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文章從水上光伏電站發(fā)展優(yōu)勢(shì),技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)備選型等方面作了探索分析,并提出了實(shí)際應(yīng)用中可能存在或需要改進(jìn)的問(wèn)題。
1 水上光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)
1.1 發(fā)展現(xiàn)狀
水上光伏電站是指在水塘、水庫(kù)、湖泊等在水上建設(shè)的光伏電站,根據(jù)項(xiàng)目地水深等情況,建設(shè)形式分為兩 種:一般水深小于3m 的采用打樁架高式安裝(見(jiàn)圖1); 水深3m 以上的可以采用漂浮式安裝系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。
國(guó)內(nèi)水上光伏電站以打樁架高式為主,但隨著水上漂浮式技術(shù)的不斷成熟,新材料、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn), 建設(shè)成本不斷降低。近年來(lái)水上漂浮式光伏發(fā)電項(xiàng)目成 為光伏發(fā)電領(lǐng)域的新熱點(diǎn),裝機(jī)容量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)。
圖1 水上樁基架高式光伏電站
圖2 水上漂浮式光伏電站
1.2 水上光伏電站的優(yōu)勢(shì)
優(yōu)勢(shì)如下:
① 水上光伏電站,不占用耕地、林地、一般農(nóng)用地等稀缺土地資源,提高水域附加值;
② 水塘、 湖泊或采煤塌陷區(qū)的水面,一般周邊環(huán)境較開(kāi)闊,組件朝向一致,便于集中布置,集中管理;水域表面相對(duì)灰 塵較少,且清洗方便,對(duì)運(yùn)維管理,保障發(fā)電量均有利;
③ 可以提高發(fā)電量約7% ~ 12%: 光伏組件傾斜面上的輻射量由太陽(yáng)直接輻射量、散射輻射量、反射輻照量組成, 而水面的反射率約為0.6%,遠(yuǎn)高于地面、草地等環(huán)境的 反射率,經(jīng)測(cè)試評(píng)估光伏組件傾斜面上的總輻射量比地面提高約1.5%;
④ 水域的氣溫變化相對(duì)較小,夏季水體的 冷卻效應(yīng),可抑制光伏組件表面溫度的上升,提高發(fā)電量;
⑤ 我國(guó)東部地區(qū)水資源豐富,用電需求大,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)勁, 一般都可就近并網(wǎng)消納;
⑥ 水上光伏電站可以有效遮蔽水 面,減少水體蒸發(fā),抑制藻類(lèi)生長(zhǎng),有利于水污染的治理,提高水質(zhì)環(huán)境。
2 水上光伏電站的技術(shù)特點(diǎn)
2.1 打樁架高式光伏電站主要技術(shù)特點(diǎn)
打樁架高式的水上光伏電站一般建設(shè)在水深小于3m的水域。 基礎(chǔ)形式采用PHC 管樁加熱鍍鋅鋼支架的組合,樁頂高度大于洪水水位0.4m 以上,為方便船只通行,光 伏組件下端離最高水位1m 以上,組件采用最佳傾角安裝。 一般采用排水、清淤、晾干場(chǎng)地后再打樁,或直接采用船舶打樁。 主要電氣設(shè)備都布置在道路兩側(cè)或岸邊, 升壓站選址在岸上。電纜采用橋架敷設(shè),橋架固定在管 樁基礎(chǔ)上(見(jiàn)圖3)。
此類(lèi)電站多采用“漁光互補(bǔ)”的建設(shè)模式。即利用水產(chǎn)養(yǎng)殖集中地區(qū)豐富的池塘水面資源,來(lái)開(kāi)發(fā)建設(shè)光伏 發(fā)電項(xiàng)目,采用水上發(fā)電、水下養(yǎng)殖的模式,來(lái)實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)業(yè)的互補(bǔ)發(fā)展。 水上光伏電站更適宜于不喜光的特色 魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖,此外光伏發(fā)電可以直接用于養(yǎng)殖用電,降低了養(yǎng)殖成本。
