干旱区水上光伏发电单元体防蒸发节水效率研究

2022-08-09石兴鹏

水利科技与经济 2022年7期

石兴鹏

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概述

近年来，随着社会经济的快速增长，截至2018年底，我国光伏发电规模已经达到1.74×108kW，居世界第一位[1]。而日益稀缺的土地资源直接制约着太阳能发电技术的发展，为了大规模发展太阳能发电，太阳能电池板的布设场地由地面逐渐向水域转移，形成水上光伏系统[2]，这是解决光伏电站土地和地域发展瓶颈的一个重点方向[3]，已成为光伏产业以后发展的趋势。但是在太阳能资源丰富、降雨量少、蒸发强烈、水资源匮乏的干旱区几乎还未涉及水上光伏系统。

针对我国干旱与半干旱地区独特的地理位置和气候特点，一方面利用平原水库闲置的水面，建立水上光伏电站，可以有效利用丰富的太阳能资源，产生清洁电能，同时光伏组件受到水体的冷却作用，降低组件表面温度，提高发电量；另一方面通过防蒸发节水技术，可以减少水面的无效蒸发，以缓解干旱区水资源紧缺现象[4-6]。将水上光伏技术与防蒸发节水技术结合起来，通过开拓光伏发电技术的应用场地，建立集产能、节水为一体水上光伏电站，可以提高发电效益，减小水面的无效蒸发，节约水资源，减缓灌区土壤积盐速度，这对干旱区节约资源、保护环境、促进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义。

2 试验原理及布置

2.1 试验原理

在自然条件下，水面蒸发主要受太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等因素的影响，其中水体受到太阳辐射的影响，会增加水面温度和大气温度，使水分子能量增加，分子间距增大，水分子更容易进入大气，从而增加水面附近的大气湿度，水汽压增强。因此，水面温度决定了水面的蒸发速率，当太阳能电池板遮挡在水面上方，可减少水面蒸发所需要的热源，改变水面附近的水汽压差，降低水面附近水汽分子向大气扩散的速率，从而达到消减水面蒸发的效果。

2.2 试验现场布置

试验选择2个相同型号的蒸发器，蒸发器尺寸为1.0 m×1.0 m×0.3 m，标记为 A、B。为避免蒸发器器壁对水温影响，外部包裹相同厚度的纸板，内部铺设同一型号的防渗膜。A蒸发器水面上方选用2块1.2 m×0.55 m的太阳能电池板遮挡，电池板安装倾角为30°；B蒸发器水面不用任何材料遮挡，记录其在自然条件下的水面蒸发量。试验期间，A、B两蒸发器内水位变化利用水位测针进行观测，观测精度为±0.1 mm，每日20∶00观测记录两蒸发器水位。同时，采用NK5500便携式气象站记录大气温度、湿度、气压等，采用CENTER-309记忆式四通道温度计测量太阳能电池板表面温度，观测精度±0.1℃。在蒸发器上方5 cm处安装相同型号的温湿度仪，观测精度±3%，每日从早8:00到晚22:00每隔2 h观测记录水温。试验现场布置图见图 1，太阳能电池板遮挡蒸发器水面图见图2。同时，在水库现场进行漂浮式光伏发电单元体的示范研究，监测漂浮式光伏发电单体在整个库区的运行状况，见图3。

图1 试验现场布置图

图2 遮挡组试验装置图

图3 漂浮式光伏发电单元体水库现场图

3 结果与分析

3.1 温度变化

图4(a)为试验期内某一天大气温度与水温变化曲线，这一天大气温度高于A蒸发器水面温度1.7℃，低于B蒸发器水面温度0.8℃，B蒸发器水面温度高于A蒸发器水面温度，平均高2.5℃，18:00时温差最大，为5.3℃，2个蒸发器水温从8:00～18:00升高，太阳能电池板阻挡了太阳辐射对水面温度的影响，减少了水面蒸发所需的热源，水温升高较慢[14]，无太阳能电池板遮挡的水温升高速率较快；从18:00～次日8:00水温在降低，气温低于水温，水体往大气释放热量，B蒸发器温度降低速率较快，而安装在A蒸发器水面上方的太阳能电池板阻挡了水温向大气传热，使得水面温度降低较慢，蒸发器内水温主要受气温的影响，随气温变化而变化，不再受太阳辐射的影响。

图4(b)显示太阳能电池板表面温度与水温关系。太阳能电池板表面温度比水体表面温度平均高6.1℃，14:00时温差最大时，为29.3℃；比气温平均高4.2℃，14:00时差值最大，为16.2℃，从8:00开始，太阳能电池板表温度升高速率显著高于水温的升高速率，太阳能电池板将太阳辐射转化为电能和热量，阻挡太阳辐射直接照射在水体表面，从而减少太阳辐射对水体的影响。虽然太阳能电池板表面温度高于水温，但蒸发器水面未与电池板接触，聚集在太阳能电池板表面的热量仅通过空间体热能交换的方式，将部分热量传递到水面，其余热量通过湍流扩散至大气中。

