光资源监测技术在水利行业中的应用探讨

周 容

作为一种可再生的清洁能源，光伏发电一直受到世界各国普遍关注，光伏发电技术对于缓解全球气候变化有着重要的意义。作为传统的可再生能源，水电的装机量截至2018年仍远远超过光伏发电装机总量。虽然水利发电比光伏发电更稳定、技术更成熟，但光伏电站近年来在国家政策的支持下，发电技术得到很大的发展。随着近几年光伏行业的飞速发展，光伏已经与水电、风电形成三足鼎立的态势，成为我国可再生能源的三大支柱之一。如何将光伏技术引入水利发电，充分利用水电站丰富的光资源，是近年光伏行业一直在探讨的热门话题。

一、光资源开发潜力

我国光资源西多东少，全年日照小时数高于2000h 的区域大部分集中在西部地区，而这些地区大部分水资源较少。水资源丰富的西南、东南地区大部分日照时数普遍较低，其中以都江堰年日照时数为全国最低，年日照小时数仅808h。而光照强度相对较好的西藏东南部地区虽然水资源丰富，但由于高原地区施工难度大和年日照时长仅有1300h，使得这一区域的光资源开发潜力大打折扣。由此可见，在水资源丰富地区单独开发光伏电站无法取得良好的收益。如果想充分利用水电丰富地区的太阳能资源，就要考虑水光互补，充分利用水电站区域的光资源监测技术。

二、光资源监测技术

光资源监测需满足能源、水利、气象、环保、大数据等多行业的要求，涵盖太阳能资源评估、实时监测、资源等级与测量、降水量监测、地面气象监测、大数据运用、光伏电站建设等方面的国家标准、行业技术要求及政策10 余项，如《太阳能资源评估方法（QX/T 89-2008）》《光伏发电站太阳能资源实时监测技术要求（GB/T 30153-2013）》《降水量监测规范（SL 21-2015）》《地面气象监测规范》《国务院办公厅关于运用大数据加强对市场主体服务和监管的若干意见》（国办发〔2015〕51 号）。我国光伏电站主要监测要素见表1。

监测站位置应选择在太阳能资源相对较好、地形相对平缓、无重大工程地质问题的区域，其选址要求如下：

（1）由于不同光伏电站的阵列分布不同，需要在各个电站的阵列中各建设一套太阳能资源监测站，固定站和跟踪站均应分布在电站的主要阵列中心位置，或在阵列内平均海拔高度附近，以保证监测数据能代表整个电站场区的辐射量。

（2）为保证系统正常稳定的运行，固定站的运行需要依靠220V AC 的电源为蓄电池补电，因长距离敷设线缆存在压降，因此，站点需要定位在箱变附近。敷设线缆时，尽量避免测站电源线与光缆线交叉，同时施工中应该避免线缆穿过路基，以减少对路面的影响，保证设备电源线安全可靠。

（3）太阳能辐射传感器具体安装位置应保证在东偏北37.5°内至西偏北37.5°内基本无遮挡或较少遮挡，原则上遮挡建筑与观测点的水平距离应满足大于10 倍的遮挡建筑与观测点位的绝对高度差。

光资源监测系统主要利用现代通信、自动控制、遥测、计算机等技术，实时采集、传输、接收和存储太阳辐射及气象信息，为光伏“领跑者”项目的光板光电转换效率评估、光伏电站综合效益评估和电站运行维护评价提供强有力的数据支撑，其作用和地位十分重要。

光资源监测系统主要由太阳能资源监测站和数据监测平台两部分组成，其系统架构如图1所示。系统工作体制采用自报式，自动采集、传输、存储1min、5min、10min、60min、1d太阳能辐射与相关气象信息。根据光资源信息采集特点，结合通讯传输技术发展现状，光资源测量系统采用GPRS 通信方式，将监测数据实时发送至数据监测中心。

光资源监测站的建设可以基于水电站现有水文站扩建，或在需要收集水文资料的区域新建，在收集光资源监测所需数据同时，满足对当地水文资料的收集，并可拓展到太阳能和水能综合利用的大数据分析上。

三、光资源监测技术在水利行业应用

随着分布式光伏发电技术的发展，屋顶光伏和户用光伏成为了近几年光伏电站主要建设形式。2018年，分布式光伏占全国新增光伏装机的47%，已经和集中式光伏电站装机基本持平。“光伏+”模式已经在各行各业得到尝试，“光伏+水利”的发展模式也将成为今后的一个主要趋势。

表1 我国光伏电站主要监测要素表

1.在水利水电工程中的应用

太阳能发电是一种清洁能源，可有效减少碳粉尘、二氧化碳、二氧化硫等温室气体排放，将光伏发电技术应用于大坝工程中，使光伏电站与水利枢纽相结合，接入水电站电力系统，与水电系统并网运行，可有效节约标准煤，实现国家节能减排目标，对生态环境具有重要作用，同时对水利枢纽创新发展也是有益探索。

水电站的站区供电可逐步由光伏发电代替，日常的路灯照明、办公楼用电均可由分布式光伏供应。由于输电送出线路、升压站等基础设施可以利用水电站已有资源，大大节省了分布式光伏电站的建设成本。目前在两淮流域的光伏基地建设已经初具规模，并开始逐步探索与水利的结合，实现水光互补。例如，水文气象站作为收集流域气象资料的来源，其建设技术和气象数据收集手段已十分成熟。由于需要在气候恶劣的环境下稳定运行，气象站本身要具有全天候工作的能力。根据水文气象站设计建造的光资源监测站于2016年大量应用于光伏领跑基地中，完全满足了光伏场站极端天气条件下工作的需求。

2.在农村水土保持中的应用

在农村饮水工程中引入太阳能提灌技术，实现无耗能、无人化运行，可降低90%运行成本，利用太阳能清洁能源，降低了电力、柴油等能源消耗。如采用新型太阳能专用水泵，可有效提高效能转化。

图1 光资源监测系统总体结构图

3.促进水利信息化的发展

光资源监测技术是在流域气象监测站的基础上改良而来，引入了世界最先进的太阳辐射传感器、太阳追踪器等设备，也整合了国内一流的测温、测风设备。监测站不仅做到了无人值守的自动运行，更能在停电情况下靠电池供电持续工作15d 左右。监测站能适应-50 ℃左右的极端环境，也能在长期暴晒情况下保持正常工作。依托光资源监测技术建设的基地信息平台，是光伏领域“互联网+”“大数据”等多项尖端技术首次大规模集成性应用，可极大提升水利行业信息化的发展。

四、结语

新能源发展备受社会关注和重视，光资源作为一种清洁能源，正逐渐取代传统化石能源的地位，日益受到重视，不仅为农林牧业生产、生态环境改善、荒漠治理和精准扶贫等提供了综合性解决方案，对促进我国光伏行业的健康发展也具有重要意义。建议从国家宏观战略层面，加大对光资源技术推广的政策扶持，在实施层面，加强新能源技术与水利行业的技术支撑，从而保证我国节能减排目标达成，提高水资源的高效利用，有效促进水利水电工程建设、农村水土保持及水利信息化的发展，获得良好的综合效益■