王軍輝 李 民 暢蓬博 劉 寧

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710001）

水力發(fā)電是一種傳統(tǒng)的發(fā)電形式，具有清潔、調(diào)節(jié)控制方便快速、生產(chǎn)成本低、效率高等特點(diǎn)，在我國(guó)電力生產(chǎn)當(dāng)中占有較大比重。

然而，單純水力發(fā)電一方面沒(méi)有充分利用到水庫(kù)的空間優(yōu)勢(shì)，另外也缺乏對(duì)水體環(huán)境的充分利用。光伏發(fā)電具有清潔、可靠、便于安裝運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。盡管光伏發(fā)電存在波動(dòng)性強(qiáng)且依賴于地域環(huán)境的缺點(diǎn)，但是，將光伏發(fā)電以水面光伏形式與水力發(fā)電相結(jié)合仍不失為一種清潔高效的電力生產(chǎn)方式[1]。

本文從水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本形式、建設(shè)要點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)效益分析等多個(gè)方面對(duì)水面光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本形式

水面光伏發(fā)電系統(tǒng)按基礎(chǔ)形式可分為以下兩種：樁柱式基礎(chǔ)系統(tǒng)和漂浮式系統(tǒng)[2]。

樁柱式基礎(chǔ)系統(tǒng)與傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相同，組件支撐于支架上，支架固定于樁上。主要區(qū)別是樁布置于水中，增加造價(jià)及施工難度，但有利于組件清洗，并可節(jié)約土地。

漂浮式系統(tǒng)一般應(yīng)用在水域深度較大的區(qū)域（一般大于3m的水面），利用浮體的浮力承受電池板及相關(guān)設(shè)備的重量，并將浮體固定于岸邊及水底。按型式分為兩種：浮體+支架+電池板和浮體+電池板。

2 水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)要點(diǎn)

水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中需要考慮多種因素，其中資源、發(fā)電量、設(shè)備選型和基礎(chǔ)形式是最為重要的四個(gè)要素。

2.1 資源

我國(guó)太陽(yáng)能資源分布帶有鮮明的地域特點(diǎn)；太陽(yáng)能的高值中心和低值中心都處在北緯25°～35°一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。太陽(yáng)年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部[3]。

我國(guó)水面資源分布以南多北少為典型特征，其中湖泊總面積為9.1 萬(wàn)平方公里，養(yǎng)殖水面1.2 億畝，8.6 萬(wàn)座水庫(kù)的水面總面積3843 萬(wàn)畝，這些水面都具備一定的光照資源，具備一定的水面光伏開(kāi)發(fā)潛力[4]。

2.2 發(fā)電量

水面光伏的發(fā)電量是影響水面光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)的重要因素之一。與傳統(tǒng)的地面光伏發(fā)電系統(tǒng)相同的是，水面光伏發(fā)電量仍然受傾斜面上的輻射量（地區(qū)輻射量、組件傾斜角度）、系統(tǒng)系統(tǒng)效率、組件衰減等因素影響，同時(shí)，區(qū)別于傳統(tǒng)地面光伏發(fā)電系統(tǒng)的是，水面光伏發(fā)電量還受溫度和水面發(fā)射率等因素的影響。

由于水域比熱比陸地大得多，因此當(dāng)水陸接受到相同的太陽(yáng)熱量時(shí)，水體的氣溫變化必將小于陸地，而且太陽(yáng)輻射可透入較深的水層，水體的亂流混合作用較強(qiáng)，使得水體吸收到的太陽(yáng)輻射相對(duì)均勻地分布于上下各層次。這就大大緩和了氣溫的日變化和年變化，使得冬季水體暖于陸地，而夏季涼于陸地。因此，夏季水體對(duì)光伏組件的冷卻效應(yīng)，可以抑制組件表面溫度上升，從而獲得更高的發(fā)電量。冬季輻射量處于低值，水溫略高于陸地，水溫對(duì)光伏發(fā)電的影響并不明顯。

