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海洋漂浮式光伏发电系统的发电成本降低方式分析

2024-10-31 34 上传者：管理员

摘要：海洋漂浮式光伏发电作为漂浮式光伏发电新的发展方向，对全球可再生能源发展具有推动作用，引起了全球众多研究者的关注。目前，海洋漂浮式光伏发电仍处于发展阶段，存在发电成本高、输出功率不稳定等问题，难以实现大规模发展，因此，其仅占据新能源发电市场很小份额。从多源共生、产业联动、部件功能优化3个方面出发，对降低海洋漂浮式光伏发电系统发电成本的方式进行了分析，并对其未来发展进行了展望。由于目前海洋漂浮式光伏发电系统尚缺乏统一的标准和规范，中国政府应加强相关政策的制定和产业规划布局，通过协调企业间合作，推进市场培养，打造完整产业链，构建良性市场竞争环境。同时，相关研发机构也应加快推进海洋漂浮式光伏发电技术的研究，解决当前存在的发电成本高、能量损耗严重、电能供应不稳定等问题，推动海洋漂浮式光伏发电向大规模、大输出功率的方向发展。

关键词：
光伏组件
化石能源
发电成本
太阳电池
海洋漂浮式光伏发电系统
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随着电力需求的逐步增加和化石能源的日益枯竭，人类社会急需发展清洁的可再生能源[1-3]。太阳能作为一种分布广泛、清洁的可再生能源，是人类目前直接和间接应用最广泛的自然资源。光伏发电是太阳能的一种重要利用形式，其利用太阳电池的光生伏特效应将太阳能直接转化为电能，是目前应用最广泛的太阳能发电技术[4]。中国的水上漂浮式光伏发电项目起步于2016年。自“领跑者计划”及“十三五”规划出台后，中国光伏电站的核心建设区域已从消纳不足、限电严重的西部地区，转向了人口及商业区密集、电力缺口较大的中部和东部地区[5]。其中，海洋漂浮式光伏发电凭借海面可利用面积大、日照资源稳定、土地利用冲突小、冷却效果好等优势脱颖而出，成为中国可再生能源发展战略中的重要一环；且作为一种新型的光伏发电方式，一些国家已对其开展相关研究并投产了一定数量的项目。但由于海洋环境较为复杂、恶劣，导致此类光伏发电系统的建设成本较高，相应的发电成本也比陆上光伏发电系统的高。因此，如何在复杂、恶劣的海洋环境下提高海洋漂浮式光伏发电系统的经济效益，降低其发电成本，成为光伏行业亟待解决的问题[6-8]。本文从多源共生、产业联动、部件功能优化3个方面出发，对降低海洋漂浮式光伏发电系统发电成本的方式进行分析，为建设高效、低成本海洋漂浮式光伏发电系统提供新思路。

1、多源共生

相较于陆上，海洋的天气更加多变，且不可控，从长期来看具有不可预测性，从而影响了光伏发电系统的输出功率，进而会影响其经济效益。而多源共生方式是将其他发电方式与光伏发电相结合，在最大化利用可再生能源的同时，由于多种发电方式在共享基础设施，降低了海洋漂浮式光伏发电系统的建设成本，最终使其发电成本也得到降低。目前，可与海洋漂浮式光伏发电相结合的发电方式主要有风电和波浪能发电。

1.1 海洋漂浮式风光互补型电站

风电同样存在输出功率波动性大的问题，尤其是在气象变化更为活跃的海洋，其受到的影响更大。目前，大部分大型海上风电场的风电机组间均有较大间隔，且通过分析海洋大部分区域的太阳辐照度-风速散点图，发现太阳辐照度与风速之间呈弱负相关关系[9]，因此，在风电机组之间或附近铺设海洋漂浮式光伏组件是一个很好的选择。但由于需要同时输送风电和光伏电力，因此需要对电缆进行改进，以便于输送海洋漂浮式风光互补型电站产生的最大电力。采用风光互补型电站有助于降低输出功率的波动性，可以最大限度利用可再生能源，提高风电机组和光伏发电系统的发电效率。对于海洋漂浮式风光互补型电站而言，风电机组和光伏发电系统可共享电缆、系泊系统、防风浪设施等其他基础设施；虽然相较于任何单一发电方式而言，海洋漂浮式风光互补型电站的运维和建设成本都有所提高，但远小于两种发电方式独立运行时的运维和建设成本之和。位于山东半岛的某海洋漂浮式风光互补型电站照片如图1所示。

