干旱區水上光伏發電單元體防蒸發節水效率研究

石興鵬

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

近年來，隨著社會經濟的快速增長，截至2018年底，我國光伏發電規模已經達到1.74×108kW，居世界第一位[1]。而日益稀缺的土地資源直接制約著太陽能發電技術的發展，為了大規模發展太陽能發電，太陽能電池板的布設場地由地面逐漸向水域轉移，形成水上光伏系統[2]，這是解決光伏電站土地和地域發展瓶頸的一個重點方向[3]，已成為光伏產業以后發展的趨勢。但是在太陽能資源豐富、降雨量少、蒸發強烈、水資源匱乏的干旱區幾乎還未涉及水上光伏系統。

針對我國干旱與半干旱地區獨特的地理位置和氣候特點，一方面利用平原水庫閑置的水面，建立水上光伏電站，可以有效利用豐富的太陽能資源，產生清潔電能，同時光伏組件受到水體的冷卻作用，降低組件表面溫度，提高發電量；另一方面通過防蒸發節水技術，可以減少水面的無效蒸發，以緩解干旱區水資源緊缺現象[4-6]。將水上光伏技術與防蒸發節水技術結合起來，通過開拓光伏發電技術的應用場地，建立集產能、節水為一體水上光伏電站，可以提高發電效益，減小水面的無效蒸發，節約水資源，減緩灌區土壤積鹽速度，這對干旱區節約資源、保護環境、促進經濟發展都有極為重要的現實意義和深遠的歷史意義。

2 試驗原理及布置

2.1 試驗原理

在自然條件下，水面蒸發主要受太陽輻射、大氣溫度、大氣濕度、風速等因素的影響，其中水體受到太陽輻射的影響，會增加水面溫度和大氣溫度，使水分子能量增加，分子間距增大，水分子更容易進入大氣，從而增加水面附近的大氣濕度，水汽壓增強。因此，水面溫度決定了水面的蒸發速率，當太陽能電池板遮擋在水面上方，可減少水面蒸發所需要的熱源，改變水面附近的水汽壓差，降低水面附近水汽分子向大氣擴散的速率，從而達到消減水面蒸發的效果。

2.2 試驗現場布置

試驗選擇2個相同型號的蒸發器，蒸發器尺寸為1.0 m×1.0 m×0.3 m，標記為 A、B。為避免蒸發器器壁對水溫影響，外部包裹相同厚度的紙板，內部鋪設同一型號的防滲膜。A蒸發器水面上方選用2塊1.2 m×0.55 m的太陽能電池板遮擋，電池板安裝傾角為30°；B蒸發器水面不用任何材料遮擋，記錄其在自然條件下的水面蒸發量。試驗期間，A、B兩蒸發器內水位變化利用水位測針進行觀測，觀測精度為±0.1 mm，每日20∶00觀測記錄兩蒸發器水位。同時，采用NK5500便攜式氣象站記錄大氣溫度、濕度、氣壓等，采用CENTER-309記憶式四通道溫度計測量太陽能電池板表面溫度，觀測精度±0.1℃。在蒸發器上方5 cm處安裝相同型號的溫濕度儀，觀測精度±3%，每日從早8:00到晚22:00每隔2 h觀測記錄水溫。試驗現場布置圖見圖 1，太陽能電池板遮擋蒸發器水面圖見圖2。同時，在水庫現場進行漂浮式光伏發電單元體的示范研究，監測漂浮式光伏發電單體在整個庫區的運行狀況，見圖3。

