水面光伏發電系統的性能與季節變化關系研究

陳 瑤，石俊奎

（中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610）

近年來，國內光伏發電產業迅速發展，由于光伏發電項目需要大面積（數百畝以上）成規模、集中連片的土地，并且選址須滿足光伏土地利用政策，致使大型地面光伏發電項目選址受影響。我國西北部光資源好，但棄光率較高，與西北部相比，我國中部及西南地區可大規模用于開發地面光伏電站的土地面積稀缺，土地資源的短缺直接制約著太陽能發電技術的發展。相較于地面光伏電站，水面光伏電站最大的優勢在于充分利用水域（海洋、湖泊、河流、水庫等）創造經濟效益，節約用地[1]。水面漂浮式光伏發電站技術是一種全新的光伏發電技術，克服了傳統地面光伏電站存在的土地制約因素。

1 水面漂浮式光伏電站結構形式

常見的水面漂浮式光伏電站結構形式有框架平臺式、浮體平臺式、浮體-支架一體式等不同樣式。

1.1 框架平臺式

框架平臺式浮體-支架結構是在漂浮發電系統領域最早出現的結構（如圖1所示）。其概念是首先建造玻璃鋼或金屬框架平臺，在平臺下方固定浮體從而形成整體式的漂浮平臺，將光伏組件支架固定在平臺上，再將各平臺相互連接形成整體化的光伏發電系統。相比于其他的浮體-支架結構形式，其最大特點在于浮體只提供浮力，而無需具備其他功能。由于支架和浮體都采用傳統方法制作，浮體、支架和固定形式都可以單獨根據建設的氣候水文特點加以修改，因而其具備設計相對簡單、成本較低、適應性較廣等優點。國際上的框架平臺式漂浮發電系統主要有美國SPG Solar建造的最早的漂浮式光伏發電系統Far Niente酒莊項目（175kW，2008），韓國K-water建造的Hapcheon大壩項目（500kW，2014）[2-3]，韓國海洋科學與技術研究所慶尚南道Buksin灣海上試驗性項目[4]等。

圖1 框架平臺式結構簡圖

1.2 浮體平臺式

浮體平臺式浮體-支架結構是在漂浮發電系統領域中的另一種常見結構（如圖2所示）。類似框架平臺結構，其組成部分中也包括了金屬框架和浮體，但其不同點在于，浮體不僅提供整體平臺的浮力，同時也起到連接不同金屬支架和擔當檢修通道的作用。在浮體平臺式漂浮發電系統中，支架和浮筒也是采用傳統方法制作的，因而同樣具備設計相對簡單、成本較低等優點。

圖2 浮體平臺式結構項目照片

1.3 浮體-支架一體式

浮體-支架一體式結構（簡稱一體式）是在漂浮發電系統領域的新興結構且發展較快（如圖3所示）。其概念是由浮體同時提供浮力并固定光伏組件，通過連接支架型浮體和檢修道路型浮體形成整體化的光伏發電系統。相比于其他的浮體-支架結構形式，其最大優點在于運輸、安裝、維護、清潔的簡易性。由于一體式結構中的浮體需要單獨設計和生產，因而其模具生產成本相對較高，需通過規模化效應降低單位成本。

圖3 已建成的一體式漂浮發電系統項目照片

2 試驗平臺搭建與數據分析

2.1 試驗平臺搭建

在廣東省同一地點建設1座6.3kW漂浮式光伏發電系統及1座6.3kW陸上光伏發電系統，漂浮式光伏發電系統采用浮體-支架一體式結構，漂浮式光伏發電系統及陸上光伏發電系統的組件朝向及傾角都保持一致。

2.2 試驗數據分析

2.2.1 發電量月值數據分析

本文取2017年6月至2018年12月的月發電量數據作為分析依據，陸上和漂浮式光伏發電系統的月值發電量數據統計如圖4所示。

圖4 月值發電量數據

從試驗數據可得出，在2017年6月到2018年12月期間，有11個月（主要為秋冬季節）漂浮式光伏發電系統相較于陸上光伏發電系統的發電效率更高，兩者發電量比值在0.22%到9.63%，有8個月（主要為春夏季節）漂浮式光伏發電系統相較于陸上光伏發電系統的發電效率無明顯提升，甚至出現低于陸上發電系統的情況，漂浮式發電系統與陸上發電系統的發電量比值在-0.08%到-1.48%。

綜上所述，從發電量月值數據分析，在秋冬季節，漂浮式發電系統相對于陸上發電系統的發電效率更高；在春夏季節，出現漂浮式發電系統的發電量小于等于陸上發電系統發電量的情況。現選取發電量差異較大的2017年12月和差異較小的2017年7月的數據做進一步分析。

2.2.2 2017年12月每日的發電量分析

根據圖5分析可得，12月漂浮式光伏發電系統相較于陸上光伏發電系統的日發電量增幅較明顯，增幅在-21%~30%之間，除個別天外增幅基本為正，月平均增幅為12%。

圖5 2017年12月每日發電量

2.2.3 2017年7月每日的發電量分析

根據圖6分析可得，7月漂浮式光伏發電系統相較于陸上光伏發電系統的日發電量增幅不明顯，增幅在-7%~11%之間，月平均增幅為1%。

圖6 2017年7月每日發電量

根據理論研究結果，漂浮式電站的發電效率更高是由于水體對光伏組件的運行環境有降溫的作用，而光伏組件的工作特性為：隨著光伏組件溫度的升高，輸出功率下降，晶硅光伏組件的溫度系數約-0.35%/℃。

根據試驗結果，漂浮式發電系統的發電效率呈現季節性變化，在秋冬季節具有較高的增益，在春夏季節增益不明顯。可能考慮的因素有，廣東區域夏季氣溫較高且雨水較多，水體的降溫作用相對不明顯，冬季水面降溫的效果相對明顯。由于建成的發電系統規模較小，試驗也存在誤差或受其他外界環境因素影響的可能。

3 結論

在廣東省同一地點建設1座6.3kW漂浮式光伏發電系統及1座6.3kW陸上光伏發電系統，總裝機容量為12.6kW。根據試驗數據分析，漂浮式光伏發電系統的發電效率增益呈季節性變化，漂浮式與陸上兩個發電系統的發電量比值在秋冬季有明顯差異，漂浮式系統發電量增幅最高可達在9.63%，而春夏季差異較小，兩者發電量比值最小為-1.48%，試驗結果初步判斷可能是因為廣東區域夏季氣溫較高且雨水較多，水體的降溫作用相對較少，冬季水面降溫的效果相對明顯。