图1 山东半岛的某海洋漂浮式风光互补型电站照片

可在海洋漂浮式风光互补型电站中可引入智能调控和能源管理技术，从而实现风光资源的合理利用，避免发生“弃电”“限电”情况；此外，还可采用人工智能算法预测电网的电力需求，以及风电系统、光伏发电系统的发电情况，从而实现实时优化海洋漂浮式风光互补型电站的运行策略，提高电站整体发电量。

1.2 海洋漂浮式光浪互补型电站

目前，海洋漂浮式光伏发电技术的前沿研究之一是薄膜型漂浮式光伏发电技术，该技术正逐渐成熟，并已在部分光伏发电相关项目投产，应用该技术的项目俯拍图如图2所示。

图2 应用薄膜型漂浮式光伏发电技术的项目俯拍图

早期的海洋薄膜型漂浮式光伏发电装置采用了通过离散模块梁单元模拟波浪得到的非线性形变结构；同时，该装置采用的光伏组件可以折叠装箱，便于运输和布置。在上述设计基础上，目前的海洋薄膜型漂浮式光伏发电装置加装了波浪能发电装置，其在利用太阳辐射发电的同时，还可以通过波浪产生的机械能推动波浪能发电装置发电。在此类海洋漂浮式光浪互补型电站中，通过合理设计和布局，可以使海洋薄膜型漂浮式光伏发电装置实现双重发电功效，提高整体发电量和能源利用率。广义的波浪能发电方式有浮标式、挖孔式、压差式、补货式4种，海洋薄膜型漂浮式光伏发电装置加装的波浪能发电装置采用的是浮标式波浪能发电方式。

漂浮平台是海洋漂浮式光伏发电系统的重要组成部分之一，其主要任务是防风浪，而加装了波浪能发电装置的海洋薄膜型漂浮式光伏发电装置将被动抵御风能、波浪能转化为主动利用风能、波浪能进行发电，实现了在增加光伏发电系统发电量的同时降低发电成本的目的。

2、产业联动

海洋漂浮式光伏发电系统的一个重要特点就是易与其他产业相结合，充分发挥“光伏+”模式的优势，可将海洋漂浮式光伏发电系统与水产养殖业、海洋环境工程、化学工业等进行深度结合，增加单位海域复用率，在提升海洋漂浮式光伏发电系统的发电量及提高经济效益的同时，降低其发电成本[10]。

2.1 与水产养殖业的结合

当前的水产养殖业大部分都引进了现代化技术和设备，导致其电力需求较大。电力的稳定供应在保障养殖场正常运转、提高养殖效益等方面起着至关重要的作用。海水养殖业是水产养殖业的一个重要组成部分，其电力供应需要建设大量的基础设施，同时存在破坏养殖环境、污染海域的风险，因此其电力稳定供应较为困难。而小型的海洋漂浮式光伏发电系统能很好地解决此类问题，这是因为此类发电系统和与其配套的储能设备足以支撑海水养殖场的电力供应[11]。

渔光互补光伏发电项目是中国海洋漂浮式光伏发电项目的主要开发模式之一，其利用水域的上下部资源进行发电、养殖一体化经营，项目照片如图3所示。这种方式不仅可提高水域的利用效率，也可提升海洋漂浮式光伏发电系统的发电量，降低其发电成本。

2.2 与海洋环境工程的结合

海洋漂浮式光伏发电系统对海洋环境最直接的影响是对水体温度的影响。此类系统不仅减少了直接照射到水面的太阳辐射量，也保护了水体免受风力的影响，继而影响水体的温度和分层。实验表明：大型水上漂浮式光伏发电系统有助于降低局部水域的水温，这对于近几年部分水温上升较快的海域来说无疑是有益的。与此同时，海洋水体还可为光伏组件降温，提高其发电效率，降低发电成本。

