運(yùn)行收益高于地面光伏電站的運(yùn)行收益。

2.3 FPV電站的投資回收期

投資回收期是指收回資本所需的年限，可以使用25年總投資成本與每年的營(yíng)收利潤(rùn)或節(jié)約成本的比值來確定。下文利用簡(jiǎn)單的投資回收期計(jì)算方法粗略估算上述10 MW FPV電站的投資回收期。

假定項(xiàng)目壽命周期內(nèi)的每筆現(xiàn)金流都是相同的。由表3可知，10 MW FPV電站的25年總投資成本約為4029.5萬元，電站每年并網(wǎng)前的發(fā)電量約為12033 MWh。假定中國(guó)中部地區(qū)的電價(jià)為0.34元/kWh，那么出售電力的收入約為409.122萬元，每年節(jié)約水體創(chuàng)造的價(jià)值約為104.3905萬元。除去每年的后期運(yùn)維費(fèi)用等其他成本后，每年的營(yíng)收可以達(dá)到約500萬元，因此，粗略計(jì)算得到的投資回收期約為8.06年。

綜上可知，10 MW的FPV電站在運(yùn)營(yíng)的第9年就可以收回25年總投資成本，并能創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)收益。

2.4 不同能源發(fā)電項(xiàng)目的LCOE

LCOE是對(duì)能源發(fā)電(比如光伏、風(fēng)電、火電等)項(xiàng)目壽命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量先進(jìn)行平準(zhǔn)化，再計(jì)算得到的發(fā)電成本，即壽命周期內(nèi)的成本現(xiàn)值與壽命周期內(nèi)發(fā)電量現(xiàn)值的比值，其計(jì)算式為：

式中：Cn、Qn分別為項(xiàng)目第n年的總成本和總發(fā)電量；r為折扣率；N為項(xiàng)目的壽命周期，本文取25。

代入相關(guān)數(shù)值，初步計(jì)算后得出10 MW FPV電站的LCOE為1.2元/kWh。但FPV電站每年創(chuàng)造的水利價(jià)值約為104.3905萬元，假設(shè)將該電站每年所創(chuàng)造的水利價(jià)值抵消25年總投資成本，重新計(jì)算后可得到該FPV電站的LCOE為 0.4元/kWh。

根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]，截至2021年，市場(chǎng)上幾種主要能源發(fā)電項(xiàng)目的LCOE情況如圖2所示。

圖2 幾種主要能源發(fā)電項(xiàng)目的LCOEFig. 2 LCOE for power generation projects from several major sources

從圖2可以看出：可再生能源發(fā)電項(xiàng)目(陸上風(fēng)電項(xiàng)目、海上風(fēng)電項(xiàng)目、光伏電站、太陽能熱發(fā)電站、FPV電站)即使在補(bǔ)貼之后的LCOE仍高于脫硫脫硝煤這種傳統(tǒng)化石能源的LCOE，但FPV電站的LCOE又低于其他所有類型可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的LCOE。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)性方面分析，F(xiàn)PV電站的可行性很高，且取得一定經(jīng)濟(jì)效益后的LCOE為0.4元/kWh，低于其他類型可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的LCOE。

3 混合型電站的設(shè)計(jì)

FPV電站與其他可再生能源發(fā)電方式相結(jié)合能形成晝夜互補(bǔ)、旱澇互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合形成的混合型電站將得到越來越多的關(guān)注和認(rèn)可，是未來發(fā)展趨勢(shì)。下文對(duì)FPV電站與風(fēng)電、水電、波浪能發(fā)電、抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能相結(jié)合形成的不同混合型電站形式進(jìn)行介紹。

3.1 FPV電站 + 風(fēng)電

2020年，可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量中增長(zhǎng)率最快的太陽能發(fā)電和風(fēng)電分別以127 GW(+22%)和111 GW(+18%)主導(dǎo)可再生能源發(fā)電領(lǐng)域[6]。因此，風(fēng)光互補(bǔ)型電站的未來發(fā)展前景炙手可熱。其中，F(xiàn)PV電站與海上風(fēng)電場(chǎng)相結(jié)合的新型設(shè)計(jì)也被提出。西班牙奧維耶多大學(xué)的DyMAST研究小組設(shè)計(jì)出FPV電站與已有海上風(fēng)電場(chǎng)相結(jié)合的采用混合發(fā)電方式的電站[7]，其設(shè)計(jì)理念是在風(fēng)電機(jī)組之間的海水表面填充光伏陣列，以避免2種發(fā)電方式互相干擾。在加入FPV電站后，單位海洋面積的發(fā)電量得到巨大提升。由于FPV發(fā)電系統(tǒng)可以接入已有的風(fēng)電輸電系統(tǒng)，節(jié)約了建設(shè)新的輸電系統(tǒng)的成本。圖3是海上風(fēng)電場(chǎng)與FPV電站相結(jié)合的混合發(fā)電方式的示意圖。

圖3 海上風(fēng)電場(chǎng)與FPV電站相結(jié)合的混合發(fā)電方式的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of hybrid power generation mode combined with offshore wind farm and FPV power station

