姜浩浩，金 光，郭少朋

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

社會(huì)的快速發(fā)展離不開能源的保障與供應(yīng)。以我國為例，2020年我國的能源消費(fèi)總量為498000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，煤炭所占比重為56.8%[1]。為了降低傳統(tǒng)化石類能源應(yīng)用比例，改善和升級(jí)我國的能源消費(fèi)構(gòu)成，應(yīng)用清潔的可再生能源尤其是太陽能勢(shì)在必行。其中，太陽能光伏技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，且應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，是目前太陽能技術(shù)中較為成熟的一種。

本文介紹了太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展歷史，梳理了該技術(shù)的應(yīng)用情況和存在問題，介紹了水上光伏技術(shù)，將地面光伏和水上光伏作比較，對(duì)水上光伏技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 太陽能光伏發(fā)展歷史

1839年，法國科學(xué)家貝克勒爾首次發(fā)現(xiàn)了“光伏效應(yīng)”現(xiàn)象[2]。1877年，第一片硒太陽能電池片被制造出來，雖然這片太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率只有1%[3]，但其證實(shí)了“光伏效應(yīng)”是可以應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)技術(shù)中。在人們不懈地探索、研發(fā)中，美國貝爾研究所在1954年制作出了單硅太陽能電池，這片電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了6%[4]。這一研究成果，使太陽能光伏發(fā)電技術(shù)邁出了重要的一步。

1958年，我國開始重點(diǎn)發(fā)展太陽能光伏技術(shù)[4]，并成功將其應(yīng)用于東方紅二號(hào)衛(wèi)星上[5]。二十世紀(jì)八十年代后期，我國開始全面支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在政策和資金的推動(dòng)下，光伏技術(shù)逐漸推廣到眾多應(yīng)用領(lǐng)域，如通信系統(tǒng)、中繼站、農(nóng)村小型供電系統(tǒng)等[6]。

“十五”期間，我國光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)劃并實(shí)施了“屋頂光伏”項(xiàng)目，為后來開展沙漠光伏電站項(xiàng)目積攢了豐富經(jīng)驗(yàn)[7]。與此同時(shí)，國內(nèi)光伏市場(chǎng)逐步形成了產(chǎn)業(yè)化，光伏電池的生產(chǎn)能力極大增強(qiáng)。

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，在世界光伏市場(chǎng)強(qiáng)大需求的拉動(dòng)下，我國光伏產(chǎn)業(yè)開始全面發(fā)展，形成了以長三角、珠三角等地域?yàn)橹鞯募夹g(shù)中心，以西部地區(qū)為主的安裝基地[8]。圖1為我國近八年來的光伏總裝機(jī)容量圖。

圖1 我國近八年的光伏總裝機(jī)量

2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

2.1 照明

光伏發(fā)電技術(shù)在生活中最常見的應(yīng)用領(lǐng)域是照明，例如我們身邊的路燈，它將白天光伏發(fā)電獲得的電能用蓄電池儲(chǔ)存起來，通過定時(shí)控制在夜間照明。

同時(shí)，光伏發(fā)電技術(shù)還十分適用于高速公路的夜間照明。意大利的卡塔尼亞-錫拉庫薩(A18)公路就采用了光伏照明系統(tǒng)[9]。在我國，李明霞等人[9]提出了將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于高速公路的想法；2014年，在陜西茶條嶺隧道基礎(chǔ)上建立了110kWh分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[10]。

2.2 建筑光伏一體化

將光伏發(fā)電技術(shù)融入綠色建筑中，將太陽能轉(zhuǎn)化成建筑所需的電能，可以用于供給制冷、通風(fēng)和熱水系統(tǒng)[11]。該技術(shù)一般有兩種形式，一是光伏方陣與建筑結(jié)合，例如屋頂光伏方陣、墻面光伏方陣；二是光伏方陣與建筑集成，例如光電屋頂、光電幕墻、光電遮陽板等[12]。

1991年，德國提出了“1000光伏屋頂”計(jì)劃，并于1998年開始實(shí)施“十萬屋頂計(jì)劃”，總?cè)萘窟_(dá)到了300～500MW[13]；1994年，日本開始實(shí)施“七萬屋頂”計(jì)劃，總?cè)萘窟_(dá)到280MW[14]；美國也在1997年實(shí)施了“百萬屋頂”計(jì)劃[15]；我國應(yīng)用建筑光伏一體化最典型的代表就是“鳥巢”[16]。此外，上海世博會(huì)上的中國國家館也應(yīng)用了建筑光伏一體化，其以屋頂為主，采用間接鋪設(shè)，形成了完整的建筑光伏一體化組件[17]。