水面光伏發(fā)電系統(tǒng)中，水面的反射率也影響到水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏組件傾斜面上的輻射量由太陽(yáng)直接輻照量、散射輻照量和反射輻照量三部分組成。其中，反射輻照量與反射率成正比，反射率越大，反射輻照量越大。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的水上、陸地光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與在屋頂及陸地上以相同角度設(shè)置的電池板相比，水上光伏發(fā)電量可以增加5～15%。日本兵庫(kù)縣于2014 年4 月～2015 年3 月期間在小野市凈谷町的凈谷新池水面上，就輸出功率為40kW 的浮體式光伏發(fā)電設(shè)備實(shí)施了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。5 月下旬公布了實(shí)驗(yàn)結(jié)果：與在屋頂上以相同角度設(shè)置的電池板相比，發(fā)電量增加了14%。

不同基礎(chǔ)形式的水面光伏發(fā)電系統(tǒng)中，打樁式和浮體+支架+電池板均可調(diào)節(jié)最佳傾角獲得最大的發(fā)電量。而對(duì)于浮體+電池板類型的水面光伏發(fā)電系統(tǒng)，傾角為10～20°，并不滿足最佳傾角。由于水上光伏主要集中在中東部、南部地區(qū)，最佳傾斜角度偏低，角度對(duì)于水面系統(tǒng)發(fā)電量的影響不大，更多的影響因素是水體的水冷效果。

2.3 設(shè)備選型

水面光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏組件、逆變匯流箱、浮體等主要部分。

2.3.1 光伏組件

傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)能組件的背板有一定的透水率，透過(guò)背板的水汽使劣質(zhì)的EVA 樹(shù)脂很快分解析出醋酸，而導(dǎo)致組件內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)腐蝕，增加了出現(xiàn)PID 衰減和蝸牛紋發(fā)生的概率。因此通常采用散熱快、溫差小的雙玻組件。雙玻組件沒(méi)有金屬邊框，耐腐蝕，同時(shí)還可以抗PID 衰減。

2.3.2 逆變匯流箱

地面系統(tǒng)光伏逆變器室內(nèi)防護(hù)等級(jí)比較低的一般采用IP20，而對(duì)室外采用IP54 防護(hù)等級(jí)。水上光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器則宜采用IP65 防護(hù)等級(jí)。對(duì)于水域情況復(fù)雜，建議采用更高IP67 防護(hù)等級(jí)。匯流箱常規(guī)系統(tǒng)常采用IP65，水上光伏發(fā)電系統(tǒng)建議使用IP67 防護(hù)等級(jí)。值得注意的是，水面光伏發(fā)電系統(tǒng)匯流箱、逆變器、鋼支架等設(shè)備防腐蝕能力要求高，應(yīng)采用水上專用逆變器，加強(qiáng)維護(hù)。

2.3.3 浮體

水面光伏發(fā)電系統(tǒng)中，浮體的選擇要求具備耐腐蝕、抗紫外線、抗凍脹、抗風(fēng)浪、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，但實(shí)際中，大多數(shù)浮體都有易燃、光氧化、熱氧化、臭氧及紫外線分解，支架易腐蝕的特點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的浮體通常選擇對(duì)高密度聚乙烯浮體進(jìn)行處理防止降解，防火，并加強(qiáng)支架防腐。傳統(tǒng)浮體用于碼頭、浮橋等，經(jīng)過(guò)加工也可用于光伏電站，分為單體浮體，連體浮體及線管型浮體。目前已有多家廠家生產(chǎn)只用于光伏項(xiàng)目的光伏專用浮體，其便于安裝。

