水上光伏電站新模式下不同材料節水效益研究

胡洪浩 侍克斌 毛海濤 石祥 肖建

摘 要：為了有效結合光伏發電技術與防蒸發節水技術，選出一種綜合效益更高的防蒸發材料，以節水效益為切入點，以干旱區水上光伏電站新模式最小單元體為研究對象，利用苯板、PVC浮板以及PE浮球作為防蒸發材料，對新模式節水效益進行研究，并進行投資回收期分析。結果表明：按照干旱區水上光伏電站新模式結構形式布置，在水面覆蓋1 m2苯板、PVC浮板以及PE浮球年節水效率分別為95.92%、96.59%、83.18%;苯板的投資回收期最短，為1.59 a/9.57 a（節水用于工業/農業），綜合考慮節水效率及經濟性，最終選用苯板作為干旱區水上光伏電站新模式防蒸發材料。

關鍵詞：防蒸發材料; 水上光伏電站; 蒸發抑制率; 節水效益;干旱區

中圖分類號：TU991.64文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.014 引用格式：胡洪浩，侍克斌，毛海濤，等.水上光伏電站新模式下不同材料節水效益研究[J].人民黃河，2021，43（1）：72-76，81.

Study on Water Saving Efficiency of Different Materials Under the Conditions of

New Mode of Water Photovoltaic Power Station

HU Honghao1， SHI Kebin1， MAO Haitao2， SHI Xiang1， XIAO Jian3

（1.School of Water Conservancy & Civil Engineering， Xinjiang Agriculture University， Urumqi 830052， China;

2.College of Civil Engineering， Chongqing Three Gorges University， Chongqing 404100， China;

3.Water Management General Station of Gaochang District of Turpan， Turpan 838000， China ）

Abstract： In order to effectively combine photovoltaic power generation technology with anti-evaporation and water-saving technology and select a kind of anti-evaporation material with higher comprehensive benefits， taking water-saving benefit as the starting point， this paper took the smallest unit of the new model of photovoltaic power station in arid area as the research object， and used benzene plate， PVC float plate and PE float ball as anti-evaporation materials to study water-saving benefits of the new model， and carried out an analysis of the payback period of investment. The results show that according to the layout of the new model structure of photovoltaic power station on water in arid area， the annual water saving efficiency of covering 1 m2 benzene plate， PVC floating plate and PE floating ball are 95.92%， 96.59% and 83.18% respectively. The shortest payback period of benzene board is 1.59 years/9.57 years（save water for industry/agriculture）. Considering the water-saving efficiency and economy， the benzene plate is finally selected as the evaporation-proof material for the new model of photovoltaic power plants in arid areas.

Key words： anti-evaporation material; water photovoltaic power station; evaporation inhibition rate; water-saving efficiency; arid area

為了應對日益嚴重的能源危機，尋找新的可替代能源迫在眉睫[1]。目前，太陽能、水能、風能等可再生能源的開發利用成為化石能源的有效補充，緩解了化石燃料燃燒帶來的環境問題。其中，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，開發潛力巨大[2-3]，因此光伏產業得到迅猛發展。隨著光伏領域的拓展，水光互補、漁光互補等生態發電新模式逐漸成為研究重點，光伏發電板的布設地點由陸地逐漸向水域轉移，形成水上光伏發電系統[3-7]。水上光伏發電是光伏產業發展的趨勢，但在干旱區與半干旱區剛剛起步。鑒于干旱區與半干旱區降水少、蒸發損失大、光能資源豐富的特點，可將光伏發電技術與防蒸發節水技術相結合，形成具有地域特色的水上光伏發電新模式，實現發電、節水、控鹽3種效益并舉，有廣闊的發展前景。

