蔡偉東 彭康

摘 ?要：隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，大型光伏電站的建設(shè)已經(jīng)在我國(guó)長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略中占據(jù)了重要的地位。本文從技術(shù)的角度對(duì)水上光伏電站的發(fā)展局限性進(jìn)行了分析說(shuō)明，并從水上光伏電站的固定方式及配套儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)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(shù)的發(fā)展，大型電池儲(chǔ)能工程的建設(shè)部署展望了水上光伏電站發(fā)展的未來(lái)。

關(guān)鍵詞：水上光伏電站;浮體儲(chǔ)能技術(shù);電池儲(chǔ)能項(xiàng)目

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yáng)能這種可再生能源是取之不盡用之不竭的，光伏發(fā)電以其為能源，作為我國(guó)清潔能源發(fā)電的主力軍，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于人民的生產(chǎn)生活中，在長(zhǎng)期能源戰(zhàn)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(guó)西北部地區(qū)，其中青海、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅等省份發(fā)展較快，據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)，西北地區(qū)裝機(jī)量占總量的58%以上（如圖1所示）。這突顯了光伏發(fā)電受地域限制的問(wèn)題。近幾年水上光伏電站開(kāi)始在我國(guó)發(fā)展起步，成為了解決這一問(wèn)題的重要方法。

本文從技術(shù)的角度對(duì)水上光伏的設(shè)備及固定方式等方面進(jìn)行描述，給出初步方案，并分析其可行性。

1 ?光伏電站系統(tǒng)的組成

光伏電站，是指利用太陽(yáng)光能，采用光伏組件活動(dòng)或固定支架、光伏太陽(yáng)能板、直流匯流箱、逆變器及電氣配電及控制設(shè)備等組成的發(fā)電體系，與電網(wǎng)相連向電網(wǎng)輸送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 ?光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)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(fā)電單元，由單個(gè)光伏或多個(gè)光伏串列組成。

1.2 ?匯流箱

匯流箱（Combiner）是指將一定數(shù)量規(guī)格相同的光伏組件串聯(lián)組成若干光伏串列，再將若干個(gè)光伏串列并聯(lián)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(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。

2 ?光伏發(fā)電的局限性

光伏發(fā)電存在兩大局限性：

2.1 ?分散性

太陽(yáng)輻射到達(dá)地球表面的總能量很大，但是能流密度低，需要面積相當(dāng)大的收集設(shè)備。受占地面積因素的影響，大型光伏電站建設(shè)受到地域的限制，制約了大型光伏電站的發(fā)展。

2.2 ?不穩(wěn)定性

受晝夜交替等自然條件的限制以及陰晴云雨等隨機(jī)因素的影響，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能是不穩(wěn)定的，并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，不帶儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)將給電網(wǎng)帶來(lái)潮汐式送電，造成電壓波動(dòng)影響發(fā)電品質(zhì)，如果配置大容量的化學(xué)蓄電設(shè)備，不僅將會(huì)增加成本，而且存在安全隱患和蓄電設(shè)備對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。其不穩(wěn)定性成為了光伏電站發(fā)展的瓶頸，也意味著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展是光伏電站發(fā)展的重要環(huán)節(jié)和突破口。

3 ?水上光伏電站的特點(diǎn)

3.1 ?水上光伏電站基礎(chǔ)特點(diǎn)

水上光伏電站按基礎(chǔ)形式可分為樁基（樁柱式基礎(chǔ)）固定電站和水面漂浮電站兩種。樁基固定電站與傳統(tǒng)的光伏支架類(lèi)似，在水下固定樁基，生產(chǎn)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(shè)置漂浮模塊，將光伏組件直接固定在模塊上，或?qū)⒐夥M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(shè)的主要難點(diǎn)是浮體的固定，風(fēng)浪流及水位升降對(duì)浮體影響很大，固定不好會(huì)發(fā)生漂移或碰撞等問(wèn)題。由于漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)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?fàn)顟B(tài)，須對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電單元進(jìn)行風(fēng)浪流模擬計(jì)算，以保證浮島的安全。其中，浮體自適應(yīng)水位系統(tǒng)，采用在浮體邊緣上設(shè)置帶護(hù)套鋼繩加強(qiáng)件與地錨樁連接，錨固點(diǎn)按每隔6m左右設(shè)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(guò)程中浮體受力均勻、安全可靠。

漂浮系統(tǒng)的構(gòu)成：主浮體（支撐光伏組件及電氣設(shè)備）、過(guò)道浮體（電纜及連接運(yùn)維）、連接浮體（加長(zhǎng)連接）及連接銷(xiāo)等。下面以實(shí)際工程進(jìn)行舉例說(shuō)明：

某裝機(jī)190MW水上光伏電站科研項(xiàng)目，由8個(gè)18.514 MWp和2個(gè)21.066MWp的浮島構(gòu)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(gòu)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(cè)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(wǎng)。需要主浮體50824塊、過(guò)道浮筒25955塊、短浮筒26069塊及連接銷(xiāo)和自攻釘若干，每個(gè)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(shí)一般在陸地上進(jìn)行組裝，為便于組裝、吊運(yùn)，一般將每20m×20m作為一個(gè)安裝單元，用連接銷(xiāo)錨固好后拖入水中，完成單個(gè)浮島的所有浮體組裝后，進(jìn)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(cè)電纜接頭應(yīng)最后連接，以防觸電事故的發(fā)生。

