水上光伏电站现状及“一带一路”干旱区新模式

胡洪浩 侍克斌 毛海涛 刘阳

摘 要：近年来，水上光伏电站作为光伏发电新形式取得了一定的发展，尤其是在水资源丰富地区发展势头强劲，但在干旱地区还未得到大力推广。我国倡导的“一带一路”中的古丝绸之路沿线国家大多处于干旱和半干旱地区，推广和发展水上光伏電站，具有广阔的前景。本文总结了水上光伏电站的发展现状，并对其发展现状及优势进行评述，深入分析“一带一路”沿线的“中国—中亚—西亚经济走廊”大多数国家的年降雨量、年蒸发量及夏秋季节平均日照时间，探讨得出干旱区与半干旱区具有降水少、蒸发损失大、光能资源丰富的特点，水上光伏电站在干旱区与半干旱区具有较好的发展前景。结合干旱区与半干旱区特点，应用光伏发电技术与防蒸发技术，提出一种适用于干旱区与半干旱区“产能”“节水”“控盐”为一体的水上光伏电站新模式。

关键词：水上光伏电站;一带一路;干旱区;综合效益;新模式

中图分类号：TM615 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.026

Abstract：The floating photovoltaic power station which is served as a new type of photovoltaic power generation has achieved certain developments in recent years， especially in those areas with abundant water resources， however， its application in arid areas has not been widely popularized. The countries along the ancient Silk Road in the “The Belt and Road” initiated by China are mostly situated in arid and semi-arid regions. If the floating photovoltaic power stations can be popularized and developed， which would bring a broad development prospect and practical significance. This paper summarized the development status of floating photovoltaic power station at home and abroad， and made a comment about its current situation and advantages. According to an elaborate analysis of the annual precipitation， evaporation and average sunshine time in most countries along the route of “The Belt and Road” of China， central Asia and west Asian economic corridor， it proved that the arid and semi-arid areas had the characteristics of less precipitation， large evaporation loss and abundant light energy resources， which pointed out that water photovoltaic power station had great prospects for development in the arid and semi-arid areas. Combined with the characteristics of the arid and semi-arid areas， photovoltaic power generation technology and anti-evaporation technology， a new type of water photovoltaic power station consisting of capacity， water conservation and salt-controlling was proposed， which was applicable to arid and semi-arid areas.

Key words： floating photovoltaic power station on water; The Belt and Road; arid region; comprehensive benefits; new model

近年来，随着能源危机的加剧，可再生能源在世界各地迅速发展，太阳能具有清洁、无害、持续、长久的特点，使其在可再生能源中占据重要地位[1-2]。由于太阳能的使用通常是通过光伏系统来实现，光伏组件是可再生能源领域最可持续、最有效、最环保的产品之一[3-8]，因此光伏产业得到了蓬勃发展。传统地面光伏电站的推广受到用地面积的严重制约，根据已有资料估算，理论上传统光伏电站要达到1万 kW·h的发电量需要占用100 000 m2的土地[9]，而且部分光伏电站为了减少光伏组件间的阴影效应，还需要加大各电池板之间的间距，这导致传统光伏电站的占地面积更为庞大。为了解决土地资源稀缺和大规模发展光伏电站之间的矛盾，水上光伏电站应运而生。

目前，在水资源丰富的地区建设水上光伏电站已有不少成功案例，但在干旱与半干旱地区几乎还未涉及该领域，我国倡导的“一带一路”中的古丝绸之路沿线国家大多处于干旱与半干旱地区，年降雨量少，蒸发强烈，水资源匮乏，光能资源丰富，结合干旱地区气候特点，因地制宜地发展水上光伏电站具有重要的研究价值与现实意义。笔者针对“一带一路”沿线干旱地区特点，以期充分发挥水上光伏电站的优势，探索出一条适合干旱与半干旱地区的水上光伏电站发展新道路，为国家倡导的“一带一路”发展战略，共同打造政治互信、经济融合、文化包容的利益共同体、命运共同体和责任共同体贡献力量。