2.4 基礎(chǔ)形式

水面光伏的基礎(chǔ)分為樁柱式和漂浮式兩種類型。樁柱式水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件支撐于支架上，支架固定于樁上，樁布置于水中。適用于水深較淺（一般小于3m）的池塘。具有施工簡(jiǎn)便、適用性廣泛、造價(jià)合適、施工速度快，水域可兼做魚(yú)塘，提高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是船運(yùn)維護(hù)，水深太大造價(jià)高。同時(shí)其預(yù)制管樁、端頭制作光伏支架系統(tǒng)。樁徑需根據(jù)工程條件確定。樁柱式水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的匯流箱安裝于光伏支架背面。組串式逆變器安裝于光伏支架上，集中式逆變器根據(jù)距離安裝于岸邊或者水上平臺(tái)上。箱變則根據(jù)距離安裝于岸邊或者水上平臺(tái)上。水域深度較大的區(qū)域（一般大于3m 的湖泊），利用塑料浮體的浮力承受電池板及相關(guān)設(shè)備的重量，并將浮體固定于岸邊或者水底。按型式分為兩種：浮體+支架+電池板和浮體+電池板。浮體+支架+電池板的水面光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的浮體，將電池板安裝于支架上，支架固定于浮體上，浮體漂浮于水面上，并對(duì)浮體進(jìn)行固定。主要包括浮體、支架、浮動(dòng)平臺(tái)的定泊系統(tǒng)等。具有可以按最佳傾角進(jìn)行布置，可以提高發(fā)電量等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是用鋼量及浮體用量大。浮體+電池板的水面光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的浮體，將電池板用螺栓直接安裝于浮體上，浮體漂浮于水面上，并對(duì)浮體進(jìn)行固定，主要包括浮體、浮動(dòng)平臺(tái)的定泊系統(tǒng)等。其優(yōu)點(diǎn)是有用鋼量少，減輕浮體上重量，安裝、維護(hù)方便。缺點(diǎn)是電池板傾角受浮體限制（一般不超過(guò)20°），無(wú)法達(dá)到最佳傾角，影響發(fā)電量。浮體允許隨水位變化，但應(yīng)防止其碰到岸邊，故需根據(jù)浮體離岸距離、水深等確定固定浮體的方式：用繩索將浮體固定于岸邊，適用于距離岸邊較近的浮體；浮體固定在樁上，并用繩索固定浮體，適用于距離岸邊較遠(yuǎn)的浮體，且水深不大水域；浮體固定于錨塊上，適用于水深較大，且距離岸邊較遠(yuǎn)的水域。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 成本分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本主要包括電力電纜、電纜溝、組件基礎(chǔ)、支架、匯流箱和土地費(fèi)用。各類水面光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的地面光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本相比，電氣設(shè)備與安裝費(fèi)總體變化不大，設(shè)備增加抗PID 能力；土建部分，水上打樁電站的場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)增加量較大，漂浮式電站無(wú)基礎(chǔ)工程量，主要增加浮體、錨固件等設(shè)備；水上打樁電站施工組織與措施的工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)；由于基礎(chǔ)方案相對(duì)復(fù)雜，水上打樁電站的總體造價(jià)比傳統(tǒng)地面電站要高，漂浮式電站工程量與常規(guī)電站相比有增有減，總體造價(jià)相差不大，甚至更節(jié)約成本。

3.2 效益分析

地面光伏發(fā)電量主要取決于斜面上的輻射量，由于水面光伏發(fā)電系統(tǒng)傾角均為12°，與當(dāng)?shù)刈罴褍A角相比，在高緯度地區(qū)（I 類電價(jià)區(qū)居多）斜面上的輻射量損失較低緯度地區(qū)要大，所以整體發(fā)電量的提高隨著緯度提高而明顯。即我國(guó)中東部、南部漂浮式一體化光伏電站的發(fā)電量提高較明顯。相對(duì)于地面電站，水上打樁光伏電站隨著基礎(chǔ)量增加而增加的成本抵消了發(fā)電量的提高帶來(lái)的收益，故體現(xiàn)在收益率的提高并不明顯。與地面光伏發(fā)電量對(duì)比，漂浮式水面光伏發(fā)電量有不同程度的提高，估計(jì)5%～15%。漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)整體收益比地面光伏電站提高明顯，其融資前稅前內(nèi)部收益率最高可提高近2%，資本金內(nèi)部收益率最高可提高8%。相當(dāng)于同等資源地區(qū)提高了上網(wǎng)電價(jià)。隨著規(guī)模的鋪開(kāi)，施工經(jīng)驗(yàn)的累積，漂浮式水上光伏電站經(jīng)濟(jì)性更好。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)形式、建設(shè)要點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益分析發(fā)現(xiàn)：水面光伏發(fā)電系統(tǒng)不占用農(nóng)業(yè)和采礦資源的土地。考慮水冷效果，發(fā)電量同比提高10%-14%，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在具備水面光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)條件的區(qū)域，大力開(kāi)發(fā)水面光伏發(fā)電將具備經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的巨大優(yōu)勢(shì)。