水上光伏電站現狀及“一帶一路”干旱區新模式

胡洪浩 侍克斌 毛海濤 劉陽

摘?要：近年來，水上光伏電站作為光伏發電新形式取得了一定的發展，尤其是在水資源豐富地區發展勢頭強勁，但在干旱地區還未得到大力推廣。我國倡導的“一帶一路”中的古絲綢之路沿線國家大多處于干旱和半干旱地區，推廣和發展水上光伏電站，具有廣闊的前景。本文總結了水上光伏電站的發展現狀，并對其發展現狀及優勢進行評述，深入分析“一帶一路”沿線的“中國—中亞—西亞經濟走廊”大多數國家的年降雨量、年蒸發量及夏秋季節平均日照時間，探討得出干旱區與半干旱區具有降水少、蒸發損失大、光能資源豐富的特點，水上光伏電站在干旱區與半干旱區具有較好的發展前景。結合干旱區與半干旱區特點，應用光伏發電技術與防蒸發技術，提出一種適用于干旱區與半干旱區“產能”“節水”“控鹽”為一體的水上光伏電站新模式。

關鍵詞：水上光伏電站;一帶一路;干旱區;綜合效益;新模式

中圖分類號：TM615?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.026

Abstract：The floating photovoltaic power station which is served as a new type of photovoltaic power generation has achieved certain developments in recent years， especially in those areas with abundant water resources， however， its application in arid areas has not been widely popularized. The countries along the ancient Silk Road in the “The Belt and Road” initiated by China are mostly situated in arid and semi-arid regions. If the floating photovoltaic power stations can be popularized and developed， which would bring a broad development prospect and practical significance. This paper summarized the development status of floating photovoltaic power station at home and abroad， and made a comment about its current situation and advantages. According to an elaborate analysis of the annual precipitation， evaporation and average sunshine time in most countries along the route of “The Belt and Road” of China， central Asia and west Asian economic corridor， it proved that the arid and semi-arid areas had the characteristics of less precipitation， large evaporation loss and abundant light energy resources， which pointed out that water photovoltaic power station had great prospects for development in the arid and semi-arid areas. Combined with the characteristics of the arid and semi-arid areas， photovoltaic power generation technology and anti-evaporation technology， a new type of water photovoltaic power station consisting of capacity， water conservation and salt-controlling was proposed， which was applicable to arid and semi-arid areas.

Key words： floating photovoltaic power station on water; The Belt and Road; arid region; comprehensive benefits; new model

近年來，隨著能源危機的加劇，可再生能源在世界各地迅速發展，太陽能具有清潔、無害、持續、長久的特點，使其在可再生能源中占據重要地位[1-2]。由于太陽能的使用通常是通過光伏系統來實現，光伏組件是可再生能源領域最可持續、最有效、最環保的產品之一[3-8]，因此光伏產業得到了蓬勃發展。傳統地面光伏電站的推廣受到用地面積的嚴重制約，根據已有資料估算，理論上傳統光伏電站要達到1萬 kW·h的發電量需要占用100 000 m2的土地[9]，而且部分光伏電站為了減少光伏組件間的陰影效應，還需要加大各電池板之間的間距，這導致傳統光伏電站的占地面積更為龐大。為了解決土地資源稀缺和大規模發展光伏電站之間的矛盾，水上光伏電站應運而生。

目前，在水資源豐富的地區建設水上光伏電站已有不少成功案例，但在干旱與半干旱地區幾乎還未涉及該領域，我國倡導的“一帶一路”中的古絲綢之路沿線國家大多處于干旱與半干旱地區，年降雨量少，蒸發強烈，水資源匱乏，光能資源豐富，結合干旱地區氣候特點，因地制宜地發展水上光伏電站具有重要的研究價值與現實意義。筆者針對“一帶一路”沿線干旱地區特點，以期充分發揮水上光伏電站的優勢，探索出一條適合干旱與半干旱地區的水上光伏電站發展新道路，為國家倡導的“一帶一路”發展戰略，共同打造政治互信、經濟融合、文化包容的利益共同體、命運共同體和責任共同體貢獻力量。