目前，防蒸發節水技術主要有化學試劑覆蓋法、水生植物覆蓋法以及物理覆蓋法等。其中，物理覆蓋法備受關注，前人對此作了大量研究，例如：2002年侍克斌[8]提出內陸干旱區平原水庫防蒸發節水方法;2004年嚴新軍等[9]提出采用苯板覆蓋抑制水面蒸發，并對其在風浪中受力情況進行了研究;2013年Alam等[10]分別用單、雙層棕櫚葉進行防蒸發試驗研究，結果表明單、雙層棕櫚葉對水面的蒸發抑制率分別為47%、58%;2015年李存立等[11]利用不同厚度的PVC浮板在水庫現場進行了防蒸發試驗，結果表明蒸發抑制率隨浮板厚度增加而增大;2016年唐凱等[12]采用苯板覆蓋20 m2蒸發池進行抑制水面蒸發試驗，結果表明苯板覆蓋水面的平均抑制率為51.25%;2017—2018年韓克武等[13-14]采用PE浮球對水庫靜水水面進行防蒸發研究，得出浮球覆蓋率為91%時的蒸發抑制率為89.60%，浮球覆蓋面積為 1、2、3、4 m2時的節水效率分別為 62.93%、65.16%、67.77%、70.00%。鑒于材料的綜合性能，目前用于干旱區平原水庫的防蒸發節水材料主要有苯板、PVC浮板以及PE浮球等，這3種材料各有優劣，所產生的節水效益也有所差異，上述學者在研究其防蒸發節水效益時尚未考慮與光伏發電技術相結合，當兩者結合時，光伏發電系統對不同防蒸發材料的節水效益如何還有待進一步研究。因此，筆者以節水效益為切入點，利用苯板、PVC浮板以及PE浮球作為防蒸發材料開展研究，以期探明不同材料對干旱區水上光伏發電新模式節水效益的影響規律，從而選出一種綜合效益更高的防蒸發材料，為在干旱區因地制宜發展水上光伏發電提供參考。

1 干旱區水上光伏電站新模式結構形式

水上光伏電站按基礎形式可分為樁基固定式與水面漂浮式，如圖1、圖2所示。

圖2 水面漂浮式本試驗采用水面漂浮式光伏系統，當浮箱固定后，直接在各浮箱構成的圍欄單元內鋪設防蒸發材料，實現產生電能與抑制水面蒸發并舉，同時有效抑制鹽分濃縮，降低水體礦化度。該結構形式充分結合干旱區與半干旱區特點，利用光伏發電技術與防蒸發節水技術，形成一種集發電、節水、控鹽為一體的水上光伏發電新模式。

2 研究區概況及材料性能

2.1 研究區概況

研究區位于天山東部山間盆地吐魯番市勝金鄉境內，屬典型的大陸性干旱荒漠氣候區，以干旱少雨、氣溫高、多大風為主要特點。1—2月為冰凍期，3—12月為非冰凍期，多年平均降水量16.2 mm，多年平均水面蒸發量為2 845 mm。多年平均氣溫14.1 ℃，7月平均氣溫最高（32.6 ℃），極端最高氣溫為49.6 ℃，35 ℃以上的高溫天氣可持續160多 d。多年平均風速為2.2 m/s，最大風速25.0 m/s。

2.2 材料性能

水庫防蒸發材料應滿足合適的密度、足夠的強度、憎水、無毒、 耐久性好等要求。本試驗選用苯板、PVC浮板以及PE浮球作為抑制蒸發材料，同時PE浮箱也可作為一種防蒸發材料。各防蒸發材料物理參數見表1。

唐凱[15]通過試驗研究了苯板覆蓋于水中對水質的影響，定量測定了水體的pH值、懸浮物、總鹽、氯化物、硫化物等指標，結果表明：覆蓋苯板對水質的影響不大，對降低懸浮物和總鹽量有較為明顯的作用，苯板覆蓋率為100%相比無苯板覆蓋，懸浮物和總鹽量分別降低了67.1 %和17.3%。PE材料、PVC材料以及苯板有較好的耐久性，不會對周圍水體造成污染，三者作為抑制蒸發材料各有優劣。苯板較輕，價格便宜，但抗彎折能力較弱，在風浪作用下很容易折斷;PVC浮板較重，價格較高，但抗剪強度較大，在風浪作用下不易被破壞。苯板和PVC浮板都是塊狀材料，在風浪作用下易發生塊體相互重疊，在發生強風時甚至會被刮至水庫岸坡，出現聚集、擱淺的現象。PE浮球因撞擊、摩擦而造成材料的自身磨損相對較輕，并且會因球形結構和自身重力作用而不被刮離庫外，但價格相對較高。

