水上漂浮式光伏发电系统

王浤宇，王佩明，李艳红，赵晓光

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

水上漂浮式光伏发电系统

王浤宇，王佩明，李艳红，赵晓光

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

水上漂浮式光伏发电系统是一个新概念，目前在市场上还没有得到推广。对比了水上漂浮式光伏发电，地面光伏发电以及屋顶、幕墙分布式光伏发电的优缺点，介绍了水上漂浮式光伏发电的种类及发展现状，总结了需要解决的几个重要问题，指出了水上漂浮式光伏发电是光伏发电不可忽视的重要发展方向。

水上漂浮式光伏发电；固定式浮筒；方位角跟踪式浮筒；漂浮式组件

0 引言

近几年是国内光伏发电产业迅速发展的阶段，主要以大型集中式地面光伏发电站为主。随着光伏发电站的迅速增长，越来越多的问题接踵而至。目前我国的大型集中式地面光伏发电站主要集中在甘肃、青海、新疆、内蒙古等地区，这些地区虽然光资源好，但是因为种种原因弃光率非常高，2015年甘肃、新疆两省的弃光电量占全国弃光电量的83%，弃光率超过30%。目前市场上大多数太阳能光伏发电系统普遍存在两大难题：一是建造工程占地面积大；二是我国光资源好的地区普遍存在限电问题，而南方可提供建造大型集中式地面光伏的土地很少。水上光伏发电技术，将会克服以上两大难题。

1 水上漂浮式光伏发电系统概述

近年来，可再生能源发电系统在全世界迅速增长。太阳能发电成为最具发展前景的可再生能源发电方式，其中，光伏发电占主导地位。目前，国内光伏发电系统主要以大型集中式地面光伏为主，大多分布在西部、北部等光资源较好的地区。国内还有很多屋顶分布式光伏发电系统，其装机容量一般小于1 MW，并且多数为离网运行。除此之外，还有建筑光伏一体化(BIPV)的光伏幕墙发电系统、光伏大棚、鱼塘光伏等。

水上漂浮式光伏发电系统是一个新概念，目前在市场上还没有得到推广。水上漂浮式光伏发电系统最大的特点是可以安装在海洋、湖泊(包括咸水湖)、河流(包括季节性旱涝河流)、水库、鱼塘、灌溉池、蓄水池甚至废水处理池等处；此外，市场上常用的光伏组件(如晶体硅组件)的功率输出随着温度的升高而降低，而水上漂浮式光伏组件的温度明显低于地面或屋顶光伏组件，从而能输出更高的功率；同时，水上漂浮式光伏发电系统还可以减少水面蒸发量，抑制藻类繁殖，保护水资源。

2 不同形式光伏的优缺点对比

水上漂浮式光伏发电系统的主要组成部分有：光伏组件，特殊电缆逆变器及箱式变压器等电气设备，浮筒，锚锁系统[1]。

2.1 地面光伏发电系统

(1)优点。1)可计算出年最佳倾角，提供最大发电量；2)可大面积、低成本地安装跟跟踪系统；3)相比其他形式，更容易建成大型集中式发电系统；4)光伏组件清洗和维护较方便；5)一般建设在人烟稀少的地区，一旦发生安全事故，造成的人员伤害和财产损失最小。

(2)缺点。1)可供建设大型集中式光伏电站的土地越来越少，尤其是城市周边；2)地面光伏发电系统有大量的土建基础工程，建设工期较长。

2.2 屋顶、幕墙分布式光伏发电系统

(1)优点。1)相比其他形式的光伏，可以节省租地成本；2)几乎没有土建基础工程，安装建设更方便、更快捷；3)夏季时光伏组件还可为建筑起到一定的遮光降温作用。

(2)缺点。1)建筑光伏一体化发电系统经常会被周围其他建筑、烟囱、树木等遮挡；2)大部分安装建设时需高空作业，相对难度较大；3)无法建成大容量并网光伏电站；4)由于建筑面积较小，为节省空间，往往不设计带倾角的系统，从而不能达到最佳工作状态。

2.3 水上漂浮式光伏发电系统

(1)优点[2]。1)适应于各种水面，如海洋、湖泊、河流、水库、鱼塘等，可节省土地；2)相比地面式光伏发电系统，可节省大量的土建工作，安装施工周期短；3)可有效减少水分的蒸发，降低水温，抑制藻类生长，有助于渔业的产量增加；4)可降低光伏组件的温度，理论上能比地面式光伏输出更多的电量；5)相比地面式光伏发电系统，组件的附着灰尘更少，发电量也相对较高；6)能更好地适应自然灾害，如洪水、地震等。