1?發展現狀

1.1?國外發展現狀

水上光伏電站在國外發展較早，日本、印度、韓國、新加坡、英國、美國、巴西、澳大利亞等國家已經成功建成水上光伏發電站[10-11]。2007年，美國SPG公司在加州的某池塘里成功建成水上太陽能陣列項目，裝機容量為400 kW;2011年，英國設計師菲爾-波利提出建造漂浮式太陽能電池，將漂浮在海面上的太陽能電池連接在一起，形成一個龐大的網狀結構，隨著浮力在水面上起伏，同時收集產生的波能;2012年，挪威船級社的研究人員提出了動態漂浮式海上太陽能發電陣列概念，用4 200個560 W的薄膜太陽能電池板組成一個2 MW的六邊形單元陣列，然后將多個單元連成一個整體，形成光伏電站，裝機容量為50 MW;2013年，日本的West Holding集團在埼玉縣通川市建成容量為1.18 MW的水上光伏電站，該項目總投資達35 000萬日元;2014年，英國伯克郡某農場建成英國第一座水上漂浮式電站，該項目共使用800塊太陽能組件，容量為200 kW;2015年，日本大阪岸和田市成功建成1座容量為1.7 MW的水上漂浮式光伏電站，該項目總投資約為5億日元。

1.2?國內發展現狀

水上光伏電站在國內起步較晚，近年來，安徽、江浙、河北等地相繼開始發展水上光伏產業[12-13]，但距大規模開發與應用還有一定的距離。2015年，中國首座漂浮式光伏電站在湖北省棗陽市熊河水庫建成，總投資約為1 038萬元，總裝機容量為1 200 kW，已于2016年年初建成投產，該項目的成功建成標志著我國水上漂浮式光伏電站已經起步;2015年，信義光能控股有限公司在安徽省蕪湖市建成1座容量為50 MW水上光伏電站，該項目為試驗性項目;2015年至2016年，信義光能控股有限公司在安徽省淮南市建成當時全球第一個單體容量達20 MW的水上光伏電站，于2016年3月3日并網運行;2016年，天合光能有限公司在安徽省淮北市建成1座單體容量為17 MW的水上光伏電站，該項目建于采煤沉陷區水面上，為采煤沉陷區水面的綜合治理和開發利用開辟出一條新的道路;2017年，浙江省寧?？h三門灣現代漁業園區建成容量為99 MW的“漁光互補”光伏電站，是目前全國最大的海水養殖“漁光互補”光伏發電項目。

1.3?國內外發展現狀評述

水上光伏電站按基礎形式主要分為樁基固定電站和水面漂浮電站兩種[14]。樁基固定電站適用于較淺水域，其光伏組件支撐于支架上，支架固定于樁基上，基礎形式與傳統地面光伏電站相同;水面漂浮電站適用于較深水域，光伏組件及相關設備主要由塑料浮體產生的浮力所承受，浮體可以固定于岸邊或水底。

水上光伏電站的浮體材料主要采用聚乙烯（PE），其優點是抗風浪、抗凍脹、低密度、耐腐蝕性較強、可重復利用;缺點主要是易燃、易熱氧化、易光氧化、易受臭氧及紫外線分解，支架浸泡在水中易被腐蝕，尤其是所在水域的礦化度較高時腐蝕更為明顯。

目前，水上光伏電站尚處于示范階段，距大面積、大規模開發利用還有一定距離，主要存在如下問題：

（1）浮體材料采用聚乙烯，在紫外線長期輻射下會發生嚴重脆化，延展性顯著降低[15-16]。

（2）材料安全方面的問題需要解決。光伏電站建于水上，在發電過程中可能出現線路短路，引起短路起火;大面積的光伏電站暴露在水面上，容易遭受雷擊[17]，雷電產生的閃電感應可能造成水上光伏系統金屬組件之間產生火花放電，進而引發火災。上述兩種情況都有可能引起聚乙烯浮體材料大面積燃燒，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。

（3）光伏組件在長期潮濕環境和極端天氣下的可靠性、浮板的承載能力和使用壽命等問題還有待解決。

（4）在干旱與半干旱地區，受基礎形式的限制，水上光伏系統在抑制水面蒸發方面還有所欠缺，不能同時滿足節水與發電，如何平衡抑制水面蒸發與光伏發電還需要進一步研究。

（5）產生的電能利用廣度不夠，可以進一步利用電能進行水質改善，如含氧量、礦化度等。

2?水上光伏電站的優勢分析

2.1?節約土地資源

我國人多地少，土地資源稀缺，與常規地面光伏電站相比，水上光伏電站可有效減少對草地、林地、耕地等土地的侵占，從而規避土地稀缺的限制，加強土地的綜合利用。在眾多水面上都可以安裝水上光伏系統，如海洋、湖泊、河流、水庫、池塘、蓄水池等。