2.3 現場布置

現場布置選在水庫四周開闊、受光良好的水域進行（見圖3）。取干旱區水上光伏電站新模式的一個最小單元體作為研究對象，該單元體由浮箱平臺、光伏發電系統以及防蒸發材料（分別為苯板、PVC浮板、PE浮球）3部分組成。先將12個PE浮箱相互連接作為浮體基礎，再將光伏電板與支架連接后固定于浮箱平臺上，然后在浮箱中間的水面鋪設防蒸發材料，形成了一個4 m2的單元體，用繩索將其固定于岸邊。

3 數據整理及分析

3.1 風速采集及分析

利用NK5500手持氣象儀，采集研究區一個完整非冰凍期的氣象數據，對不同風速出現的天數進行統計，并計算其出現的頻率，見表2。可知：2、3級風出現的頻率較高，風速為1.6～5.4 m/s，占整個非冰凍期的84.30%，1級與5～11級風出現的頻率較低，風速在10.8 m/s以上的天數很少。

3.2 潤濕率計算及分析

觀測記錄不同風速下研究單元體各防蒸發材料的潤濕面積S（不含靜水中水面以下的防蒸發材料的表面積），求和得出防蒸發材料在風浪作用下潤濕的總面積S1。潤濕率α是指在一定風速下各防蒸發材料潤濕的總面積S1占各材料水面以上總面積S0的百分比：

α=S1S0（1）

不同風速下浮箱圍欄以及不同防蒸發材料潤濕率見表3。

由表3可知：浮箱圍欄、苯板、PVC浮板以及PE浮球的潤濕率均隨風速增大而增大。當風速為0～3.3 m/s時，形成波浪的能量較小，圍欄內各種防蒸發材料覆蓋下的水面可視為靜水狀態，各防蒸發材料的潤濕率為0。隨著風速逐漸增大，形成波浪的能量也增大，波浪拍擊在浮箱上濺濕的高度增加，使浮箱外側的潤濕面積增大，當風速超過10.8 m/s 時，浮箱圍欄潤濕率達到最大（20%）。苯板、PVC浮板以及PE浮球的潤濕率隨風速增大的總體變化趨勢相近，當風速小于8 m/s時潤濕率隨風速增大的變化速率較慢，當風速大于8 m/s時各種防蒸發材料的潤濕率曲線越來越陡，尤其是當風速大于10 m/s時，各種材料的潤濕率增大速度極快。原因是風速較小時，浮箱與光伏系統的重力勢能較大，浮箱吃水深度較深，整體穩定性較好，浮箱圍欄對波浪的消減作用較大，圍欄內的浮板或浮球受波浪的影響較小，因而潤濕率變化速度較慢;風速超過8 m/s時，浮箱與光伏系統的重力勢能對波浪的消減作用減小，圍欄內的防蒸發材料受波浪的影響較大，當風速繼續增大時潤濕率變化速度加快。當風速超過10.8 m/s時，苯板、PVC浮板以及PE浮球潤濕率達到最大，分別為17%、14%、15%，相差不大。PVC浮板潤濕率最小的原因是其質量較大，在隨波浪起伏時相對較為穩定;苯板較輕，在風浪作用下穩定性相對較差，因此其潤濕率最大。

6 結 語

按照干旱區水上光伏電站新模式結構形式布置，在水面覆蓋1 m2苯板、PVC浮板以及PE浮球年節水效率分別為95.92%、96.59%、83.18%， 苯板投資回收期最短，綜合考慮節水效率及經濟性，最終選用苯板作為干旱區水上光伏電站新模式的防蒸發材料。本文僅從節水效益的角度進行探討，研究的對象為干旱區水上光伏電站新模式的最小單元體，后續將擴大研究對象單元，并且綜合考慮其發電、節水以及控鹽效益。

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【責任編輯 張華興】