1 发展现状

1.1 国外发展现状

水上光伏电站在国外发展较早，日本、印度、韩国、新加坡、英国、美国、巴西、澳大利亚等国家已经成功建成水上光伏发电站[10-11]。2007年，美國SPG公司在加州的某池塘里成功建成水上太阳能阵列项目，装机容量为400 kW;2011年，英国设计师菲尔-波利提出建造漂浮式太阳能电池，将漂浮在海面上的太阳能电池连接在一起，形成一个庞大的网状结构，随着浮力在水面上起伏，同时收集产生的波能;2012年，挪威船级社的研究人员提出了动态漂浮式海上太阳能发电阵列概念，用4 200个560 W的薄膜太阳能电池板组成一个2 MW的六边形单元阵列，然后将多个单元连成一个整体，形成光伏电站，装机容量为50 MW;2013年，日本的West Holding集团在埼玉县通川市建成容量为1.18 MW的水上光伏电站，该项目总投资达35 000万日元;2014年，英国伯克郡某农场建成英国第一座水上漂浮式电站，该项目共使用800块太阳能组件，容量为200 kW;2015年，日本大阪岸和田市成功建成1座容量为1.7 MW的水上漂浮式光伏电站，该项目总投资约为5亿日元。

1.2 国内发展现状

水上光伏电站在国内起步较晚，近年来，安徽、江浙、河北等地相继开始发展水上光伏产业[12-13]，但距大规模开发与应用还有一定的距离。2015年，中国首座漂浮式光伏电站在湖北省枣阳市熊河水库建成，总投资约为1 038万元，总装机容量为1 200 kW，已于2016年年初建成投产，该项目的成功建成标志着我国水上漂浮式光伏电站已经起步;2015年，信义光能控股有限公司在安徽省芜湖市建成1座容量为50 MW水上光伏电站，该项目为试验性项目;2015年至2016年，信义光能控股有限公司在安徽省淮南市建成当时全球第一个单体容量达20 MW的水上光伏电站，于2016年3月3日并网运行;2016年，天合光能有限公司在安徽省淮北市建成1座单体容量为17 MW的水上光伏电站，该项目建于采煤沉陷区水面上，为采煤沉陷区水面的综合治理和开发利用开辟出一条新的道路;2017年，浙江省宁海县三门湾现代渔业园区建成容量为99 MW的“渔光互补”光伏电站，是目前全国最大的海水养殖“渔光互补”光伏发电项目。

1.3 国内外发展现状评述

水上光伏电站按基础形式主要分为桩基固定电站和水面漂浮电站两种[14]。桩基固定电站适用于较浅水域，其光伏组件支撑于支架上，支架固定于桩基上，基础形式与传统地面光伏电站相同;水面漂浮电站适用于较深水域，光伏组件及相关设备主要由塑料浮体产生的浮力所承受，浮体可以固定于岸边或水底。

水上光伏电站的浮体材料主要采用聚乙烯（PE），其优点是抗风浪、抗冻胀、低密度、耐腐蚀性较强、可重复利用;缺点主要是易燃、易热氧化、易光氧化、易受臭氧及紫外线分解，支架浸泡在水中易被腐蚀，尤其是所在水域的矿化度较高时腐蚀更为明显。

目前，水上光伏电站尚处于示范阶段，距大面积、大规模开发利用还有一定距离，主要存在如下问题：

（1）浮体材料采用聚乙烯，在紫外线长期辐射下会发生严重脆化，延展性显著降低[15-16]。

（2）材料安全方面的问题需要解决。光伏电站建于水上，在发电过程中可能出现线路短路，引起短路起火;大面积的光伏电站暴露在水面上，容易遭受雷击[17]，雷电产生的闪电感应可能造成水上光伏系统金属组件之间产生火花放电，进而引发火灾。上述两种情况都有可能引起聚乙烯浮体材料大面积燃烧，造成巨大的经济损失和人员伤亡。

（3）光伏组件在长期潮湿环境和极端天气下的可靠性、浮板的承载能力和使用寿命等问题还有待解决。

（4）在干旱与半干旱地区，受基础形式的限制，水上光伏系统在抑制水面蒸发方面还有所欠缺，不能同时满足节水与发电，如何平衡抑制水面蒸发与光伏发电还需要进一步研究。

（5）产生的电能利用广度不够，可以进一步利用电能进行水质改善，如含氧量、矿化度等。

2 水上光伏电站的优势分析

2.1 节约土地资源

我国人多地少，土地资源稀缺，与常规地面光伏电站相比，水上光伏电站可有效减少对草地、林地、耕地等土地的侵占，从而规避土地稀缺的限制，加强土地的综合利用。在众多水面上都可以安装水上光伏系统，如海洋、湖泊、河流、水库、池塘、蓄水池等。