2.2?發電效率提高

與傳統的地面光伏電站相比，水上光伏電站在發電效率方面占據一定的優勢。水面地勢開闊，能有效降低陰影對光伏發電效率的影響，使得日照面積均勻且接受光照時間更長;當太陽能電池溫度升高時會導致光電轉化效率顯著降低[18]，水上光伏系統依托水面而建，水對太陽能電池板有冷卻效應，從而有效提高了光電轉化效率，獲得比同地區傳統地面光伏電站更多的電量[19]。

光伏電站在運行期間，電池板表面會累積粉塵，這些粉塵會反射、散射和吸收太陽輻射，使得面板的有效太陽輻射降低，輸出功率也隨之降低[20]。同時，聚集的灰塵有部分成分具有腐蝕性，導致光伏電池板變得不平整且升溫更快，進一步降低光電轉化效率。建于水面之上的光伏電站集塵較少，且光伏組件清洗便利，有效減小粉塵對發電效率的不利影響。除此之外，水面反光使得水面光伏系統的總輻射量大于地面光伏系統，進一步提高了光伏電站的發電量。

在非干旱區，陸地灌木和草叢會遮擋陽光，干旱區、半干旱區沙塵較多，均會降低發電效率，增加管理難度與維護成本。

2.3?防蒸發節水

水上光伏電站的光伏組件覆蓋于水面上，能夠大幅度減小風速對水面的影響，同時太陽能電池板能夠吸收大部分太陽輻射，有效降低水體與外界環境的熱交換，達到抑制水面蒸發、節約水資源的目的，也降低了到達水體的光照強度，減少藻類光合作用，一定程度上能夠抑制藻類繁殖。

對于干旱區與半干旱區的平原水庫，蓄水量會因水體蒸發而減小，蒸發作用利于鹽分濃縮，導致水體的礦化度提高，對水質有不利影響且使下游灌區土壤鹽漬化程度加劇。光伏組件能夠抑制水面蒸發，相當于增加了蓄水量，對降低水體礦化度有一定的幫助。

2.4?開發新模式

兩淮地區因大量開采煤礦導致地表塌陷，形成采煤沉陷區，采煤沉陷區一般地勢較低，通常處于積水狀態，這對生態環境和水文地質環境造成了極大的影響。2015年相關專家提出在采煤沉陷區水面上建造光伏電站，將水上光伏發電系統與采煤沉陷區水面綜合治理相結合，探索出一條新的治理采煤沉陷區道路。

在水資源相對豐富地區，可將漁業養殖技術與光伏發電技術相結合，在魚塘上面建立水上光伏電站，在發電板下方水域進行魚蝦養殖。在深水區還可運用漂浮式發電單元作為網箱，形成“水下養魚，水上發電”的水上光伏發電新模式，實現“一地兩用”，使光伏產業與水產養殖業能夠相互支撐、共同發展。

綜上所述，水上光伏電站較傳統地面光伏電站優勢顯著，但由于地理位置、氣候特征的差異，因此建設水上光伏電站選址不同，能夠發揮的優勢以及產生的綜合效益也不同。在非干旱地區，水資源充足，水上光伏電站以發電為主，但在干旱與半干旱地區，可考慮將產能、防蒸發節水以及控鹽相結合，因地制宜地發展水上光伏電站，將社會經濟效益最大化。

3?“一帶一路”干旱區水上光伏電站發展前景分析

中國倡導的“一帶一路”中“絲綢之路經濟帶”的“中國—中亞—西亞經濟走廊”沿線國家多為亞歐大陸性氣候，處于干旱、半干旱地區，水資源匱乏，經濟社會發展受到較大制約。同時，水庫、湖泊受氣候影響，年均蒸發量大，水資源有效利用率低。此外，沿線國家太陽能資源十分豐富，具備布設太陽能光伏發電組件的優越條件。

“一帶一路”沿線各國大多屬于內陸干旱區，與我國西北地區情況基本一致。這些區域多數國家年均降雨量小，年均蒸發量大。統計各國水文資料得到不同國家年均降雨量，見表1。

由表1可知，“一帶一路”沿線大多數國家年均降雨量低于400 mm，水資源匱乏，嚴重制約著當地經濟社會的發展。此外，受大陸干旱區氣候的影響，這些國家年均蒸發量大，見表2。

由表2可知，上述各國年均蒸發量大都大于1 500 mm。對比表1和表2可知，“一帶一路”沿線各國年均蒸發量明顯高于年均降雨量。以以色列為例，年均降雨量為400～800 mm，年均蒸發量為2 500 mm，蒸發量與降雨量的差值為1 700～2 100 mm。由此可見，“一帶一路”沿線各國水資源匱乏，并且在干旱區蒸發作用強烈，導致水體鹽分濃縮提高，水體的礦化度增加，水質下降。