圖1 試驗現場布置圖

圖2 遮擋組試驗裝置圖

圖3 漂浮式光伏發電單元體水庫現場圖

3 結果與分析

3.1 溫度變化

圖4(a)為試驗期內某一天大氣溫度與水溫變化曲線，這一天大氣溫度高于A蒸發器水面溫度1.7℃，低于B蒸發器水面溫度0.8℃，B蒸發器水面溫度高于A蒸發器水面溫度，平均高2.5℃，18:00時溫差最大，為5.3℃，2個蒸發器水溫從8:00～18:00升高，太陽能電池板阻擋了太陽輻射對水面溫度的影響，減少了水面蒸發所需的熱源，水溫升高較慢[14]，無太陽能電池板遮擋的水溫升高速率較快；從18:00～次日8:00水溫在降低，氣溫低于水溫，水體往大氣釋放熱量，B蒸發器溫度降低速率較快，而安裝在A蒸發器水面上方的太陽能電池板阻擋了水溫向大氣傳熱，使得水面溫度降低較慢，蒸發器內水溫主要受氣溫的影響，隨氣溫變化而變化，不再受太陽輻射的影響。

圖4(b)顯示太陽能電池板表面溫度與水溫關系。太陽能電池板表面溫度比水體表面溫度平均高6.1℃，14:00時溫差最大時，為29.3℃；比氣溫平均高4.2℃，14:00時差值最大，為16.2℃，從8:00開始，太陽能電池板表溫度升高速率顯著高于水溫的升高速率，太陽能電池板將太陽輻射轉化為電能和熱量，阻擋太陽輻射直接照射在水體表面，從而減少太陽輻射對水體的影響。雖然太陽能電池板表面溫度高于水溫，但蒸發器水面未與電池板接觸，聚集在太陽能電池板表面的熱量僅通過空間體熱能交換的方式，將部分熱量傳遞到水面，其余熱量通過湍流擴散至大氣中。

圖4 水面溫度日變化曲線

3.2 蒸發驅動力

從空氣動力學分析，蒸發過程主要為氣態水分子在垂直方向的運動。由于水面附近的空氣相對濕度較大，而水面上方的空氣相對濕度較小，水面和周圍空氣之間存在水汽壓差(形成蒸發過程的直接動力即蒸發驅動力)[7]。

根據Dalton建立估算蒸發的公式，即Dalton公式[8]：

E=C(es-ea)

(1)

式中：E為水面蒸發量，mm；es為水面溫度對應的飽和水汽壓，kPa；ea為空氣中的水汽壓，kPa；C為風速函數。

而驅動水汽分子從蒸發面進入大氣的動力是蒸發面上的水汽壓與周圍空氣水汽壓之間的差值(即飽和水汽壓差)。蒸發速率與飽和水汽壓差成正比(式(1))，飽和水汽壓差越大，蒸發速率也越快，所以自然環境下的水體表面與附近大氣存在一個蒸汽壓力梯度。

蒸發面和大氣之間的水汽壓差為蒸發驅動力，即

Δes=es(Tw)-ea

(2)

式中：Δes為水面飽和水汽壓和水面附近實際水汽壓之差，kPa；es為水面溫度對應的飽和水汽壓，kPa；Tw為水面溫度，℃；ea為水面上方某一高度處的水汽壓，kPa。

飽和水汽壓與溫度存在如下關系[9]：

(3)

式中：es(T)為溫度T時的飽和水汽壓，kPa；T為某一時刻溫度，℃。

大氣環境氣溫為Ta、濕度為RH時，大氣水汽壓ea與氣溫Ta、濕度RH存在如下關系[7]：

(4)

ea=RH×es(Ta)

(5)

白天太陽能電池板遮擋太陽輻射，遮擋組A蒸發器水面溫度較低，這是導致遮擋組A蒸發器水汽壓差降低的主要原因。遮擋組A蒸發器水汽壓差日均值為0.68 kPa，空白組B蒸發器水汽壓差日均值為1.22 kPa，與遮擋組A蒸發器相比增長44.2%。在不同時刻遮擋組A蒸發器水汽壓差變化趨勢與空白組B蒸發器緊密相關，在6:00-8:00，A、B兩蒸發器水氣壓差相近外，其余時間遮擋組A蒸發器水汽壓差低于B蒸發器(圖5)。兩組蒸發器內水汽壓差最大值均值發生在18:00，空白組B蒸發器比遮擋組A蒸發器水汽壓差高1.12 kPa，說明較高的水面溫度是水汽壓差升高的主要原因，進一步表明太陽能電池板遮擋下水面蒸發量的減少是因蒸發驅動力的減少所致。