图3 某渔光互补光伏发电示范项目照片

竹基海洋漂浮式光伏发电系统(如图4所示)是中国2023年投产的海洋漂浮式光伏发电项目。该发电系统的漂浮平台采用以竹子为基础的建筑材料制作，在增加漂浮平台浮力的同时，排除了传统漂浮平台采用不可降解材料给区域海洋环境带来的不可逆转的巨大伤害。此外，海洋漂浮式光伏发电系统的建设也会促进关于海洋生态的研究，比如：若要建设和运营海洋漂浮式光伏发电系统，需要对海洋生态环境进行深入研究和监测，以确保该发电系统的建设与生态保护相协调，有助于促进对区域海洋生物、海洋生态系统的科学认识和研究[12]。此类系统的应用在保护海洋环境的同时，还提升了自身发电量，降低了系统的发电成本。

图4 竹基海洋漂浮式光伏发电系统照片

图片来源：深圳商报

2.3 与化学工业的结合

得益于海洋漂浮式光伏发电系统的使用环境，其光伏组件发电时产生的废热问题得到了很好的解决。因此对于废热产生较多、耗电量较大的化学工业来说，海洋漂浮式光伏发电系统是优质的供电来源。

光伏发电制氢技术路线是利用光伏发电系统所发直流电为制氢系统提供电力。电解水制氢是一种通过电解水来生成氢气和氧气的方法，是一种成熟的制氢技术。将海洋漂浮式光伏发电系统和电解水制氢系统相结合，不但可以充分利用太阳辐射进行发电，还可以利用海水制氢和为光伏组件散热。二者相结合不但有效提高了海洋漂浮式光伏发电系统的效能和附加值，还充分利用氢气储存电能；此外，二者还可以共享漂浮平台、控制系统等基础设施。

虽然海洋漂浮式光伏发电系统与化学工业结合可以发挥其优势产生清洁电力，但仍需要注意废热过多对海洋生态造成的影响[13]。

3、部件功能优化

对海洋漂浮式光伏发电系统的部件进行功能优化，也有助于提高系统的发电量，降低发电成本。下文从减少能源消耗、稳定能源供应和抵抗波浪破坏这3个方面对海洋漂浮式光伏发电系统的部件功能优化进行分析。

3.1 减少能源消耗

海洋漂浮式光伏发电系统减少电力消耗的方法之一就是减少其存储和运输过程中的电力消耗。由于海洋环境复杂，漂浮式光伏发电系统对其所采用电缆的要求很高。目前，大多数海洋漂浮式光伏发电系统使用的电缆是对陆上电缆改进后的电缆，此种电缆的机械强度较高、抗海水腐蚀能力强、使用寿命长，且其在防水性能、电气性能和高温性能上均能够满足在海底使用的要求。

此外，由于光伏组件在工作过程中会产生热量导致其发电量降低，可通过处理光伏组件发电过程中的热量来提高光伏组件的发电量，以降低其发电成本。浸入式冷却技术能很好地解决光伏组件产生的废热问题，通过将光伏组件浸入水体中，从而达到某种程度的散热或减少风浪冲击影响的效果，利用高比热容的海水来代替常用的蒸发冷却器对光伏组件降温[14]。浸入式冷却技术的冷却效率较高，使海洋漂浮式光伏发电系统的发电量比陆地光伏发电系统的高，但也对采用此技术的光伏发电系统的结构和光伏组件材料的抗腐蚀性提出了更高要求。采用浸入式冷却技术的海洋漂浮式光伏发电系统如图5所示。