各國為了滿足用水需求，興建了大量的平原水庫等水利工程，但這些水利工程的特點是面積大、水深小、壩線長、地基處理標準低。以中國新疆為例，在已建的466座水庫中，絕大多數為平原水庫，大多數座落在粉砂土、砂壤土、壤土或黏土等深厚地基上，并用這些土料筑壩。這些水庫的總庫容約為59.3億m3，水庫水面面積約為2 000 km2，平均水深為2.97 m，根據已有研究成果估算，水庫的年蒸發量為26.1億m3，水庫蒸發量約占水庫總庫容的44%。

“一帶一路”沿線各國年降雨量小、蒸發量大，但太陽能資源豐富，各國夏秋季節平均日照時間見表3。

由表3可知，哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦夏季和秋季平均日照時間最長，為15 h;沙特阿拉伯、也門、阿曼、阿聯酋、卡塔爾、科威特、巴林、埃及的日照時間最短，為13 h;各國夏季和秋季平均日照時間為13.73 h，日照百分率為57.2%。由此可見，“一帶一路”沿線各國的夏季和秋季日照時間長，太陽能資源豐富，若能加以利用，能帶來可觀的經濟效益。干旱、半干旱地區的太陽能資源十分豐富，仍以新疆為例，年日照時數為2 550～3 500 h，日照百分率為60%～80%，年輻射總量達5 430～6 670 MJ/m2，比我國同緯度地區高10%～15%。

綜合干旱區降水少、蒸發損失大、光能資源豐富的特點，在干旱區、半干旱區發展集節水與發電為一體的水上光伏電站具有較大發展前景。

4?“一帶一路”沿線干旱區水上光伏電站新模式研究及效益分析

4.1?水上光伏電站新模式研究

針對“一帶一路”沿線干旱區水資源匱乏、蒸發損失量大、太陽能資源豐富等特點，可將防蒸發節水技術與光伏發電技術相結合，實現“產能”“節水”“控鹽”為一體，開發適用于干旱與半干旱區的水上光伏發電新模式。

從一些干旱地區平原水庫防蒸發節水文獻和試驗成果可知[21-23]，抑制水面蒸發的覆蓋材料多以輕質固體漂浮物為主，如苯板、PVC浮板、PVC浮球、PE浮球等，并用浮箱、浮球或浮筒攔飄帶將其圍護起來，如圖1和圖2所示。圖1為PE浮球防蒸發結構在水庫現場的布置圖，該結構在新疆吐魯番地區每年每平方米可節水2.0～2.2 m3;圖2為PVC泡沫浮板（群板）在新疆阜康“500”水庫試驗情景，單板和群板每年每平方米分別可節水1.2、1.8 m3。若能在建成的水上光伏電站基礎上，將空余暴露在空氣中的水面鋪上輕質固體漂浮物就可以做到“產能”“節水”“控鹽”一體化。

不同基礎形式的水上光伏電站，防蒸發材料可采用不同的布置方式。對于樁基固定電站，當鋼樁和預制樁固定以后，用較為經濟的漁網在樁之間設置攔飄帶，在每兩排樁的樁間用漁網包圍，將整個水上光伏電站劃分為若干個矩形圍欄單元，在圍欄單元中鋪設防蒸發材料，為了便于維修人員進行光伏組件的維護與檢修，需要預留部分空間;對于水面漂浮式電站，當浮箱固定后，各浮箱會構成圍欄單元，同時浮箱也可供人行走，無需為光伏組件維護與檢修預設通道，可直接在各浮箱構成的圍欄內鋪設防蒸發材料。

按干旱地區新模式建成的水上光伏電站，在防止水分蒸發的同時利用太陽能發電，能節約大量水資源并產生清潔電能，綠色環保無污染，符合綠色可持續發展理念，從根本上解決干旱地區平原水庫蒸發量大的問題，同時還能改善水質，降低水體礦化度，并在一定程度上抑制浸泡于水中的系統組件的腐蝕，增加其使用壽命。

4.2?水上光伏電站新模式效益分析

新疆地處歐亞中部，與俄羅斯、哈薩克斯坦、塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦等國家接壤，在“一帶一路”中的“絲綢之路經濟帶”上的區位優勢十分明顯，逐漸成為中國與“絲綢之路經濟帶”沿線國家聯系的重要樞紐。以新疆某水庫為效益分析實例，探究水上光伏電站新模式在“一帶一路”沿線干旱地區的綜合效益。