3.2 FPV電站+風(fēng)電+水電

水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量共占據(jù)全球95%以上的可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量，這三者相結(jié)合形成的發(fā)電系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大的發(fā)電量[8]。對(duì)于一些擁有眾多水電站的國(guó)家，比如：中國(guó)、美國(guó)、日本等，在水電站附近建設(shè)FPV電站和風(fēng)電場(chǎng)，既可以利用已有的水力發(fā)電系統(tǒng)，又能利用光伏發(fā)電和風(fēng)電填補(bǔ)旱季水電站發(fā)電不足的劣勢(shì)，使水電站在整個(gè)發(fā)電周期內(nèi)的發(fā)電量更加平滑，形成旱澇互補(bǔ)、晝夜互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到“1+1+1＞3”的理想目標(biāo)。NREL在2020年提出一種FPV-風(fēng)電-水電混合型電站，其示意圖如圖4所示，并論證了此電站的經(jīng)濟(jì)效益及全球發(fā)展?jié)摿9]。

圖4 FPV-風(fēng)電-水電混合型電站示意圖Fig. 4 Schematic diagram of FPV-wind power-hydropower hybrid power station

3.3 FPV電站+風(fēng)電+波浪能發(fā)電

FPV電站、風(fēng)電場(chǎng)和波浪能發(fā)電相結(jié)合的混合式型電站為擁有大量海洋波浪能的國(guó)家或地區(qū)提供了混合可再生能源發(fā)電解決方案。德國(guó)電力公司Sinn Power 在2020年發(fā)明出世界上第1個(gè)漂浮式混合可再生能源發(fā)電平臺(tái)[10]，示意圖如圖5所示。

圖5 Sinn Power公司的漂浮式混合可再生能源發(fā)電平臺(tái)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of Sinn Power’s floating hybrid renewable energy power generation platform

漂浮式混合可再生能源發(fā)電平臺(tái)主要包含3個(gè)部分：平臺(tái)下端的波浪能轉(zhuǎn)換器，用于收集波浪能并將其轉(zhuǎn)換為電力；平臺(tái)上部是光伏陣列，用于收集海上豐富的太陽能資源，平臺(tái)的支架即可作為光伏陣列的支架；平臺(tái)周圍及內(nèi)部是小型風(fēng)電機(jī)組，用于收集海上無遮擋的風(fēng)力。該平臺(tái)可以將太陽能、風(fēng)能、波浪能轉(zhuǎn)換為電力，是一個(gè)完整的海上離網(wǎng)能源解決方案；采用模塊化設(shè)計(jì)，因此在連接性、可擴(kuò)展性方面具有巨大潛力，可以滿足一些小型島嶼的電力需求。

3.4 FPV電站 +抽水蓄能+電化學(xué)儲(chǔ)能

近年來，一種適用于沿海地區(qū)的將FPV電站、抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能相結(jié)合的新型混合發(fā)電技術(shù)受到廣泛關(guān)注[11]。該技術(shù)通過一種特殊裝置將FPV電站產(chǎn)出的大部分電力用于推動(dòng)裝置內(nèi)的蓋瑟空氣泵運(yùn)行，將海水泵入高位水位，從而達(dá)到蓄能目的，再利用高位釋放海水來推動(dòng)裝置內(nèi)部的渦輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)FPV電站和渦輪機(jī)發(fā)出的電力有剩余時(shí)，可將其儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池中；在用電高峰期可同時(shí)使用FPV電站、渦輪機(jī)和儲(chǔ)能電池的電力。對(duì)于一些海岸線較長(zhǎng)且國(guó)土資源稀缺的國(guó)家，比如英國(guó)、日本及東南亞一些島國(guó)，這種適用于沿海地區(qū)的混合型電站模式可以在一定程度上彌補(bǔ)國(guó)土資源稀缺。

4 結(jié)論

本文對(duì)FPV電站采用的太陽電池的工作溫度進(jìn)行了分析，并以山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心學(xué)者得出的“FPV電站中太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比地面光伏電站中太陽電池的高1.58%～2.00%”研究結(jié)論作為理論依據(jù)，從年發(fā)電量、投資成本、投資回收期和LCOE這4個(gè)方面對(duì)FPV電站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析；最后介紹了幾種可再生能源發(fā)電方式與FPV電站相結(jié)合形成的混合型電站的設(shè)計(jì)方式。得到以下結(jié)論：

1)若要年發(fā)電量相同，地面光伏電站需比FPV電站增加0.1627 MW的裝機(jī)容量，需新增300塊光伏組件、1臺(tái)組串式逆變器和約5畝地。因此，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，在發(fā)電量相同的前提下，采用FPV電站比采用地面光伏電站可減少投資成本。

2) FPV電站的25年總投資成本比地面光伏電站的增加約354.825萬元，但由于FPV電站可對(duì)電站所建水域的水體進(jìn)行保護(hù)，每年可以減少水體蒸發(fā)量的80%。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，一個(gè)10 MW的FPV電站運(yùn)行25年因節(jié)約水體創(chuàng)造的價(jià)值可達(dá)2609.7628萬元。

3)對(duì)于建設(shè)在中國(guó)中部地區(qū)某區(qū)域內(nèi)的10 MW FPV電站，將該電站每年所創(chuàng)造的水利價(jià)值抵消25年總投資成本后，可粗略計(jì)算得到其投資回收期約為8.06年，LCOE約為0.4元/kWh。由此可知，F(xiàn)PV電站具有經(jīng)濟(jì)可行性。

盡管目前FPV電站在硬件方面存在一定缺陷，但隨著其技術(shù)的發(fā)展，這類問題正逐步得到解決。從節(jié)約土地資源、保護(hù)水體資源、提高電站發(fā)電效率、可結(jié)合多種能源、經(jīng)濟(jì)效益高等角度出發(fā)，此類電站將逐漸成為熱門，受到全球各地區(qū)的青睞。