2.2 发电效率提高

与传统的地面光伏电站相比，水上光伏电站在发电效率方面占据一定的优势。水面地势开阔，能有效降低阴影对光伏发电效率的影响，使得日照面积均匀且接受光照时间更长;当太阳能电池温度升高时会导致光电转化效率显著降低[18]，水上光伏系统依托水面而建，水对太阳能电池板有冷却效应，从而有效提高了光电转化效率，获得比同地区传统地面光伏电站更多的电量[19]。

光伏电站在运行期间，电池板表面会累积粉尘，这些粉尘会反射、散射和吸收太阳辐射，使得面板的有效太阳辐射降低，输出功率也随之降低[20]。同时，聚集的灰尘有部分成分具有腐蚀性，导致光伏电池板变得不平整且升温更快，进一步降低光电转化效率。建于水面之上的光伏电站集尘较少，且光伏组件清洗便利，有效减小粉尘对发电效率的不利影响。除此之外，水面反光使得水面光伏系统的总辐射量大于地面光伏系统，进一步提高了光伏电站的发电量。

在非干旱区，陆地灌木和草丛会遮挡阳光，干旱区、半干旱区沙尘较多，均会降低发电效率，增加管理难度与维护成本。

2.3 防蒸发节水

水上光伏电站的光伏组件覆盖于水面上，能够大幅度减小风速对水面的影响，同时太阳能电池板能够吸收大部分太阳辐射，有效降低水体与外界环境的热交换，达到抑制水面蒸发、节约水资源的目的，也降低了到达水体的光照强度，减少藻类光合作用，一定程度上能够抑制藻类繁殖。

对于干旱区与半干旱区的平原水库，蓄水量会因水体蒸发而减小，蒸发作用利于盐分浓缩，导致水体的矿化度提高，对水质有不利影响且使下游灌区土壤盐渍化程度加剧。光伏组件能够抑制水面蒸发，相当于增加了蓄水量，对降低水体矿化度有一定的帮助。

2.4 开发新模式

两淮地区因大量开采煤矿导致地表塌陷，形成采煤沉陷区，采煤沉陷区一般地势较低，通常处于积水状态，这对生态环境和水文地质环境造成了极大的影响。2015年相关专家提出在采煤沉陷区水面上建造光伏电站，将水上光伏发电系统与采煤沉陷区水面综合治理相结合，探索出一条新的治理采煤沉陷区道路。

在水资源相对丰富地区，可将渔业养殖技术与光伏发电技术相结合，在鱼塘上面建立水上光伏电站，在发电板下方水域进行鱼虾养殖。在深水区还可运用漂浮式发电单元作为网箱，形成“水下养鱼，水上发电”的水上光伏发电新模式，实现“一地两用”，使光伏产业与水产养殖业能够相互支撑、共同发展。

综上所述，水上光伏电站较传统地面光伏电站优势显著，但由于地理位置、气候特征的差异，因此建设水上光伏电站选址不同，能够发挥的优势以及产生的综合效益也不同。在非干旱地区，水资源充足，水上光伏电站以发电为主，但在干旱与半干旱地区，可考虑将产能、防蒸发节水以及控盐相结合，因地制宜地发展水上光伏电站，将社会经济效益最大化。

3 “一带一路”干旱区水上光伏电站发展前景分析

中国倡导的“一带一路”中“丝绸之路经济带”的“中国—中亚—西亚经济走廊”沿线国家多为亚欧大陆性气候，处于干旱、半干旱地区，水资源匮乏，经济社会发展受到较大制约。同时，水库、湖泊受气候影响，年均蒸发量大，水资源有效利用率低。此外，沿线国家太阳能资源十分丰富，具备布设太阳能光伏发电组件的优越条件。

“一带一路”沿线各国大多属于内陆干旱区，与我国西北地区情况基本一致。这些区域多数国家年均降雨量小，年均蒸发量大。统计各国水文资料得到不同国家年均降雨量，见表1。

由表1可知，“一带一路”沿线大多数国家年均降雨量低于400 mm，水资源匮乏，严重制约着当地经济社会的发展。此外，受大陆干旱区气候的影响，这些国家年均蒸发量大，见表2。

由表2可知，上述各国年均蒸发量大都大于1 500 mm。对比表1和表2可知，“一带一路”沿线各国年均蒸发量明显高于年均降雨量。以以色列为例，年均降雨量为400～800 mm，年均蒸发量为2 500 mm，蒸发量与降雨量的差值为1 700～2 100 mm。由此可见，“一带一路”沿线各国水资源匮乏，并且在干旱区蒸发作用强烈，导致水体盐分浓缩提高，水体的矿化度增加，水质下降。