圖5 蒸發器水面水汽壓差日變化趨勢

3.3 蒸發抑制率

太陽能電池板阻擋了到達水面的太陽輻射，從而減少水體蒸發所需要的熱能，同時降低水表面的溫度和蒸發潛熱。還通過降低水面上空的水汽壓差來減少表面風的作用，水汽吸附在太陽能電池板表面，避免水汽被干燥空氣所取代，從而提高水面附近空氣濕度以達到抑制水面蒸發的目的。

根據太陽能電池板遮擋下抑制水面蒸發試驗，太陽能電池板遮擋下的蒸發抑制率為：

(6)

式中：η為蒸發抑制率，%；EB為未遮擋下的蒸發量，mm；EA為太陽能電池板遮擋下的蒸發量，mm。

一整年內，遮擋組水面總蒸發量為1 468.4 mm，未遮擋組水面總蒸發量為2 263.5 mm(表1)；非冰凍期內，遮擋組蒸發量為1 408.1 mm，未遮擋組蒸發量為2 194.3 mm。遮擋組蒸發量和未遮擋組蒸發量月變化趨勢相關，其中從1-7月份開始呈上升趨勢，從8月份開始呈下降趨勢，未遮擋組月最大蒸發量為370.0 mm，遮擋組月最大蒸發量221.4 mm。

表1 一年內遮擋組和未遮擋組月蒸發量、蒸發抑制率

太陽能電池板遮擋水面的抑制蒸發率隨時間的變化先增大后減小(圖6)，平均蒸發抑制率為29.4%。其中，1和12月份為冰凍期，平均蒸發抑制率為12.9%；2至11月份為非冰凍期，平均蒸發抑制率為32.7%，其中7月份達到最大值為40.2%，1月份達到最低值為12.1%。太陽能電池板抑制水面蒸發主要由太陽能電池板遮擋太陽輻射，降低了水面蒸發所需要的熱源，同時降低水表面的溫度和水面附近的水汽壓差，從而達到抑制水面蒸發的目的。

圖6 蒸發量與蒸發抑制率隨時間變化曲線圖

3.4 節水效率分析

根據試驗區Φ20蒸發皿實測蒸發量，2020年大水體蒸發量為2 200 mm。

太陽能電池板遮擋下的年節水量計算見式(7)：

E=kE0

(7)

式中：E為太陽能電池板遮擋下的節水量，mm；E0為年蒸發量，mm；k為年平均蒸發抑制率，%。

年節水效率計算見式(8)：

(8)

式中：η為節水效率，%。

將全年蒸發量代入式(8)、式(9)。經計算可得，1 m2水面在太陽能電池板遮擋年節水量為646.1 mm，節水效率為29.37%。

4 結 論

利用太陽能電池板遮擋水體表面，在試驗現場對非冰凍期內蒸發器水位、水體表面溫度、濕度以及氣溫等進行觀測。通過試驗數據分析太陽能電池板遮擋下的水溫、水汽壓差、蒸發抑制率之間的關系，最終得出太陽能電池板遮擋下各月的蒸發抑制率。

1)太陽能電池板遮擋改變了水面附近氣候，白天太陽能電池板遮擋太陽對水體的直接輻射，將吸收的太陽輻射轉化為電能，遮擋組水面溫度降低；夜間太陽能電池板降低了水體向大氣的散熱速率，A蒸發器水面溫度低于B蒸發器，水面溫度的降低使蒸發驅動力減小。

2)太陽能電池板遮擋1 m2水面的平均蒸發抑制率為29.4%。其中，1和12月份為冰凍期，平均蒸發抑制率為12.9%；2-11月份為非冰凍期，平均蒸發抑制率為32.7%。其中，7月份達到最大值為40.2%，1月份達到最低值為12.1%。

3)在干旱區平原水庫發展水上光伏電站，可以減少水面的無效蒸發。由于受到太陽能電池板的朝向、傾角、太陽高度角、風速等因素的影響，使一部分水面暴露在大氣當中，不能完全遮擋太陽輻射，蒸發抑制率較小。