关于大型水上光伏电站的技术探究

蔡伟东 彭康

摘  要：随着光伏技术的不断发展，大型光伏电站的建设已经在我国长期能源战略中占据了重要的地位。本文从技术的角度对水上光伏电站的发展局限性进行了分析说明，并从水上光伏电站的固定方式及配套储能技术应用等方面进行阐述，提出了解决两大局限性的初步方案及可行性。随着电池技术的发展，大型电池储能工程的建设部署展望了水上光伏电站发展的未来。

关键词：水上光伏电站;浮体储能技术;电池储能项目

中图分类号：TM615      文献标识码：A 文章编号：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

太阳能这种可再生能源是取之不尽用之不竭的，光伏发电以其为能源，作为我国清洁能源发电的主力军，已经被广泛地应用于人民的生产生活中，在长期能源战略中具有重要地位。但因照射的能量分布密度小，要占用巨大面积，光伏电站主要在我國西北部地区，其中青海、内蒙古、新疆、甘肃等省份发展较快，据2015年统计，西北地区装机量占总量的58%以上（如图1所示）。这突显了光伏发电受地域限制的问题。近几年水上光伏电站开始在我国发展起步，成为了解决这一问题的重要方法。

本文从技术的角度对水上光伏的设备及固定方式等方面进行描述，给出初步方案，并分析其可行性。

1  光伏电站系统的组成

光伏电站，是指利用太阳光能，采用光伏组件活动或固定支架、光伏太阳能板、直流汇流箱、逆变器及电气配电及控制设备等组成的发电体系，与电网相连向电网输送电能的光伏发电系统。

1.1  光伏发电单元

光伏发电单元（PV Generation Unit）是由若干光伏组件安装在光伏支架上组合成的直流发电单元，由单个光伏或多个光伏串列组成。

1.2  汇流箱

汇流箱（Combiner）是指将一定数量规格相同的光伏组件串联组成若干光伏串列，再将若干个光伏串列并联汇流后接入的装置。

1.3  逆变器

逆变器（Inverter）是将汇集的直流电转换为交流电的设备，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

2  光伏发电的局限性

光伏发电存在两大局限性：

2.1  分散性

太阳辐射到达地球表面的总能量很大，但是能流密度低，需要面积相当大的收集设备。受占地面积因素的影响，大型光伏电站建设受到地域的限制，制约了大型光伏电站的发展。

2.2  不稳定性

受昼夜交替等自然条件的限制以及阴晴云雨等随机因素的影响，到达地面的太阳辐射能是不稳定的，并网发电时，不带储能装置的光伏发电系统直接并网将给电网带来潮汐式送电，造成电压波动影响发电品质，如果配置大容量的化学蓄电设备，不仅将会增加成本，而且存在安全隐患和蓄电设备对环境污染的风险。其不稳定性成为了光伏电站发展的瓶颈，也意味着储能技术的发展是光伏电站发展的重要环节和突破口。

3  水上光伏电站的特点

3.1  水上光伏电站基础特点

水上光伏电站按基础形式可分为桩基（桩柱式基础）固定电站和水面漂浮电站两种。桩基固定电站与传统的光伏支架类似，在水下固定桩基，生产成本较高，施工难度较大，适用于水域较浅的地方。水面漂浮电站是在水面上设置漂浮模块，将光伏组件直接固定在模块上，或将光伏组件固定于支架上，再将支架固定在模块上，将浮体固定于岸边或水底，适用于水域较深的地方。大型水上光伏电站主要采用水面漂浮电站。

大型水面漂浮电站建设的主要难点是浮体的固定，风浪流及水位升降对浮体影响很大，固定不好会发生漂移或碰撞等问题。由于漂浮式光伏发电系统的光伏组件固定于水面浮体之上，不同于陆地光伏的恒定静止状态，须对每个标准发电单元进行风浪流模拟计算，以保证浮岛的安全。其中，浮体自适应水位系统，采用在浮体边缘上设置带护套钢绳加强件与地锚桩连接，锚固点按每隔6m左右设置，缆绳必须留有水面涨落差的余量，以保障水面在上下起伏的过程中浮体受力均匀、安全可靠。

漂浮系统的构成：主浮体（支撑光伏组件及电气设备）、过道浮体（电缆及连接运维）、连接浮体（加长连接）及连接销等。下面以实际工程进行举例说明：

某装机190MW水上光伏电站科研项目，由8个18.514 MWp和2个21.066MWp的浮岛构成。其中18.514MWp浮岛由400Wp单晶双玻组件46284块组成，每串由2×14块构成，共1653串，分组汇入108面汇流逆变箱（容量180kW），再将每18面汇流逆变箱分成2组接至3000kVA三绕组变压器的低压侧绕组。变压器将电压升至33kV送入岸边配电室，再升压送至电网。需要主浮体50824块、过道浮筒25955块、短浮筒26069块及连接销和自攻钉若干，每个浮岛占水面面积约16公顷（329.3m×496.5m），各浮岛间间距100m，占水面总面积150公顷。浮体施工时一般在陆地上进行组装，为便于组装、吊运，一般将每20m×20m作为一个安装单元，用连接销锚固好后拖入水中，完成单个浮岛的所有浮体组装后，进行组件、汇流逆变器箱、变压器及电缆的固定与安装。注意在电缆施工中，组件侧电缆接头应最后连接，以防触电事故的发生。