新疆某典型的干旱地區平原水庫是一座防洪、灌溉、養殖綜合利用的水庫，正常蓄水位水庫水面面積為2.25 km2。該水庫各月份的水面面積、區域實測的平均太陽輻射量、最佳安裝傾角和溫度修正系數見表4。擬采用干旱地區水上光伏發電新模式，其中光伏系統采用漂浮式基礎，電池組件采用多晶硅，其轉化效率取9%，封裝因子Fp與積塵因子Fs分別為0.82、0.97，光伏組件覆蓋率為70%，削減水面蒸發的覆蓋材料采用苯板，試計算干旱地區水上光伏電站新模式年發電量與節水量，并進行綜合效益分析。

4.2.1?年發電量計算

電池列陣采用多晶硅，每月的發電量WA可用如下公式進行計算：

式中：Is為月太陽能輻射總量;ηm為組件效率;Ft為效率的溫度修正系數;Fp為整列的封裝因子;Fs為陣列表面的積塵因子;A為組件表面積;β為電池安裝傾角。

按式（1）進行發電量計算，結果見表5。年發電總量為32.72萬kW·h。目前，每發1萬kW·h電耗煤量約為3.9 t，燃燒1 t煤產生CO2、SO2、NOx分別約為2.6、0.008 5、0.007 4 t[24-25]。若采用干旱地區水上光伏發電新模式，每年將節約127.608 t煤，減少CO2 約85.072 t、SO2約1.084 t、NOx約0.944 t，具有較好的環境效益。

4.2.2?年節水量計算

可根據20 cm蒸發皿進行實測，然后根據折算系數得出大水體的水面蒸發量，其中折算系數為0.61。

水庫庫面蒸發量可由下式進行計算：

式中：WRZ為水庫日蒸發量，萬m3;Es為大水體水面蒸發量，mm;As為日平均水庫水面面積，km2。

大水體水面蒸發量可由下式進行計算：

式中：Ky為各月20 cm蒸發皿與E601型蒸發皿折算系數;E20為20 cm蒸發皿觀測值，mm。

根據實測資料，由式（2）、式（3）計算出水庫蒸發量，變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，水庫水面月蒸發量變化規律大致類似于開口向下的拋物線，其中7月為對稱軸，4—7月和7—10月分別呈上升和下降趨勢，每年11月至來年3月水庫處于冰凍期，可忽略其蒸發量。庫面年總蒸發量為74.30萬m3，采用干旱區水上光伏電站新模式，并按水庫70%的覆蓋率進行覆蓋，每年節水量為52.01萬m3。

4.2.3?控鹽效益分析

干旱地區強烈的蒸發作用導致鹽分濃縮，水體的含鹽量增加，若采用“一帶一路”沿線干旱地區水上光伏電站新模式，能減少大量水體蒸發，有效抑制鹽分濃縮作用，水體礦化度也隨之降低，同時也能夠減少水體中懸浮物，避免滴灌時水體中懸浮物含量過大堵塞滴頭，為滴灌的順利進行提供一定的保障。水體的含鹽量可用水體的導電率表征，利用FD-LCM-A液體電導率測量實驗儀測量水體電導率，可精確測算出水體含鹽量變化情況。

由此可見，采用集“產能”“節水”“控鹽”為一體的干旱地區水上光伏發電新模式，能夠產生可觀的清潔能源，具有良好的環境效益和經濟效益，能夠削減水面無效蒸發，達到干旱地區高效用水、節水的目的，同時降低水體礦化度，避免造成下游灌溉區農田鹽堿化。

5?結?語

水上光伏發電是光伏產業發展的趨勢，結合水上光伏電站的優勢，在非干旱地區，水上光伏電站以發電為主，也可考慮將光伏發電與漁業養殖相結合，形成“一地兩用，漁光互補”的水上光伏發電新模式，實現水產養殖與光伏發電的領域共享。

在干旱與半干旱地區，充分考慮干旱地區的特點，水上光伏電站可將光伏發電技術與防蒸發節水技術相結合，形成集“產能”“節水”“控鹽”為一體的干旱地區水上光伏發電新模式，這不僅可以解除土地因素的束縛，拓寬光伏發電的應用，同時還能提高發電量、抑制水面蒸發和保護水資源。

若能將此新模式在“一帶一路”沿線國家乃至整個干旱地區進行推廣，將會產生巨大的社會、經濟及環境效益，緩解水資源匱乏問題，為工農業發展提供清潔電能，實現綜合效益最大化。

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