2.3 與其它技術(shù)聯(lián)合互補(bǔ)

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)不僅能夠獨(dú)立運(yùn)行，還可以和其他技術(shù)配合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如圖2所示，劉凱等人[18]提出了一種水光互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)荷要求較低時(shí)，光伏電站和風(fēng)電站產(chǎn)生的電能一部分滿足用戶要求，另一部分可以用蓄電池儲(chǔ)備或通過水泵送入上游水庫以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存。當(dāng)負(fù)荷處于高峰期，光伏電站和風(fēng)電站產(chǎn)生的電能無法滿足用戶需求時(shí)，可以將蓄電池或水電機(jī)組所儲(chǔ)存的電能釋放出來，以滿足用戶的需求。這樣的水光互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)就可以解決光伏發(fā)電不穩(wěn)定的問題。

圖2 水光互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)

如圖3所示，張世亮等人[19]提出將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到大棚當(dāng)中，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)為智能大棚供電，多余的電能儲(chǔ)存到蓄電池組里，在陰雨天氣時(shí)利用蓄電池組供電。如圖4所示，光伏板陣列安裝在溫室大棚的側(cè)立面，以避免光伏陣列板遮擋溫室大棚的光照。

圖3 溫室大棚中的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 光伏板在溫室大棚中的安裝形式

3 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)存在的問題及建議

3.1 出現(xiàn)“棄光”現(xiàn)象

“棄光”指的是光伏與其他能源供給出現(xiàn)矛盾時(shí)，不得不放棄光伏，停止相應(yīng)發(fā)電機(jī)組或者部分機(jī)組，減少發(fā)電量，也可說是光伏發(fā)電站的發(fā)電量超過了該地區(qū)電力系統(tǒng)的最大輸送量和負(fù)荷消納電量[20]。

“棄光”問題主要由兩方面造成：①并網(wǎng)沖突。以我國東北、西北、華北地區(qū)為例，這些地區(qū)日照充足，非常適合組建太陽能光伏發(fā)電站。但同時(shí)，這些地區(qū)主要以煤炭型資源的消費(fèi)為主。光伏發(fā)電的大量介入，導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足。且光伏發(fā)電還存在著不穩(wěn)定性，對(duì)電力系統(tǒng)有很高的要求[21]。②消納難。隨著光電、風(fēng)電等新能源發(fā)電的興起，傳統(tǒng)輸電通道資源占用嚴(yán)重，而且增加了能源消納的難度，對(duì)當(dāng)?shù)啬茉春侠硪?guī)劃與利用、電能外送及優(yōu)化調(diào)度都產(chǎn)生了極大影響[22]。

要解決“棄光”問題，不僅需要建立新的跨省跨區(qū)輸電通道和就地消納，還要推行可再生能源“配額制”，根據(jù)不同地區(qū)的消納量，適當(dāng)減少光伏裝機(jī)增長量，調(diào)低可再生能源發(fā)展目標(biāo)。

3.2 原材料有限，產(chǎn)業(yè)技術(shù)有待提高

2011年，我國多晶硅產(chǎn)能為9萬噸，需要從國外進(jìn)口6.5萬噸才能滿足產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)[23]。到2018年，我國多晶硅產(chǎn)能為25.9萬噸，需要進(jìn)口多晶硅14萬噸。雖然經(jīng)過國家和企業(yè)的努力，進(jìn)口多晶硅占比從41.9%降到35.0%，但原材料中仍有較大比例依賴進(jìn)口的問題將會(huì)制約我國光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前，閉環(huán)改良西門子法仍是多晶硅原料加工提純過程中的主流技術(shù)方案，該技術(shù)應(yīng)用率占全球多晶硅產(chǎn)量的80%左右。而我國大部分企業(yè)主要采用非閉環(huán)改良西門子法，相比較于主流技術(shù)，在產(chǎn)品的產(chǎn)能、質(zhì)量等方面還存在差距[23]。