各国为了满足用水需求，兴建了大量的平原水库等水利工程，但这些水利工程的特点是面积大、水深小、坝线长、地基处理标准低。以中国新疆为例，在已建的466座水库中，绝大多数为平原水库，大多数座落在粉砂土、砂壤土、壤土或黏土等深厚地基上，并用这些土料筑坝。这些水库的总库容约为59.3亿m3，水库水面面积约为2 000 km2，平均水深为2.97 m，根据已有研究成果估算，水库的年蒸发量为26.1亿m3，水库蒸发量约占水库总库容的44%。

“一带一路”沿线各国年降雨量小、蒸发量大，但太阳能资源丰富，各国夏秋季节平均日照时间见表3。

由表3可知，哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦夏季和秋季平均日照时间最长，为15 h;沙特阿拉伯、也门、阿曼、阿联酋、卡塔尔、科威特、巴林、埃及的日照时间最短，为13 h;各国夏季和秋季平均日照时间为13.73 h，日照百分率为57.2%。由此可见，“一带一路”沿线各国的夏季和秋季日照时间长，太阳能资源丰富，若能加以利用，能带来可观的经济效益。干旱、半干旱地区的太阳能资源十分丰富，仍以新疆为例，年日照时数为2 550～3 500 h，日照百分率为60%～80%，年辐射总量达5 430～6 670 MJ/m2，比我国同纬度地区高10%～15%。

综合干旱区降水少、蒸发损失大、光能资源丰富的特点，在干旱区、半干旱区发展集节水与发电为一体的水上光伏电站具有较大发展前景。

4 “一带一路”沿线干旱区水上光伏电站新模式研究及效益分析

4.1 水上光伏电站新模式研究

针对“一带一路”沿线干旱区水资源匮乏、蒸发损失量大、太阳能资源丰富等特点，可将防蒸发节水技术与光伏发电技术相结合，实现“产能”“节水”“控盐”为一体，开发适用于干旱与半干旱区的水上光伏发电新模式。

从一些干旱地区平原水库防蒸发节水文献和试验成果可知[21-23]，抑制水面蒸发的覆盖材料多以轻质固体漂浮物为主，如苯板、PVC浮板、PVC浮球、PE浮球等，并用浮箱、浮球或浮筒拦飘带将其围护起来，如图1和图2所示。图1为PE浮球防蒸发结构在水库现场的布置图，该结构在新疆吐鲁番地区每年每平方米可节水2.0～2.2 m3;图2为PVC泡沫浮板（群板）在新疆阜康“500”水库试验情景，单板和群板每年每平方米分别可节水1.2、1.8 m3。若能在建成的水上光伏电站基础上，将空余暴露在空气中的水面铺上轻质固体漂浮物就可以做到“产能”“节水”“控盐”一体化。

不同基础形式的水上光伏电站，防蒸发材料可采用不同的布置方式。对于桩基固定电站，当钢桩和预制桩固定以后，用较为经济的渔网在樁之间设置拦飘带，在每两排桩的桩间用渔网包围，将整个水上光伏电站划分为若干个矩形围栏单元，在围栏单元中铺设防蒸发材料，为了便于维修人员进行光伏组件的维护与检修，需要预留部分空间;对于水面漂浮式电站，当浮箱固定后，各浮箱会构成围栏单元，同时浮箱也可供人行走，无需为光伏组件维护与检修预设通道，可直接在各浮箱构成的围栏内铺设防蒸发材料。

按干旱地区新模式建成的水上光伏电站，在防止水分蒸发的同时利用太阳能发电，能节约大量水资源并产生清洁电能，绿色环保无污染，符合绿色可持续发展理念，从根本上解决干旱地区平原水库蒸发量大的问题，同时还能改善水质，降低水体矿化度，并在一定程度上抑制浸泡于水中的系统组件的腐蚀，增加其使用寿命。

4.2 水上光伏电站新模式效益分析

新疆地处欧亚中部，与俄罗斯、哈萨克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦等国家接壤，在“一带一路”中的“丝绸之路经济带”上的区位优势十分明显，逐渐成为中国与“丝绸之路经济带”沿线国家联系的重要枢纽。以新疆某水库为效益分析实例，探究水上光伏电站新模式在“一带一路”沿线干旱地区的综合效益。

