水上光伏电站新模式下不同材料节水效益研究

胡洪浩 侍克斌 毛海涛 石祥 肖建

摘 要：为了有效结合光伏发电技术与防蒸发节水技术，选出一种综合效益更高的防蒸发材料，以节水效益为切入点，以干旱区水上光伏电站新模式最小单元体为研究对象，利用苯板、PVC浮板以及PE浮球作为防蒸发材料，对新模式节水效益进行研究，并进行投资回收期分析。结果表明：按照干旱区水上光伏电站新模式结构形式布置，在水面覆盖1 m2苯板、PVC浮板以及PE浮球年节水效率分别为95.92%、96.59%、83.18%;苯板的投资回收期最短，为1.59 a/9.57 a（节水用于工业/农业），综合考虑节水效率及经济性，最终选用苯板作为干旱区水上光伏電站新模式防蒸发材料。

关键词：防蒸发材料; 水上光伏电站; 蒸发抑制率; 节水效益;干旱区

中图分类号：TU991.64文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.014 引用格式：胡洪浩，侍克斌，毛海涛，等.水上光伏电站新模式下不同材料节水效益研究[J].人民黄河，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

为了应对日益严重的能源危机，寻找新的可替代能源迫在眉睫[1]。目前，太阳能、水能、风能等可再生能源的开发利用成为化石能源的有效补充，缓解了化石燃料燃烧带来的环境问题。其中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，开发潜力巨大[2-3]，因此光伏产业得到迅猛发展。随着光伏领域的拓展，水光互补、渔光互补等生态发电新模式逐渐成为研究重点，光伏发电板的布设地点由陆地逐渐向水域转移，形成水上光伏发电系统[3-7]。水上光伏发电是光伏产业发展的趋势，但在干旱区与半干旱区刚刚起步。鉴于干旱区与半干旱区降水少、蒸发损失大、光能资源丰富的特点，可将光伏发电技术与防蒸发节水技术相结合，形成具有地域特色的水上光伏发电新模式，实现发电、节水、控盐3种效益并举，有广阔的发展前景。

目前，防蒸发节水技术主要有化学试剂覆盖法、水生植物覆盖法以及物理覆盖法等。其中，物理覆盖法备受关注，前人对此作了大量研究，例如：2002年侍克斌[8]提出内陆干旱区平原水库防蒸发节水方法;2004年严新军等[9]提出采用苯板覆盖抑制水面蒸发，并对其在风浪中受力情况进行了研究;2013年Alam等[10]分别用单、双层棕榈叶进行防蒸发试验研究，结果表明单、双层棕榈叶对水面的蒸发抑制率分别为47%、58%;2015年李存立等[11]利用不同厚度的PVC浮板在水库现场进行了防蒸发试验，结果表明蒸发抑制率随浮板厚度增加而增大;2016年唐凯等[12]采用苯板覆盖20 m2蒸发池进行抑制水面蒸发试验，结果表明苯板覆盖水面的平均抑制率为51.25%;2017—2018年韩克武等[13-14]采用PE浮球对水库静水水面进行防蒸发研究，得出浮球覆盖率为91%时的蒸发抑制率为89.60%，浮球覆盖面积为 1、2、3、4 m2时的节水效率分别为 62.93%、65.16%、67.77%、70.00%。鉴于材料的综合性能，目前用于干旱区平原水库的防蒸发节水材料主要有苯板、PVC浮板以及PE浮球等，这3种材料各有优劣，所产生的节水效益也有所差异，上述学者在研究其防蒸发节水效益时尚未考虑与光伏发电技术相结合，当两者结合时，光伏发电系统对不同防蒸发材料的节水效益如何还有待进一步研究。因此，笔者以节水效益为切入点，利用苯板、PVC浮板以及PE浮球作为防蒸发材料开展研究，以期探明不同材料对干旱区水上光伏发电新模式节水效益的影响规律，从而选出一种综合效益更高的防蒸发材料，为在干旱区因地制宜发展水上光伏发电提供参考。

1 干旱区水上光伏电站新模式结构形式

水上光伏电站按基础形式可分为桩基固定式与水面漂浮式，如图1、图2所示。

图2 水面漂浮式本试验采用水面漂浮式光伏系统，当浮箱固定后，直接在各浮箱构成的围栏单元内铺设防蒸发材料，实现产生电能与抑制水面蒸发并举，同时有效抑制盐分浓缩，降低水体矿化度。该结构形式充分结合干旱区与半干旱区特点，利用光伏发电技术与防蒸发节水技术，形成一种集发电、节水、控盐为一体的水上光伏发电新模式。

2 研究区概况及材料性能

2.1 研究区概况

研究区位于天山东部山间盆地吐鲁番市胜金乡境内，属典型的大陆性干旱荒漠气候区，以干旱少雨、气温高、多大风为主要特点。1—2月为冰冻期，3—12月为非冰冻期，多年平均降水量16.2 mm，多年平均水面蒸发量为2 845 mm。多年平均气温14.1 ℃，7月平均气温最高（32.6 ℃），极端最高气温为49.6 ℃，35 ℃以上的高温天气可持续160多 d。多年平均风速为2.2 m/s，最大风速25.0 m/s。

