關于大型水上光伏電站的技術探究

蔡偉東 彭康

摘 ?要：隨著光伏技術的不斷發展，大型光伏電站的建設已經在我國長期能源戰略中占據了重要的地位。本文從技術的角度對水上光伏電站的發展局限性進行了分析說明，并從水上光伏電站的固定方式及配套儲能技術應用等方面進行闡述，提出了解決兩大局限性的初步方案及可行性。隨著電池技術的發展，大型電池儲能工程的建設部署展望了水上光伏電站發展的未來。

關鍵詞：水上光伏電站;浮體儲能技術;電池儲能項目

中圖分類號：TM615 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）18-0030-03

Abstract：With the continuous development of photovoltaic technology，the construction of large-scale photovoltaic power plants has occupied an important position in China’s long-term energy strategy. This paper analyzes and explains the development limitations of floating photovoltaic power plant from the perspective of technology，and expounds the fixed mode of floating photovoltaic power plant and the application of supporting energy storage technology，and puts forward the preliminary scheme and feasibility of solving the two limitations. With the development of battery technology，the construction and deployment of large battery energy storage projects look forward to the future development of floating photovoltaic power plants.

Keywords：floating photovoltaic power plant;float energy storage technology;battery energy storage project

0 ?引 ?言

太陽能這種可再生能源是取之不盡用之不竭的，光伏發電以其為能源，作為我國清潔能源發電的主力軍，已經被廣泛地應用于人民的生產生活中，在長期能源戰略中具有重要地位。但因照射的能量分布密度小，要占用巨大面積，光伏電站主要在我國西北部地區，其中青海、內蒙古、新疆、甘肅等省份發展較快，據2015年統計，西北地區裝機量占總量的58%以上（如圖1所示）。這突顯了光伏發電受地域限制的問題。近幾年水上光伏電站開始在我國發展起步，成為了解決這一問題的重要方法。

本文從技術的角度對水上光伏的設備及固定方式等方面進行描述，給出初步方案，并分析其可行性。

1 ?光伏電站系統的組成

光伏電站，是指利用太陽光能，采用光伏組件活動或固定支架、光伏太陽能板、直流匯流箱、逆變器及電氣配電及控制設備等組成的發電體系，與電網相連向電網輸送電能的光伏發電系統。

1.1 ?光伏發電單元

光伏發電單元（PV Generation Unit）是由若干光伏組件安裝在光伏支架上組合成的直流發電單元，由單個光伏或多個光伏串列組成。

1.2 ?匯流箱

匯流箱（Combiner）是指將一定數量規格相同的光伏組件串聯組成若干光伏串列，再將若干個光伏串列并聯匯流后接入的裝置。

1.3 ?逆變器

逆變器（Inverter）是將匯集的直流電轉換為交流電的設備，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。

2 ?光伏發電的局限性

光伏發電存在兩大局限性：

2.1 ?分散性

太陽輻射到達地球表面的總能量很大，但是能流密度低，需要面積相當大的收集設備。受占地面積因素的影響，大型光伏電站建設受到地域的限制，制約了大型光伏電站的發展。

2.2 ?不穩定性

受晝夜交替等自然條件的限制以及陰晴云雨等隨機因素的影響，到達地面的太陽輻射能是不穩定的，并網發電時，不帶儲能裝置的光伏發電系統直接并網將給電網帶來潮汐式送電，造成電壓波動影響發電品質，如果配置大容量的化學蓄電設備，不僅將會增加成本，而且存在安全隱患和蓄電設備對環境污染的風險。其不穩定性成為了光伏電站發展的瓶頸，也意味著儲能技術的發展是光伏電站發展的重要環節和突破口。

3 ?水上光伏電站的特點

3.1 ?水上光伏電站基礎特點

水上光伏電站按基礎形式可分為樁基（樁柱式基礎）固定電站和水面漂浮電站兩種。樁基固定電站與傳統的光伏支架類似，在水下固定樁基，生產成本較高，施工難度較大，適用于水域較淺的地方。水面漂浮電站是在水面上設置漂浮模塊，將光伏組件直接固定在模塊上，或將光伏組件固定于支架上，再將支架固定在模塊上，將浮體固定于岸邊或水底，適用于水域較深的地方。大型水上光伏電站主要采用水面漂浮電站。

大型水面漂浮電站建設的主要難點是浮體的固定，風浪流及水位升降對浮體影響很大，固定不好會發生漂移或碰撞等問題。由于漂浮式光伏發電系統的光伏組件固定于水面浮體之上，不同于陸地光伏的恒定靜止狀態，須對每個標準發電單元進行風浪流模擬計算，以保證浮島的安全。其中，浮體自適應水位系統，采用在浮體邊緣上設置帶護套鋼繩加強件與地錨樁連接，錨固點按每隔6m左右設置，纜繩必須留有水面漲落差的余量，以保障水面在上下起伏的過程中浮體受力均勻、安全可靠。