新疆某典型的干旱地区平原水库是一座防洪、灌溉、养殖综合利用的水库，正常蓄水位水库水面面积为2.25 km2。该水库各月份的水面面积、区域实测的平均太阳辐射量、最佳安装倾角和温度修正系数见表4。拟采用干旱地区水上光伏发电新模式，其中光伏系统采用漂浮式基础，电池组件采用多晶硅，其转化效率取9%，封装因子Fp与积尘因子Fs分别为0.82、0.97，光伏组件覆盖率为70%，削减水面蒸发的覆盖材料采用苯板，试计算干旱地区水上光伏电站新模式年发电量与节水量，并进行综合效益分析。

4.2.1 年发电量计算

电池列阵采用多晶硅，每月的发电量WA可用如下公式进行计算：

式中：Is为月太阳能辐射总量;ηm为组件效率;Ft为效率的温度修正系数;Fp为整列的封装因子;Fs为阵列表面的积尘因子;A为组件表面积;β为电池安装倾角。

按式（1）进行发电量计算，结果见表5。年发电总量为32.72万kW·h。目前，每发1万kW·h電耗煤量约为3.9 t，燃烧1 t煤产生CO2、SO2、NOx分别约为2.6、0.008 5、0.007 4 t[24-25]。若采用干旱地区水上光伏发电新模式，每年将节约127.608 t煤，减少CO2 约85.072 t、SO2约1.084 t、NOx约0.944 t，具有较好的环境效益。

4.2.2 年节水量计算

可根据20 cm蒸发皿进行实测，然后根据折算系数得出大水体的水面蒸发量，其中折算系数为0.61。

水库库面蒸发量可由下式进行计算：

式中：WRZ为水库日蒸发量，万m3;Es为大水体水面蒸发量，mm;As为日平均水库水面面积，km2。

大水体水面蒸发量可由下式进行计算：

式中：Ky为各月20 cm蒸发皿与E601型蒸发皿折算系数;E20为20 cm蒸发皿观测值，mm。

根据实测资料，由式（2）、式（3）计算出水库蒸发量，变化曲线如图3和图4所示。

由图3和图4可知，水库水面月蒸发量变化规律大致类似于开口向下的抛物线，其中7月为对称轴，4—7月和7—10月分别呈上升和下降趋势，每年11月至来年3月水库处于冰冻期，可忽略其蒸发量。库面年总蒸发量为74.30万m3，采用干旱区水上光伏电站新模式，并按水库70%的覆盖率进行覆盖，每年节水量为52.01万m3。

4.2.3 控盐效益分析

干旱地区强烈的蒸发作用导致盐分浓缩，水体的含盐量增加，若采用“一带一路”沿线干旱地区水上光伏电站新模式，能减少大量水体蒸发，有效抑制盐分浓缩作用，水体矿化度也随之降低，同时也能够减少水体中悬浮物，避免滴灌时水体中悬浮物含量过大堵塞滴头，为滴灌的顺利进行提供一定的保障。水体的含盐量可用水体的导电率表征，利用FD-LCM-A液体电导率测量实验仪测量水体电导率，可精确测算出水体含盐量变化情况。

由此可见，采用集“产能”“节水”“控盐”为一体的干旱地区水上光伏发电新模式，能够产生可观的清洁能源，具有良好的环境效益和经济效益，能够削减水面无效蒸发，达到干旱地区高效用水、节水的目的，同时降低水体矿化度，避免造成下游灌溉区农田盐碱化。

5 结 语

水上光伏发电是光伏产业发展的趋势，结合水上光伏电站的优势，在非干旱地区，水上光伏电站以发电为主，也可考虑将光伏发电与渔业养殖相结合，形成“一地两用，渔光互补”的水上光伏发电新模式，实现水产养殖与光伏发电的领域共享。

在干旱与半干旱地区，充分考虑干旱地区的特点，水上光伏电站可将光伏发电技术与防蒸发节水技术相结合，形成集“产能”“节水”“控盐”为一体的干旱地区水上光伏发电新模式，这不仅可以解除土地因素的束缚，拓宽光伏发电的应用，同时还能提高发电量、抑制水面蒸发和保护水资源。

若能将此新模式在“一带一路”沿线国家乃至整个干旱地区进行推广，将会产生巨大的社会、经济及环境效益，缓解水资源匮乏问题，为工农业发展提供清洁电能，实现综合效益最大化。

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