2.2 材料性能

水库防蒸发材料应满足合适的密度、足够的强度、憎水、无毒、 耐久性好等要求。本试验选用苯板、PVC浮板以及PE浮球作为抑制蒸发材料，同时PE浮箱也可作为一种防蒸发材料。各防蒸发材料物理参数见表1。

唐凯[15]通过试验研究了苯板覆盖于水中对水质的影响，定量测定了水体的pH值、悬浮物、总盐、氯化物、硫化物等指标，结果表明：覆盖苯板对水质的影响不大，对降低悬浮物和总盐量有较为明显的作用，苯板覆盖率为100%相比无苯板覆盖，悬浮物和总盐量分别降低了67.1 %和17.3%。PE材料、PVC材料以及苯板有较好的耐久性，不会对周围水体造成污染，三者作为抑制蒸发材料各有优劣。苯板较轻，价格便宜，但抗弯折能力较弱，在风浪作用下很容易折断;PVC浮板较重，价格较高，但抗剪强度较大，在风浪作用下不易被破坏。苯板和PVC浮板都是块状材料，在风浪作用下易发生块体相互重叠，在发生强风时甚至会被刮至水库岸坡，出现聚集、搁浅的现象。PE浮球因撞击、摩擦而造成材料的自身磨损相对较轻，并且会因球形结构和自身重力作用而不被刮离库外，但价格相对较高。

2.3 现场布置

现场布置选在水库四周开阔、受光良好的水域进行（见图3）。取干旱区水上光伏电站新模式的一个最小单元体作为研究对象，该单元体由浮箱平台、光伏发电系统以及防蒸发材料（分别为苯板、PVC浮板、PE浮球）3部分组成。先将12个PE浮箱相互连接作为浮体基础，再将光伏电板与支架连接后固定于浮箱平台上，然后在浮箱中间的水面铺设防蒸发材料，形成了一个4 m2的单元体，用绳索将其固定于岸边。

3 数据整理及分析

3.1 风速采集及分析

利用NK5500手持气象仪，采集研究区一个完整非冰冻期的气象数据，对不同风速出现的天数进行统计，并计算其出现的频率，见表2。可知：2、3级风出现的频率较高，风速为1.6～5.4 m/s，占整个非冰冻期的84.30%，1级与5～11级风出现的频率较低，风速在10.8 m/s以上的天数很少。

3.2 润湿率计算及分析

观测记录不同风速下研究单元体各防蒸发材料的润湿面积S（不含静水中水面以下的防蒸发材料的表面积），求和得出防蒸发材料在风浪作用下润湿的总面积S1。润湿率α是指在一定风速下各防蒸发材料润湿的总面积S1占各材料水面以上总面积S0的百分比：

α=S1S0（1）

不同风速下浮箱围栏以及不同防蒸发材料润湿率见表3。

由表3可知：浮箱围栏、苯板、PVC浮板以及PE浮球的润湿率均随风速增大而增大。当风速为0～3.3 m/s时，形成波浪的能量较小，圍栏内各种防蒸发材料覆盖下的水面可视为静水状态，各防蒸发材料的润湿率为0。随着风速逐渐增大，形成波浪的能量也增大，波浪拍击在浮箱上溅湿的高度增加，使浮箱外侧的润湿面积增大，当风速超过10.8 m/s 时，浮箱围栏润湿率达到最大（20%）。苯板、PVC浮板以及PE浮球的润湿率随风速增大的总体变化趋势相近，当风速小于8 m/s时润湿率随风速增大的变化速率较慢，当风速大于8 m/s时各种防蒸发材料的润湿率曲线越来越陡，尤其是当风速大于10 m/s时，各种材料的润湿率增大速度极快。原因是风速较小时，浮箱与光伏系统的重力势能较大，浮箱吃水深度较深，整体稳定性较好，浮箱围栏对波浪的消减作用较大，围栏内的浮板或浮球受波浪的影响较小，因而润湿率变化速度较慢;风速超过8 m/s时，浮箱与光伏系统的重力势能对波浪的消减作用减小，围栏内的防蒸发材料受波浪的影响较大，当风速继续增大时润湿率变化速度加快。当风速超过10.8 m/s时，苯板、PVC浮板以及PE浮球润湿率达到最大，分别为17%、14%、15%，相差不大。PVC浮板润湿率最小的原因是其质量较大，在随波浪起伏时相对较为稳定;苯板较轻，在风浪作用下稳定性相对较差，因此其润湿率最大。

6 结 语

按照干旱区水上光伏电站新模式结构形式布置，在水面覆盖1 m2苯板、PVC浮板以及PE浮球年节水效率分别为95.92%、96.59%、83.18%， 苯板投资回收期最短，综合考虑节水效率及经济性，最终选用苯板作为干旱区水上光伏电站新模式的防蒸发材料。本文仅从节水效益的角度进行探讨，研究的对象为干旱区水上光伏电站新模式的最小单元体，后续将扩大研究对象单元，并且综合考虑其发电、节水以及控盐效益。

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