(2)缺点。1)浮筒没有产业化，大部分价格较高；2)大部分情况下需要特种设备，施工也比地面式光伏发电系统复杂。

3 水上漂浮式光伏种类

随着人们对水上漂浮式光伏发电系统关注度的不断提高，多种多样的漂浮系统也如雨后春笋般涌现，这里简单介绍几种典型的水上漂浮系统。

3.1 固定式浮筒

固定式浮筒与地面固定式光伏组件非常相似，如图1所示。首先，确定项目所在地的最佳倾角，订制具有该倾角的浮筒或支架；其次，安装光伏组件、电缆等设备；最后，将阵列放入水中，用锚索固定。

图1 固定式浮筒

固定式浮筒安装快捷，相对成本较低，运行维护简单，可适用于任何水面[3]。

3.2 方位角跟踪式浮筒

地面光伏主要有水平式单轴跟踪、斜单轴跟踪和双轴跟踪。水上漂浮光伏常用的跟踪浮筒为方位角跟踪式浮筒，如图2所示。跟踪式光伏发电系统也是近几年光伏行业的热门话题。

图2 方位角跟踪式浮筒

由于整个光伏系统漂浮于水面，所以只需要很小的驱动系统就可以驱动大面积光伏组件。而地面光伏的单轴跟踪系统往往需要耗费大量的钢材，需要大型的电机来驱动，相比之下，采用方位角跟踪式浮筒的光伏发电系统成本较低[4]。

3.3 漂浮式组件

漂浮式组件目前还是一个新概念，其基本原理是：将防水光伏组件安装上漂浮边框，组件间柔性连接；使用防水汇流接线盒汇流，之后将直流电送入逆变器、箱式变压器。整个漂浮系统可利用升降锚索固定于水面，当遇到极端天气时，可调节锚索使整个系统沉入水中以避免损失。漂浮式组件适用于大部分水面，特别是海面，其优点是光伏组件与水面接触，温度较低，输出功率更高，缺点是水平放置没有倾角，只适用于南方低纬度地区。

4 水上漂浮式光伏发电系统发展现状及展望

近几年，日本、韩国、印度、美国、澳大利亚、巴西等国家都在关注水上漂浮式光伏发电系统。由于水面比土地更便宜，水上漂浮式光伏发电系统能得到更好的推广；另外，对水资源的保护也是其优势之一[5]。目前各国部分水上漂浮式光伏发电项目见表1。

我国也有一些水上漂浮式光伏电站，如河北临西县8 MW漂浮式光伏电站、枣阳熊河水库1.2 MW光伏电站、邹城32 MW光伏电站等。

表1 目前各国部分水上漂浮光伏发电项目

续表

我国南方水资源丰富，湖泊、鱼塘、水库、河流众多，水上漂浮式发电系统摆脱了土地的限制，有利于水资源的保护，还可提升发电量。但若大面积推广，还需解决几个重要问题[2]：(1)浮筒的材料必须具有良好的耐腐蚀性、较高的可靠性和较低的成本；(2)需考虑极端天气或自然灾害情况下的保护措施，如洪水、泥石流等；(3)需考虑整个发电系统对环境的影响。

5 结束语

日本的水上漂浮式光伏发电量目前保持着世界领先地位，韩国和印度也在积极研发和推广该技术。我国的水上漂浮式光伏发电尚处于起步阶段，国家能源局给予了足够的重视。我国水库面积大于25 333 km2，湖泊面积大于90 000 km2，其中面积大于1 km2的湖泊超过2 700个。漂浮式光伏电站相比地面光伏电站对环境更友好，不存在电站废弃后混凝土桩体对土地的污染问题。综上所述，漂浮式光伏发电系统是光伏发电行业不可忽视的重要发展方向。

[1]TRAPANI K, REDN SANTAFÉ M.A review of floating photovoltaic installations:2007—2013[J].Progress in photovoltaics:Research and applications, 2014， 23(4): 524-532.

[2]CHOI Y K. A study on power generation analysis of floating PV system considering environmental impact [J].International journal of software engineering and its applications,2014，8(1)：75-84.

[3]CHOI Y K, LEE N H, KIM K J, et al.A study on the influence to solar radiation by changing the azimuth and tilt of a photovoltaic array[J].The transactions of the Korean institute of electrical engineers,2013，62(5):712-716.

[4]CHOI Y K, LEE N H, LEE A K, et al.A study on major design elements of tracking-type floating photovoltaic systems[J].International journal of smart grid and clean energy,2014，3(1):70-74.

[5]LEE A K, SHIN G W, HONG S T, et al.A study on development of ICT convergence technology for tracking-type floating photovoltaic systems[J].International journal of smart grid and clean energy,2014，3(1):80-87.

(本文责编：刘芳)

TM 615

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1674-1951(2017)03-0074-03

2016-12-20；

2017-02-07

王浤宇(1990—)，男，内蒙古赤峰人，工程师，从事光伏发电设计工作(E-mail:wanghongyu@chec.com.cn)。