图4 水面温度日变化曲线

3.2 蒸发驱动力

从空气动力学分析，蒸发过程主要为气态水分子在垂直方向的运动。由于水面附近的空气相对湿度较大，而水面上方的空气相对湿度较小，水面和周围空气之间存在水汽压差(形成蒸发过程的直接动力即蒸发驱动力)[7]。

根据Dalton建立估算蒸发的公式，即Dalton公式[8]：

E=C(es-ea)

(1)

式中：E为水面蒸发量，mm；es为水面温度对应的饱和水汽压，kPa；ea为空气中的水汽压，kPa；C为风速函数。

而驱动水汽分子从蒸发面进入大气的动力是蒸发面上的水汽压与周围空气水汽压之间的差值(即饱和水汽压差)。蒸发速率与饱和水汽压差成正比(式(1))，饱和水汽压差越大，蒸发速率也越快，所以自然环境下的水体表面与附近大气存在一个蒸汽压力梯度。

蒸发面和大气之间的水汽压差为蒸发驱动力，即

Δes=es(Tw)-ea

(2)

式中：Δes为水面饱和水汽压和水面附近实际水汽压之差，kPa；es为水面温度对应的饱和水汽压，kPa；Tw为水面温度，℃；ea为水面上方某一高度处的水汽压，kPa。

饱和水汽压与温度存在如下关系[9]：

(3)

式中：es(T)为温度T时的饱和水汽压，kPa；T为某一时刻温度，℃。

大气环境气温为Ta、湿度为RH时，大气水汽压ea与气温Ta、湿度RH存在如下关系[7]：

(4)

ea=RH×es(Ta)

(5)

白天太阳能电池板遮挡太阳辐射，遮挡组A蒸发器水面温度较低，这是导致遮挡组A蒸发器水汽压差降低的主要原因。遮挡组A蒸发器水汽压差日均值为0.68 kPa，空白组B蒸发器水汽压差日均值为1.22 kPa，与遮挡组A蒸发器相比增长44.2%。在不同时刻遮挡组A蒸发器水汽压差变化趋势与空白组B蒸发器紧密相关，在6:00-8:00，A、B两蒸发器水气压差相近外，其余时间遮挡组A蒸发器水汽压差低于B蒸发器(图5)。两组蒸发器内水汽压差最大值均值发生在18:00，空白组B蒸发器比遮挡组A蒸发器水汽压差高1.12 kPa，说明较高的水面温度是水汽压差升高的主要原因，进一步表明太阳能电池板遮挡下水面蒸发量的减少是因蒸发驱动力的减少所致。

图5 蒸发器水面水汽压差日变化趋势

3.3 蒸发抑制率

太阳能电池板阻挡了到达水面的太阳辐射，从而减少水体蒸发所需要的热能，同时降低水表面的温度和蒸发潜热。还通过降低水面上空的水汽压差来减少表面风的作用，水汽吸附在太阳能电池板表面，避免水汽被干燥空气所取代，从而提高水面附近空气湿度以达到抑制水面蒸发的目的。

根据太阳能电池板遮挡下抑制水面蒸发试验，太阳能电池板遮挡下的蒸发抑制率为：

(6)

式中：η为蒸发抑制率，%；EB为未遮挡下的蒸发量，mm；EA为太阳能电池板遮挡下的蒸发量，mm。

一整年内，遮挡组水面总蒸发量为1 468.4 mm，未遮挡组水面总蒸发量为2 263.5 mm(表1)；非冰冻期内，遮挡组蒸发量为1 408.1 mm，未遮挡组蒸发量为2 194.3 mm。遮挡组蒸发量和未遮挡组蒸发量月变化趋势相关，其中从1-7月份开始呈上升趋势，从8月份开始呈下降趋势，未遮挡组月最大蒸发量为370.0 mm，遮挡组月最大蒸发量221.4 mm。

表1 一年内遮挡组和未遮挡组月蒸发量、蒸发抑制率

太阳能电池板遮挡水面的抑制蒸发率随时间的变化先增大后减小(图6)，平均蒸发抑制率为29.4%。其中，1和12月份为冰冻期，平均蒸发抑制率为12.9%；2至11月份为非冰冻期，平均蒸发抑制率为32.7%，其中7月份达到最大值为40.2%，1月份达到最低值为12.1%。太阳能电池板抑制水面蒸发主要由太阳能电池板遮挡太阳辐射，降低了水面蒸发所需要的热源，同时降低水表面的温度和水面附近的水汽压差，从而达到抑制水面蒸发的目的。