图5 采用浸入式冷却技术的海洋漂浮式光伏发电系统照片

3.2 稳定能源供应

稳定的能源供应是海洋漂浮式光伏发电系统大规模应用的条件之一。由于一天内太阳高度角一直在变化，若光伏组件保持固定，会导致其在一天内不同时刻接收到的太阳辐射量有很大不同。因此，光伏发电项目通常采用有一定倾角的光伏组件布置方式或采用跟踪式光伏支架。而海洋漂浮式光伏发电系统与陆上光伏发电系统的不同之处在于其会受到波浪的影响，且目前的减震技术也不足以完全消除波浪影响。由于海洋环境较为复杂，波浪的大小难以预测和模拟，因此，“时均倾角”概念的提出有助于解决海洋漂浮式光伏发电系统中光伏组件安装倾角问题。时均倾角是指在规则波浪作用下，光伏组件的平均倾斜角度[15]。此外，当光伏组件以一定倾角布置时，也对安装光伏支架的漂浮平台的抗波浪性能提出了更高要求。

3.3 抵抗波浪破坏

若要实现海洋漂浮式光伏发电系统的大规模建设，需先解决波浪对其造成的影响，包括海水对光伏设备的侵蚀和波浪能对漂浮平台和锚固系统的破坏等。目前，虽然针对海水对光伏设备侵蚀问题的解决方案较少，但较为有效的措施是将储电设备和其他控制设备密封在漂浮平台内；同时，采用可适应高湿度环境的光伏组件也是较为直接有效的措施。

传统的海洋漂浮式光伏发电系统的锚固系统主要是采用较轻的漂浮平台和强度较高的固定用缆绳来降低波浪对其造成的影响。而最新的海洋漂浮式光伏发电系统则采用小型的光伏发电模块，且各模块间相互独立，从而降低了波浪对锚固系统的影响。此外，研发抵抗波浪影响的高效光伏组件也是之后海洋漂浮式光伏发电系统的研发方向。

4、展望

受到土地资源匮乏等因素的制约，陆上光伏发电的发展遇到瓶颈，漂浮式光伏发电是目前光伏产业的主要发展方向。海洋漂浮式光伏发电作为漂浮式光伏发电的新领域、新开发模式，发展前景广阔、大有可为，但目前此技术邻域尚缺乏统一的标准和规范。中国拥有绵延狭长的海岸线，辽阔的海域，海洋漂浮式光伏发电企业应积极把握光伏产业新的发展机遇，充分发挥光伏发电技术、成本和海域优势，深入参与全球光伏发电市场竞争环境。中国政府应加强相关政策引导和规划布局，通过协调企业间合作，推进市场培养，打造完整产业链，构建良性市场竞争环境。同时，相关研发机构也应加快推进海洋漂浮式光伏发电技术的研究，解决当前存在的发电方式单一、发电效率低、附加值低、能量损耗严重、电能供应不稳定等问题，推动海洋漂浮式光伏发电向大规模、大输出功率的方向发展。

5、结论

本文从多源共生、产业联动、部件功能优化3个方面出发，对降低海洋漂浮式光伏发电系统发电成本的方式进行了分析，并对其未来发展进行了展望。由于目前海洋漂浮式光伏发电系统尚缺乏统一的标准和规范，中国政府应加强相关政策的制定和产业规划布局，通过协调企业间合作，推进市场培养，打造完整产业链，构建良性市场竞争环境。同时，相关研发机构也应加快推进海洋漂浮式光伏发电技术的研究，解决当前存在的发电成本高、能量损耗严重、电能供应不稳定等问题，推动海洋漂浮式光伏发电向大规模、大输出功率的方向发展。

参考文献:

[5]陈东坡.我国水上光伏电站的新机遇､新发展和新挑战[J].电子产品世界,2017,24(5):3-5.

[10]张木梓,王艺澄.全球水上光伏产业的发展现状及市场前景分析[J].太阳能,2020(7):19-24.

[12]鲁文鹤,练继建,董霄峰,等.波浪作用对海洋漂浮式光伏光照辐射能的影响[J].水力发电学报,2023,42(5):35-42.

[14]梁深,郑宏飞,马兴龙,等.水下太阳能聚光光伏-海水淡化复合系统研究[J].工程热物理学报,2022,43(1):13-18.

[15]杨志银.基于双目视觉位移视频监控技术的漂浮式水上光伏电站浮筒位移监测的研究[J].太阳能,2021(8):72-77.

文章来源:章豫,高堂明,彭丽颖,等.海洋漂浮式光伏发电系统的发电成本降低方式分析[J].太阳能,2024,(10):93-98.