考虑浮岛面积超大，浮岛发生漂移后会与附近浮岛或其他物体相互碰撞，除考虑在浮体上设置钢丝与水底暗桩连接固定外，也在每个浮岛上设置一套卫星定位系统，并在浮岛四周每间隔60m设置一套水下马达驱动系统，实现每个浮岛的位置和安全距离的实时监控和调整。

3.2  水上光伏电站发电能效的特点

光伏发电组件是光伏发电技术的核心部件，分为单晶、多晶，单玻、双玻，单面、双面等，水上光伏系统多采用单晶双面双玻组件。如表1所示，水表面的反射率是0.69%，比陆地上高出了将近6倍，经过试验，水上光伏发电与屋顶及陆地相比可增加5%～15%的发电量。

水面上环境温度较低，有利于光伏组件的散热。在光伏组件温度升高时其开路电压下降，输出功率减少，测算表明，组件温度每降低1℃，输出功率增加0.5%。水面良好的散热效应可有效提高组件的发电量，创造更高的经济效益。

另外水上光伏还具有组件覆盖水面，可减少蒸发节约水资源;组件清洗便捷维护费用降低及利于水下养殖等众多优点。

4  水上光伏电站结合新型储能技术的展望

随着水上光伏各项技术的不断创新，大型光伏电站的发展势不可挡，这也给电网的稳定运行带来了诸多挑战。由于光伏发电具有不稳定和间歇性的缺点，电能在远距离输送中会引起潮流的变化，将会增加电网的电压控制难度，所以电力系统需要有足够的备用容量来进行调节，我国一般采用相应的火电机组承担调节功能，这样不但会消耗煤炭、油气等能源，还会造成环境污染、增加排放。储能技术可有效抑制光伏功率波动，增强大型光伏发电可控性，提高光伏发电的并网接入能力，因此在大型光伏电站系统中，配置储能装置的技术已慢慢浮出水面。

目前存在抽水储能、海水储能、压缩空气储能及盐穴储能等多种储能技术。

抽水储能是利用过剩电力，将作为液态能量媒体的水从下水库（低标高）抽到上水库（高标高），电网峰荷时上水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发电。作为大型水上光伏电站的配套储能装置，可捕获白天在电站产生的多余太阳能，并可在下午晚些时候和傍晚释放电力，保证光伏电站稳定运行。海上光伏也可以与海水的潮汐能量或海水储能技术结合相互补充，实现并网稳定运行。

压缩空气储能技术是以空气为能量载体，利用光伏或风电过剩的电力将空气压缩并储存在一个大型容器或地下的结构中（如地下盐穴），当光伏或风电发电条件受限时，需再将压缩空气与天然气混合，燃烧推动燃气轮机发电。因为需要大的空间作为存储压缩空气使用，但要想创造或寻找这种空间却非常困难，导致其应用非常有限。另外空气在压缩过程中会释放出热量，热量无法进行存储，通过冷却消失掉了，而压缩的空气在与可燃性气体燃爆前还需要进行加热。因此此种储能技术效率较低，一般不被选用。

此外还有电池储能，如果大型电池计划在未来成为可能，将引发一场新能源的革命。美国Vistra Energy公司目前在加利福尼亚的Moss Landing发电厂部署了一个容量为300MW/1200MWh的电池储能项目，计划于2020年第四季度投入商业运营，其采用的是储能锂电池。锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。充电时，Li+离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态;放电时则相反，Li+离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的效率可达95%以上;放电时间可达数小时，循环次数可达5000次或更多，响应快速;锂离子电池是电池中比能量最高的实用型电池，有多种材料可用于它的正极和负极，因此可以将锂离子电池分类为钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、钛酸锂锂离子电池等，这有利于它的发展。电池储能项目的建设标志着大型水上光伏电站项目的储能配套设施已进入了新的发展阶段。

5  结  论

综上所述，随着水上光伏电站各项技术的不断发展，并依据当地环境的具体情况配以合理的储能装置，大型光伏电站的两大局限性将被彻底打破，成为一种大规模的清洁长效能源，为地球的发展提供动力，为我们美好的明天服务。

參考文献：

[1] 高赟，赵娜，贺文山，等.水上光伏电站设计要点和经济性分析 [J].太阳能，2017（6）：18-22.

[2] 曲晟霆.光伏发电技术与水上光伏研究 [J].科技创新与应用，2017（7）：78.

[3] 李瑞民，张新敬，徐玉杰，等.风光互补系统中混合储能容量优化配置研究 [J].储能科学与技术，2019，8（3）：512-522.

[4] 丁光涛.对发展光伏发电站的两点建议 [J].安徽师范大学学报（自科版），2016，39（2）：128-131.

[5] 王凤飞，王新庆，杨冰，等.锂离子电池负极材料的研究进展 [J].纳米技术与精密工程，2004（3）：192-195.

作者简介：蔡伟东（1980-），男，汉族，河北霸州人，设计师，工程师，学士学位，本科，研究方向：光伏发电;彭康（1991-），男，汉族，陕西西安人，设计员，硕士，硕士研究生，研究方向：土建结构。