在產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面，各地政府應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光伏技術(shù)的投入，培養(yǎng)和引進(jìn)創(chuàng)新型人才，加強(qiáng)企業(yè)與高校合作，建立科研平臺(tái)，共同攻克技術(shù)難關(guān)。

3.3 綜合能耗較大

雖然光伏發(fā)電是綠色節(jié)能的發(fā)電方式，但是其主要原料之一的晶體硅在提煉時(shí)所要消耗大量電能，嚴(yán)重影響了其生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性[24]。此外，光伏電池在以下幾個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中也消耗了大量電能。

(1)組件方面

太陽能電池板從硅的還原到組件，需要大量的能耗，如表1所示。除此之外，還需要制造高交聯(lián)度的EVA、高強(qiáng)度高通光率的鋼化玻璃、高質(zhì)量的背板以及高耐久的鋁邊框等，再經(jīng)過層壓、焊接等工藝，能耗較高，而且易產(chǎn)生壞件。

表1 太陽能電池制造過程中的能耗[25]

(2)基建方面

搭建太陽能光伏發(fā)電站需要大量的支架鋼材、鋼筋、水泥及電纜。生產(chǎn)這些東西的耗能也不可小覷。一般太陽能光伏發(fā)電站的光電轉(zhuǎn)換效率在12%至17%之間[5]，還要考慮隨時(shí)間變化轉(zhuǎn)換效率的衰減。因此從能源經(jīng)濟(jì)性方面來看，其投資成本不低，投資回收期一般較長。

針對(duì)組件能耗高，國家應(yīng)出臺(tái)具體的光伏制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整頓，我國2021年新頒發(fā)的《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》就從生產(chǎn)布局與項(xiàng)目設(shè)立、工藝技術(shù)、資源綜合利用及能耗、智能制造和綠色制造、環(huán)境保護(hù)5個(gè)方面對(duì)光伏企業(yè)提出要求。

4 水上光伏技術(shù)

傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)建設(shè)在地面或山地上，對(duì)選址和電網(wǎng)的可接入性有一定要求[26]。水上光伏技術(shù)不僅使傳統(tǒng)光伏脫離了地面的約束，讓可用土地資源得到充分利用，還可以有效減少水庫水資源的損失，防止水資源的蒸發(fā)。此外，水面的反射率為0.69%，相比較地面高了近5、6倍，且溫度低，有利于光伏組件的散熱[27]。

常見的水上光伏有兩種形式：一是樁基固定電站，它與地面?zhèn)鹘y(tǒng)光伏電站相似，只是在水面下固定樁基，但其成本較高，施工難度較大[28]；二是水面漂浮電站，適用于深水域，水面下無樁基，光伏組件直接安裝在水面上的漂浮模塊中[27]。其中，漂浮模塊主要有主浮體、過道浮體、連接浮體、連接銷等組成，用于保持漂浮光伏組件的穩(wěn)定性[27]。由于不同水域的流速、風(fēng)浪流、水位變幅、風(fēng)力作用等問題，水上光伏技術(shù)常面臨的問題有：浮體的受力、浮體的耐久、水下錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析、電站的運(yùn)維方式、環(huán)境協(xié)調(diào)等[29]。

4.1 水上光伏電站的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1.1 優(yōu)點(diǎn)

水上光伏電池效率較高，其發(fā)電效率比地面光伏系統(tǒng)高1.58%[30]。其次，水面的可用面積大，溫度低，有利用光伏組件的散熱。據(jù)報(bào)道，水上光伏太陽能電池板工作溫度比地面溫度低3.5%，同時(shí)還能減少水的蒸發(fā)和限制水庫中藻類的生長。此外，水上光伏電站受到風(fēng)和水的冷卻作用，有利于光伏模塊的輸出發(fā)電，而且水面上的灰塵較少，有利于保持光伏板表面的潔凈。

4.1.2 缺點(diǎn)

水上光伏電站發(fā)電所需的太陽輻射會(huì)受到不利天氣條件的影響，如長期陰天或降雨。由于水面壞境的特殊性，浮動(dòng)支架的材料選擇必須具有耐腐蝕和耐用性，還不能污染水體環(huán)境。水上光伏組件會(huì)受到水面上潮氣影響，潮氣會(huì)在組件內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，這些氣體會(huì)以氣泡的形式滯留在光伏組件的背面，加速光伏組件的降解并縮短其壽命。建立水上光伏電站還可能會(huì)影響水體中藻類的光合作用速率，對(duì)動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)有破壞，使捕魚和其他運(yùn)輸活動(dòng)受限[31]。