2.2 漂浮式光伏電站主要技術(shù)特點(diǎn)
漂浮式光伏電站是指借助水上浮體、浮臺(tái)使光伏組件、逆變器等發(fā)電設(shè)備漂浮在水面上進(jìn)行發(fā)電。 適用于水深大于3m 的,水體穩(wěn)定受臺(tái)風(fēng)影響不大的水域。 漂浮式 基礎(chǔ)的形式主要有浮管+ 支架、浮筒+ 支架、一體式浮筒三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 考慮到大風(fēng)大浪的影響,組件安裝傾角, 以不超過(guò)20°傾角為宜,業(yè)內(nèi)主流設(shè)計(jì)安裝傾角一般在10 ~ 18°。 故漂浮式光伏電站更適合建設(shè)在緯度不大的 地區(qū),相對(duì)于最佳傾角,傾斜面的輻射量損失并不明顯。浮體通過(guò)錨固系統(tǒng)固定,根據(jù)離岸距離、水深等設(shè)計(jì) 合理的固定方式: 距離岸邊較近時(shí),用繩索或撐桿將浮體固定在岸邊(見(jiàn)圖4); 離岸較遠(yuǎn)且水深較大時(shí),可采 用混凝土錨塊+ 拉簧的方式固定(見(jiàn)圖5)。錨固系統(tǒng)應(yīng) 能適應(yīng)水位的變化,一般設(shè)計(jì)成水位上下5m 范圍內(nèi)可調(diào)。
電纜及電纜橋架沿浮筒敷設(shè),并根據(jù)水位的變化考慮足夠的電纜預(yù)留量,箱式逆變器及變壓器均可放置在 混凝土浮臺(tái)上,開(kāi)關(guān)站配電室也可根據(jù)需求放置在混凝土浮臺(tái)上,做成全漂浮式的光伏電站。 水漂浮式光伏電 站的施工方式包含兩種:岸邊拼接浮筒,水上安裝設(shè)備; 岸邊操作平臺(tái),組件安裝后入水。 經(jīng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),后一種方式更加方便、快捷。
3 主要設(shè)備材料選型及技術(shù)分析
3.1 樁基礎(chǔ)
樁基礎(chǔ)類(lèi)型的選擇應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)、水塘水位地質(zhì)情況、施工條件、施工對(duì)水塘環(huán)境的影響以及綜合經(jīng)濟(jì)效 益諸因素比較選用。業(yè)內(nèi)常用的管樁型號(hào)為PHC-300(70) A 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。 管樁的計(jì)算分為:樁身強(qiáng)度、剛度、 豎向承載力、水平承載力的計(jì)算,并應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單樁 豎向抗壓靜載和水平靜載試驗(yàn)。打完樁后,樁頭需進(jìn)行 除銹防腐處理。
3.2 漂浮式基礎(chǔ)
浮體的材料必須具備密度小、耐腐蝕、耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂(風(fēng)浪、凍脹環(huán)境)、耐水汽滲透性、抗紫外線、對(duì) 水環(huán)境無(wú)污染等特性。目前常用的原材料是HDPE 即高 密度聚乙烯,HDPE 材料能滿足上述基本特性要求。 漂浮式基礎(chǔ)的類(lèi)型主要有浮管+ 支架、浮筒+ 支架、一體式 浮筒三種(見(jiàn)圖6、7、8),其優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比(見(jiàn)表1)
綜上,一體化浮筒的結(jié)構(gòu)形式因優(yōu)點(diǎn)多成本較低,越來(lái)越得到認(rèn)可。
3.3 光伏組件
水面環(huán)境下對(duì)光伏組件的性能提出更高的要求,組件的主要風(fēng)險(xiǎn)因素及對(duì)策如下:
① 潮濕環(huán)境下組件易產(chǎn)生 PID 效應(yīng)——選擇抗PID 效應(yīng)較強(qiáng)的雙玻組件;
② 潮濕 環(huán)境組件的電氣絕緣性能下降——選用更嚴(yán)密的封裝材料,組件通過(guò)雙85 測(cè)試;