考慮浮島面積超大，浮島發(fā)生漂移后會(huì)與附近浮島或其他物體相互碰撞，除考慮在浮體上設(shè)置鋼絲與水底暗樁連接固定外，也在每個(gè)浮島上設(shè)置一套衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并在浮島四周每間隔60m設(shè)置一套水下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)浮島的位置和安全距離的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整。

3.2 ?水上光伏電站發(fā)電能效的特點(diǎn)

光伏發(fā)電組件是光伏發(fā)電技術(shù)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(tǒng)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(jīng)過(guò)試驗(yàn)，水上光伏發(fā)電與屋頂及陸地相比可增加5%～15%的發(fā)電量。

水面上環(huán)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(shí)其開(kāi)路電壓下降，輸出功率減少，測(cè)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(yīng)可有效提高組件的發(fā)電量，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

另外水上光伏還具有組件覆蓋水面，可減少蒸發(fā)節(jié)約水資源;組件清洗便捷維護(hù)費(fèi)用降低及利于水下養(yǎng)殖等眾多優(yōu)點(diǎn)。

4 ?水上光伏電站結(jié)合新型儲(chǔ)能技術(shù)的展望

隨著水上光伏各項(xiàng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，大型光伏電站的發(fā)展勢(shì)不可擋，這也給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。由于光伏發(fā)電具有不穩(wěn)定和間歇性的缺點(diǎn)，電能在遠(yuǎn)距離輸送中會(huì)引起潮流的變化，將會(huì)增加電網(wǎng)的電壓控制難度，所以電力系統(tǒng)需要有足夠的備用容量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，我國(guó)一般采用相應(yīng)的火電機(jī)組承擔(dān)調(diào)節(jié)功能，這樣不但會(huì)消耗煤炭、油氣等能源，還會(huì)造成環(huán)境污染、增加排放。儲(chǔ)能技術(shù)可有效抑制光伏功率波動(dòng)，增強(qiáng)大型光伏發(fā)電可控性，提高光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入能力，因此在大型光伏電站系統(tǒng)中，配置儲(chǔ)能裝置的技術(shù)已慢慢浮出水面。

目前存在抽水儲(chǔ)能、海水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能及鹽穴儲(chǔ)能等多種儲(chǔ)能技術(shù)。

抽水儲(chǔ)能是利用過(guò)剩電力，將作為液態(tài)能量媒體的水從下水庫(kù)（低標(biāo)高）抽到上水庫(kù)（高標(biāo)高），電網(wǎng)峰荷時(shí)上水庫(kù)中的水回流到下水庫(kù)推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作為大型水上光伏電站的配套儲(chǔ)能裝置，可捕獲白天在電站產(chǎn)生的多余太陽(yáng)能，并可在下午晚些時(shí)候和傍晚釋放電力，保證光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行。海上光伏也可以與海水的潮汐能量或海水儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是以空氣為能量載體，利用光伏或風(fēng)電過(guò)剩的電力將空氣壓縮并儲(chǔ)存在一個(gè)大型容器或地下的結(jié)構(gòu)中（如地下鹽穴），當(dāng)光伏或風(fēng)電發(fā)電條件受限時(shí)，需再將壓縮空氣與天然氣混合，燃燒推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。因?yàn)樾枰蟮目臻g作為存儲(chǔ)壓縮空氣使用，但要想創(chuàng)造或?qū)ふ疫@種空間卻非常困難，導(dǎo)致其應(yīng)用非常有限。另外空氣在壓縮過(guò)程中會(huì)釋放出熱量，熱量無(wú)法進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)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(jìn)行加熱。因此此種儲(chǔ)能技術(shù)效率較低，一般不被選用。

此外還有電池儲(chǔ)能，如果大型電池計(jì)劃在未來(lái)成為可能，將引發(fā)一場(chǎng)新能源的革命。美國(guó)Vistra Energy公司目前在加利福尼亞的Moss Landing發(fā)電廠部署了一個(gè)容量為300MW/1200MWh的電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，計(jì)劃于2020年第四季度投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，其采用的是儲(chǔ)能鋰電池。鋰離子電池實(shí)際上是一個(gè)鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物構(gòu)成。充電時(shí)，Li+離子從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，此時(shí)負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài);放電時(shí)則相反，Li+離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)，負(fù)極處于貧鋰態(tài)。鋰離子電池的效率可達(dá)95%以上;放電時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，循環(huán)次數(shù)可達(dá)5000次或更多，響應(yīng)快速;鋰離子電池是電池中比能量最高的實(shí)用型電池，有多種材料可用于它的正極和負(fù)極，因此可以將鋰離子電池分類(lèi)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(fā)展。電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)志著大型水上光伏電站項(xiàng)目的儲(chǔ)能配套設(shè)施已進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

5 ?結(jié) ?論

綜上所述，隨著水上光伏電站各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，并依據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的具體情況配以合理的儲(chǔ)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(guī)模的清潔長(zhǎng)效能源，為地球的發(fā)展提供動(dòng)力，為我們美好的明天服務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：蔡偉東（1980-），男，漢族，河北霸州人，設(shè)計(jì)師，工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：光伏發(fā)電;彭康（1991-），男，漢族，陜西西安人，設(shè)計(jì)員，碩士，碩士研究生，研究方向：土建結(jié)構(gòu)。