水面光伏发电系统研究综述

2020-01-05王军辉畅蓬博

科学技术创新 2020年23期

王军辉李民畅蓬博刘宁

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

水力发电是一种传统的发电形式，具有清洁、调节控制方便快速、生产成本低、效率高等特点，在我国电力生产当中占有较大比重。

然而，单纯水力发电一方面没有充分利用到水库的空间优势，另外也缺乏对水体环境的充分利用。光伏发电具有清洁、可靠、便于安装运输等优点。尽管光伏发电存在波动性强且依赖于地域环境的缺点，但是，将光伏发电以水面光伏形式与水力发电相结合仍不失为一种清洁高效的电力生产方式[1]。

本文从水面光伏发电系统的基本形式、建设要点、经济效益分析等多个方面对水面光伏发电系统进行了详细阐述。

1 水面光伏发电系统的基本形式

水面光伏发电系统按基础形式可分为以下两种：桩柱式基础系统和漂浮式系统[2]。

桩柱式基础系统与传统光伏发电系统相同，组件支撑于支架上，支架固定于桩上。主要区别是桩布置于水中，增加造价及施工难度，但有利于组件清洗，并可节约土地。

漂浮式系统一般应用在水域深度较大的区域（一般大于3m的水面），利用浮体的浮力承受电池板及相关设备的重量，并将浮体固定于岸边及水底。按型式分为两种：浮体+支架+电池板和浮体+电池板。

2 水面光伏发电系统的建设要点

水面光伏发电系统的建设过程中需要考虑多种因素，其中资源、发电量、设备选型和基础形式是最为重要的四个要素。

2.1 资源

我国太阳能资源分布带有鲜明的地域特点；太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬25°～35°一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部[3]。

我国水面资源分布以南多北少为典型特征，其中湖泊总面积为9.1 万平方公里，养殖水面1.2 亿亩，8.6 万座水库的水面总面积3843 万亩，这些水面都具备一定的光照资源，具备一定的水面光伏开发潜力[4]。

2.2 发电量

水面光伏的发电量是影响水面光伏发电系统规划和建设的重要因素之一。与传统的地面光伏发电系统相同的是，水面光伏发电量仍然受倾斜面上的辐射量（地区辐射量、组件倾斜角度）、系统系统效率、组件衰减等因素影响，同时，区别于传统地面光伏发电系统的是，水面光伏发电量还受温度和水面发射率等因素的影响。

由于水域比热比陆地大得多，因此当水陆接受到相同的太阳热量时，水体的气温变化必将小于陆地，而且太阳辐射可透入较深的水层，水体的乱流混合作用较强，使得水体吸收到的太阳辐射相对均匀地分布于上下各层次。这就大大缓和了气温的日变化和年变化，使得冬季水体暖于陆地，而夏季凉于陆地。因此，夏季水体对光伏组件的冷却效应，可以抑制组件表面温度上升，从而获得更高的发电量。冬季辐射量处于低值，水温略高于陆地，水温对光伏发电的影响并不明显。

水面光伏发电系统中，水面的反射率也影响到水面光伏发电系统的发电量。光伏组件倾斜面上的辐射量由太阳直接辐照量、散射辐照量和反射辐照量三部分组成。其中，反射辐照量与反射率成正比，反射率越大，反射辐照量越大。

根据国内外的水上、陆地光伏发电系统对比实验结果，与在屋顶及陆地上以相同角度设置的电池板相比，水上光伏发电量可以增加5～15%。日本兵库县于2014 年4 月～2015 年3 月期间在小野市净谷町的净谷新池水面上，就输出功率为40kW 的浮体式光伏发电设备实施了验证实验。5 月下旬公布了实验结果：与在屋顶上以相同角度设置的电池板相比，发电量增加了14%。

不同基础形式的水面光伏发电系统中，打桩式和浮体+支架+电池板均可调节最佳倾角获得最大的发电量。而对于浮体+电池板类型的水面光伏发电系统，倾角为10～20°，并不满足最佳倾角。由于水上光伏主要集中在中东部、南部地区，最佳倾斜角度偏低，角度对于水面系统发电量的影响不大，更多的影响因素是水体的水冷效果。

2.3 设备选型

水面光伏发电系统包括光伏组件、逆变汇流箱、浮体等主要部分。

2.3.1 光伏组件

传统晶体硅太阳能组件的背板有一定的透水率，透过背板的水汽使劣质的EVA 树脂很快分解析出醋酸，而导致组件内部发生电化学腐蚀，增加了出现PID 衰减和蜗牛纹发生的概率。因此通常采用散热快、温差小的双玻组件。双玻组件没有金属边框，耐腐蚀，同时还可以抗PID 衰减。