③ 大風(fēng)大浪的晃動(dòng)易引起電池 片的隱裂——選用機(jī)械強(qiáng)度更優(yōu)秀的單晶硅片,背板材 料選用強(qiáng)化玻璃。 為盡可能降低因環(huán)境引起組件的風(fēng)險(xiǎn),建議選用抗PID 性能好,透水率低,抗酸堿老化更好的 雙玻單晶光伏組件。
3.4 電纜
水上光伏電站的電纜敷設(shè)可以采用橋架架設(shè)或沿浮體頂面敷設(shè),雖然不是直接浸泡在水中,但高濕的環(huán)境, 動(dòng)蕩的水面,常規(guī)電纜難以避免水分的浸入。電纜進(jìn)水后, 在電場(chǎng)的作用下,會(huì)發(fā)生水樹(shù)現(xiàn)象,水樹(shù)枝的產(chǎn)生將會(huì)造 成絕緣介質(zhì)損耗增加,同時(shí)降低絕緣電阻及絕緣擊穿電壓,加快老化速度,甚至?xí)?dǎo)致電纜絕緣被擊穿,縮短電 纜的使用壽命。 水上光伏電站的電纜建議使用防水電纜,防水電纜在外護(hù)套或內(nèi)襯層的內(nèi)部縱包鋁塑復(fù)合帶層作 為防水層實(shí)現(xiàn)防水功能。
3.5 匯流箱、逆變升壓設(shè)備
高濕環(huán)境下,電氣設(shè)備最容易出現(xiàn)箱體生銹腐蝕、插接件腐蝕、PCB 板銹蝕等現(xiàn)象。 水上光伏電站所選電氣設(shè)備必須有良好的抗腐蝕、防鹽霧能力、及絕緣耐壓性 能。 匯流箱或組串逆變器的防護(hù)等級(jí)必須在IP65 及以上,漂浮式電站因匯流箱或組串逆變器支架安裝固定在浮體 上,易接觸到水汽,建議防護(hù)等級(jí)IP67。 升壓變整機(jī)具備IP65 防護(hù)等級(jí),集中式逆變器因存在排風(fēng)系統(tǒng),但整 機(jī)防護(hù)等級(jí)也不能低于IP54,柜體內(nèi)關(guān)鍵部件提高防護(hù) 等級(jí)。
逆變器應(yīng)具備可靠的防PID 功能。水上光伏電站對(duì)各個(gè)電氣設(shè)備的性能要求較高,很多設(shè)備廠家針對(duì)水上 光伏項(xiàng)目特殊的運(yùn)行環(huán)境研發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于設(shè)備或構(gòu)件,選型時(shí)注意選用水上光伏電站專(zhuān)用設(shè)備。
4 水上光伏電站需完善及改進(jìn)的問(wèn)題
目前光伏電站的設(shè)計(jì)壽命為25 年甚至更久,作為水面光伏電站的重要支撐平臺(tái),浮體系統(tǒng)是關(guān)系到整個(gè)光 伏電站能否正常運(yùn)行發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。浮體材料對(duì)極端 氣候和水位變化較大時(shí)的適應(yīng)性還要進(jìn)一步研究,常用 的HDPE浮體材料易燃,且抗紫外線性能及韌性有待改進(jìn),使用壽命有待驗(yàn)證。
初期投資成本較高,相對(duì)于地面電站,打樁架高式光伏電站投資成本每瓦高出約4% 左右,水上漂浮式光伏電 站投資成本高出約12% 左右。
漁光互補(bǔ)項(xiàng)目面臨的實(shí)際問(wèn)題:捕撈不便、投飼料管理不便; 一般漁塘需要定期清淤消毒,但打樁后清淤比較困難,真正做到養(yǎng)殖與發(fā)電一體的項(xiàng)目不多; 電站的 建設(shè)對(duì)水塘生態(tài)環(huán)境及漁業(yè)養(yǎng)殖的影響有待考量。
運(yùn)維難度大,成本高。水上光伏電站的運(yùn)維主要依賴 人工巡檢,劃船巡檢難度大,效率低、人員安全風(fēng)險(xiǎn)大。智能化運(yùn)維水平、快速精準(zhǔn)故障處置能力有待提高。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)水上光伏電站的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等尚未有針對(duì)性、較成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,項(xiàng)目的建設(shè)主要靠 自身主觀經(jīng)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)流程需完善出臺(tái)[5]。
5 總結(jié)
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