水面光伏发电系统的性能与季节变化关系研究

陈 瑶，石俊奎

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610）

近年来，国内光伏发电产业迅速发展，由于光伏发电项目需要大面积（数百亩以上）成规模、集中连片的土地，并且选址须满足光伏土地利用政策，致使大型地面光伏发电项目选址受影响。我国西北部光资源好，但弃光率较高，与西北部相比，我国中部及西南地区可大规模用于开发地面光伏电站的土地面积稀缺，土地资源的短缺直接制约着太阳能发电技术的发展。相较于地面光伏电站，水面光伏电站最大的优势在于充分利用水域（海洋、湖泊、河流、水库等）创造经济效益，节约用地[1]。水面漂浮式光伏发电站技术是一种全新的光伏发电技术，克服了传统地面光伏电站存在的土地制约因素。

1 水面漂浮式光伏电站结构形式

常见的水面漂浮式光伏电站结构形式有框架平台式、浮体平台式、浮体-支架一体式等不同样式。

1.1 框架平台式

框架平台式浮体-支架结构是在漂浮发电系统领域最早出现的结构（如图1所示）。其概念是首先建造玻璃钢或金属框架平台，在平台下方固定浮体从而形成整体式的漂浮平台，将光伏组件支架固定在平台上，再将各平台相互连接形成整体化的光伏发电系统。相比于其他的浮体-支架结构形式，其最大特点在于浮体只提供浮力，而无需具备其他功能。由于支架和浮体都采用传统方法制作，浮体、支架和固定形式都可以单独根据建设的气候水文特点加以修改，因而其具备设计相对简单、成本较低、适应性较广等优点。国际上的框架平台式漂浮发电系统主要有美国SPG Solar建造的最早的漂浮式光伏发电系统Far Niente酒庄项目（175kW，2008），韩国K-water建造的Hapcheon大坝项目（500kW，2014）[2-3]，韩国海洋科学与技术研究所庆尚南道Buksin湾海上试验性项目[4]等。

图1 框架平台式结构简图

1.2 浮体平台式

浮体平台式浮体-支架结构是在漂浮发电系统领域中的另一种常见结构（如图2所示）。类似框架平台结构，其组成部分中也包括了金属框架和浮体，但其不同点在于，浮体不仅提供整体平台的浮力，同时也起到连接不同金属支架和担当检修通道的作用。在浮体平台式漂浮发电系统中，支架和浮筒也是采用传统方法制作的，因而同样具备设计相对简单、成本较低等优点。

图2 浮体平台式结构项目照片

1.3 浮体-支架一体式

浮体-支架一体式结构（简称一体式）是在漂浮发电系统领域的新兴结构且发展较快（如图3所示）。其概念是由浮体同时提供浮力并固定光伏组件，通过连接支架型浮体和检修道路型浮体形成整体化的光伏发电系统。相比于其他的浮体-支架结构形式，其最大优点在于运输、安装、维护、清洁的简易性。由于一体式结构中的浮体需要单独设计和生产，因而其模具生产成本相对较高，需通过规模化效应降低单位成本。

图3 已建成的一体式漂浮发电系统项目照片

2 试验平台搭建与数据分析

2.1 试验平台搭建

在广东省同一地点建设1座6.3kW漂浮式光伏发电系统及1座6.3kW陆上光伏发电系统，漂浮式光伏发电系统采用浮体-支架一体式结构，漂浮式光伏发电系统及陆上光伏发电系统的组件朝向及倾角都保持一致。

2.2 试验数据分析

2.2.1 发电量月值数据分析

本文取2017年6月至2018年12月的月发电量数据作为分析依据，陆上和漂浮式光伏发电系统的月值发电量数据统计如图4所示。

图4 月值发电量数据

从试验数据可得出，在2017年6月到2018年12月期间，有11个月（主要为秋冬季节）漂浮式光伏发电系统相较于陆上光伏发电系统的发电效率更高，两者发电量比值在0.22%到9.63%，有8个月（主要为春夏季节）漂浮式光伏发电系统相较于陆上光伏发电系统的发电效率无明显提升，甚至出现低于陆上发电系统的情况，漂浮式发电系统与陆上发电系统的发电量比值在-0.08%到-1.48%。

综上所述，从发电量月值数据分析，在秋冬季节，漂浮式发电系统相对于陆上发电系统的发电效率更高；在春夏季节，出现漂浮式发电系统的发电量小于等于陆上发电系统发电量的情况。现选取发电量差异较大的2017年12月和差异较小的2017年7月的数据做进一步分析。

2.2.2 2017年12月每日的发电量分析

根据图5分析可得，12月漂浮式光伏发电系统相较于陆上光伏发电系统的日发电量增幅较明显，增幅在-21%~30%之间，除个别天外增幅基本为正，月平均增幅为12%。

图5 2017年12月每日发电量

2.2.3 2017年7月每日的发电量分析

根据图6分析可得，7月漂浮式光伏发电系统相较于陆上光伏发电系统的日发电量增幅不明显，增幅在-7%~11%之间，月平均增幅为1%。

图6 2017年7月每日发电量

根据理论研究结果，漂浮式电站的发电效率更高是由于水体对光伏组件的运行环境有降温的作用，而光伏组件的工作特性为：随着光伏组件温度的升高，输出功率下降，晶硅光伏组件的温度系数约-0.35%/℃。

根据试验结果，漂浮式发电系统的发电效率呈现季节性变化，在秋冬季节具有较高的增益，在春夏季节增益不明显。可能考虑的因素有，广东区域夏季气温较高且雨水较多，水体的降温作用相对不明显，冬季水面降温的效果相对明显。由于建成的发电系统规模较小，试验也存在误差或受其他外界环境因素影响的可能。

3 结论

在广东省同一地点建设1座6.3kW漂浮式光伏发电系统及1座6.3kW陆上光伏发电系统，总装机容量为12.6kW。根据试验数据分析，漂浮式光伏发电系统的发电效率增益呈季节性变化，漂浮式与陆上两个发电系统的发电量比值在秋冬季有明显差异，漂浮式系统发电量增幅最高可达在9.63%，而春夏季差异较小，两者发电量比值最小为-1.48%，试验结果初步判断可能是因为广东区域夏季气温较高且雨水较多，水体的降温作用相对较少，冬季水面降温的效果相对明显。