2.3.2 逆变汇流箱

地面系统光伏逆变器室内防护等级比较低的一般采用IP20，而对室外采用IP54 防护等级。水上光伏发电系统逆变器则宜采用IP65 防护等级。对于水域情况复杂，建议采用更高IP67 防护等级。汇流箱常规系统常采用IP65，水上光伏发电系统建议使用IP67 防护等级。值得注意的是，水面光伏发电系统汇流箱、逆变器、钢支架等设备防腐蚀能力要求高，应采用水上专用逆变器，加强维护。

2.3.3 浮体

水面光伏发电系统中，浮体的选择要求具备耐腐蚀、抗紫外线、抗冻胀、抗风浪、寿命长、可重复利用等特点，但实际中，大多数浮体都有易燃、光氧化、热氧化、臭氧及紫外线分解，支架易腐蚀的特点。为解决这一问题，水面光伏发电系统的浮体通常选择对高密度聚乙烯浮体进行处理防止降解，防火，并加强支架防腐。传统浮体用于码头、浮桥等，经过加工也可用于光伏电站，分为单体浮体，连体浮体及线管型浮体。目前已有多家厂家生产只用于光伏项目的光伏专用浮体，其便于安装。

2.4 基础形式

水面光伏的基础分为桩柱式和漂浮式两种类型。桩柱式水面光伏发电系统的组件支撑于支架上，支架固定于桩上，桩布置于水中。适用于水深较浅（一般小于3m）的池塘。具有施工简便、适用性广泛、造价合适、施工速度快，水域可兼做鱼塘，提高经济效益的优点。其缺点是船运维护，水深太大造价高。同时其预制管桩、端头制作光伏支架系统。桩径需根据工程条件确定。桩柱式水面光伏发电系统的汇流箱安装于光伏支架背面。组串式逆变器安装于光伏支架上，集中式逆变器根据距离安装于岸边或者水上平台上。箱变则根据距离安装于岸边或者水上平台上。水域深度较大的区域（一般大于3m 的湖泊），利用塑料浮体的浮力承受电池板及相关设备的重量，并将浮体固定于岸边或者水底。按型式分为两种：浮体+支架+电池板和浮体+电池板。浮体+支架+电池板的水面光伏发电系统通过设计合理的浮体，将电池板安装于支架上，支架固定于浮体上，浮体漂浮于水面上，并对浮体进行固定。主要包括浮体、支架、浮动平台的定泊系统等。具有可以按最佳倾角进行布置，可以提高发电量等优点。其缺点是用钢量及浮体用量大。浮体+电池板的水面光伏发电系统通过设计合理的浮体，将电池板用螺栓直接安装于浮体上，浮体漂浮于水面上，并对浮体进行固定，主要包括浮体、浮动平台的定泊系统等。其优点是有用钢量少，减轻浮体上重量，安装、维护方便。缺点是电池板倾角受浮体限制（一般不超过20°），无法达到最佳倾角，影响发电量。浮体允许随水位变化，但应防止其碰到岸边，故需根据浮体离岸距离、水深等确定固定浮体的方式：用绳索将浮体固定于岸边，适用于距离岸边较近的浮体；浮体固定在桩上，并用绳索固定浮体，适用于距离岸边较远的浮体，且水深不大水域；浮体固定于锚块上，适用于水深较大，且距离岸边较远的水域。

3 经济效益分析

3.1 成本分析

光伏发电系统的建设成本主要包括电力电缆、电缆沟、组件基础、支架、汇流箱和土地费用。各类水面光伏发电系统与传统的地面光伏发电系统的成本相比，电气设备与安装费总体变化不大，设备增加抗PID 能力；土建部分，水上打桩电站的场区基础增加量较大，漂浮式电站无基础工程量，主要增加浮体、锚固件等设备；水上打桩电站施工组织与措施的工序复杂、工期长；由于基础方案相对复杂，水上打桩电站的总体造价比传统地面电站要高，漂浮式电站工程量与常规电站相比有增有减，总体造价相差不大，甚至更节约成本。

3.2 效益分析

地面光伏发电量主要取决于斜面上的辐射量，由于水面光伏发电系统倾角均为12°，与当地最佳倾角相比，在高纬度地区（I 类电价区居多）斜面上的辐射量损失较低纬度地区要大，所以整体发电量的提高随着纬度提高而明显。即我国中东部、南部漂浮式一体化光伏电站的发电量提高较明显。相对于地面电站，水上打桩光伏电站随着基础量增加而增加的成本抵消了发电量的提高带来的收益，故体现在收益率的提高并不明显。与地面光伏发电量对比，漂浮式水面光伏发电量有不同程度的提高，估计5%～15%。漂浮式光伏发电系统整体收益比地面光伏电站提高明显，其融资前税前内部收益率最高可提高近2%，资本金内部收益率最高可提高8%。相当于同等资源地区提高了上网电价。随着规模的铺开，施工经验的累积，漂浮式水上光伏电站经济性更好。