4.2 國內(nèi)外情況介紹

中國水力資源豐富，湖泊、水庫眾多，適合發(fā)展水上光伏電站。2017年，我國三峽新能源公司在安徽淮南一處采煤塌陷區(qū)中建成了全球最大的水上光伏電站。這座水上光伏電站占地1400余畝，總裝機(jī)容量為40MW，分為16個(gè)發(fā)電單位，全部采用浮體安裝，是目前世界上規(guī)模最大的水上光伏電站[32]。

2011年，美國加利福尼亞州建成水上光伏發(fā)電站，2016年，裝機(jī)容量為12.5MWp的水上光伏電站在美國加州并網(wǎng)運(yùn)行[33]。2020年末，巴西水上光伏裝機(jī)總量已經(jīng)達(dá)到7.5GW，位于北亞馬遜地區(qū)的巴拉那水力發(fā)電站和位于東北地區(qū)的索布拉丁霍水力發(fā)電站的首批兩個(gè)水上太陽能系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行[34]。2018年12月，挪威國家電力公司獲阿爾巴尼亞政府批準(zhǔn)建造水上光伏電站[35]。

4.3 展望與建議

與地面光伏電站相比，水上光伏電站在防止水資源蒸發(fā)、減少安裝所需時(shí)間和成本、電池板效率增加、節(jié)約土地資源等方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。然而，水上光伏電站的布置會(huì)遮擋水面上的陽光，破環(huán)水體中的生態(tài)環(huán)境。因此，基于對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，應(yīng)大力推進(jìn)發(fā)展薄膜技術(shù)、染料敏化太陽能電池和半透明有機(jī)太陽能等光伏技術(shù)。此外，海上光伏部署也是實(shí)現(xiàn)水上光伏系統(tǒng)的一種的方式。海上有足夠的空間，更豐富的太陽能資源。然而，在海上環(huán)境中，波速和風(fēng)速更高更強(qiáng)，極易改變光伏組件的傾斜角度和方向，需要在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮這些因素。

在建立水上光伏電站時(shí)，建議考慮以下幾點(diǎn)：

(1)地點(diǎn)選擇。因?yàn)樗瞎夥娬究梢杂行p少水資源蒸發(fā)，并且可以利用水面的冷卻效果提高光伏板工作效率，還可以有效治理采煤塌陷區(qū)、節(jié)約陸地土地資源，所以在選址時(shí)優(yōu)先選擇湖泊、大河或海邊等水資源豐富的地區(qū)。

(2)方案選擇。當(dāng)水域深度小于3米時(shí)，可以采用樁基來固定光伏組件；而當(dāng)水域深度大于3米時(shí)，建議采用水面漂浮電站。

(3)系統(tǒng)互補(bǔ)。水上光伏電站存在著不穩(wěn)定性，夜間無法發(fā)電，如果能與其他系統(tǒng)如水電站互補(bǔ)運(yùn)行可以避免這個(gè)弊端。

(4)組件選擇。光伏組件在潮濕環(huán)境下，晶體光伏性能易受影響，而薄膜光伏有著更好的性能表現(xiàn)，建議針對(duì)水面環(huán)境情況合理選用光伏組件。

5 結(jié)論

隨著新能源需求的不斷提高，我國光伏發(fā)電站的裝機(jī)容量從2013年的19.42GW增長到2020年的252.50GW。光伏發(fā)電技術(shù)也廣泛用于日常生活中。但是，由于并網(wǎng)和消納的問題，在我國部分地區(qū)出現(xiàn)了“棄光”情況。此外，在原料生產(chǎn)、技術(shù)革新和能耗降低方面，我國的光伏產(chǎn)業(yè)還存在著較大的進(jìn)步空間。

節(jié)約土地資源、減少水資源蒸發(fā)損失是水上光伏系統(tǒng)的重要特征之一，在干旱地區(qū)或土地資源緊缺地區(qū)，水上光伏技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛。但是，由于存在安裝固定、受潮侵蝕等問題，水上光伏在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要格外注意。同時(shí)，資本支出是阻礙水上光伏電站大規(guī)模部署的原因之一，需要政府通過政策干預(yù)來促進(jìn)水上光伏電站的發(fā)展。