漂浮系統的構成：主浮體（支撐光伏組件及電氣設備）、過道浮體（電纜及連接運維）、連接浮體（加長連接）及連接銷等。下面以實際工程進行舉例說明：

某裝機190MW水上光伏電站科研項目，由8個18.514 MWp和2個21.066MWp的浮島構成。其中18.514MWp浮島由400Wp單晶雙玻組件46284塊組成，每串由2×14塊構成，共1653串，分組匯入108面匯流逆變箱（容量180kW），再將每18面匯流逆變箱分成2組接至3000kVA三繞組變壓器的低壓側繞組。變壓器將電壓升至33kV送入岸邊配電室，再升壓送至電網。需要主浮體50824塊、過道浮筒25955塊、短浮筒26069塊及連接銷和自攻釘若干，每個浮島占水面面積約16公頃（329.3m×496.5m），各浮島間間距100m，占水面總面積150公頃。浮體施工時一般在陸地上進行組裝，為便于組裝、吊運，一般將每20m×20m作為一個安裝單元，用連接銷錨固好后拖入水中，完成單個浮島的所有浮體組裝后，進行組件、匯流逆變器箱、變壓器及電纜的固定與安裝。注意在電纜施工中，組件側電纜接頭應最后連接，以防觸電事故的發生。

考慮浮島面積超大，浮島發生漂移后會與附近浮島或其他物體相互碰撞，除考慮在浮體上設置鋼絲與水底暗樁連接固定外，也在每個浮島上設置一套衛星定位系統，并在浮島四周每間隔60m設置一套水下馬達驅動系統，實現每個浮島的位置和安全距離的實時監控和調整。

3.2 ?水上光伏電站發電能效的特點

光伏發電組件是光伏發電技術的核心部件，分為單晶、多晶，單玻、雙玻，單面、雙面等，水上光伏系統多采用單晶雙面雙玻組件。如表1所示，水表面的反射率是0.69%，比陸地上高出了將近6倍，經過試驗，水上光伏發電與屋頂及陸地相比可增加5%～15%的發電量。

水面上環境溫度較低，有利于光伏組件的散熱。在光伏組件溫度升高時其開路電壓下降，輸出功率減少，測算表明，組件溫度每降低1℃，輸出功率增加0.5%。水面良好的散熱效應可有效提高組件的發電量，創造更高的經濟效益。

另外水上光伏還具有組件覆蓋水面，可減少蒸發節約水資源;組件清洗便捷維護費用降低及利于水下養殖等眾多優點。

4 ?水上光伏電站結合新型儲能技術的展望

隨著水上光伏各項技術的不斷創新，大型光伏電站的發展勢不可擋，這也給電網的穩定運行帶來了諸多挑戰。由于光伏發電具有不穩定和間歇性的缺點，電能在遠距離輸送中會引起潮流的變化，將會增加電網的電壓控制難度，所以電力系統需要有足夠的備用容量來進行調節，我國一般采用相應的火電機組承擔調節功能，這樣不但會消耗煤炭、油氣等能源，還會造成環境污染、增加排放。儲能技術可有效抑制光伏功率波動，增強大型光伏發電可控性，提高光伏發電的并網接入能力，因此在大型光伏電站系統中，配置儲能裝置的技術已慢慢浮出水面。

目前存在抽水儲能、海水儲能、壓縮空氣儲能及鹽穴儲能等多種儲能技術。

抽水儲能是利用過剩電力，將作為液態能量媒體的水從下水庫（低標高）抽到上水庫（高標高），電網峰荷時上水庫中的水回流到下水庫推動水輪機發電機發電。作為大型水上光伏電站的配套儲能裝置，可捕獲白天在電站產生的多余太陽能，并可在下午晚些時候和傍晚釋放電力，保證光伏電站穩定運行。海上光伏也可以與海水的潮汐能量或海水儲能技術結合相互補充，實現并網穩定運行。

壓縮空氣儲能技術是以空氣為能量載體，利用光伏或風電過剩的電力將空氣壓縮并儲存在一個大型容器或地下的結構中（如地下鹽穴），當光伏或風電發電條件受限時，需再將壓縮空氣與天然氣混合，燃燒推動燃氣輪機發電。因為需要大的空間作為存儲壓縮空氣使用，但要想創造或尋找這種空間卻非常困難，導致其應用非常有限。另外空氣在壓縮過程中會釋放出熱量，熱量無法進行存儲，通過冷卻消失掉了，而壓縮的空氣在與可燃性氣體燃爆前還需要進行加熱。因此此種儲能技術效率較低，一般不被選用。

此外還有電池儲能，如果大型電池計劃在未來成為可能，將引發一場新能源的革命。美國Vistra Energy公司目前在加利福尼亞的Moss Landing發電廠部署了一個容量為300MW/1200MWh的電池儲能項目，計劃于2020年第四季度投入商業運營，其采用的是儲能鋰電池。鋰離子電池實際上是一個鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物構成。充電時，Li+離子從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，此時負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態;放電時則相反，Li+離子從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態，負極處于貧鋰態。鋰離子電池的效率可達95%以上;放電時間可達數小時，循環次數可達5000次或更多，響應快速;鋰離子電池是電池中比能量最高的實用型電池，有多種材料可用于它的正極和負極，因此可以將鋰離子電池分類為鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池、鈦酸鋰鋰離子電池等，這有利于它的發展。電池儲能項目的建設標志著大型水上光伏電站項目的儲能配套設施已進入了新的發展階段。

5 ?結 ?論

綜上所述，隨著水上光伏電站各項技術的不斷發展，并依據當地環境的具體情況配以合理的儲能裝置，大型光伏電站的兩大局限性將被徹底打破，成為一種大規模的清潔長效能源，為地球的發展提供動力，為我們美好的明天服務。

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作者簡介：蔡偉東（1980-），男，漢族，河北霸州人，設計師，工程師，學士學位，本科，研究方向：光伏發電;彭康（1991-），男，漢族，陜西西安人，設計員，碩士，碩士研究生，研究方向：土建結構。