浅析水上光伏减少水体蒸发量的应用

浅析水上光伏减少水体蒸发量的应用

作者：孙燕王志强

来源：《水能经济》2016年第02期

【摘要】我国大部分地区降水量少于蒸发量，水资源总量严重匮乏。中国的可持续发展水资源是关键。在研究节水措施的同时，如何有效减少水体水面蒸发量成为新的研究方向。在以往研究的基础上，本文提出了利用水面光伏覆盖抑制水体水面蒸发量的方法，并进一步分析了水面光伏减少蒸发量的可行性及优势。

【关键词】水体蒸发；减少蒸发量；水上光伏；相对湿度；水面温度

我国是世界上公认的水资源紧缺国家之一，随着全球气候变暖、蒸发量的加大，淡水湖泊、水库的淡水资源越来越稀缺。陆地水量平衡主要取决于降水、径流和蒸发量。水面蒸发是水循环过程的一个重要环节，是水体水量损失的一个重要部分。目前全球各个行业均在致力于减少水体蒸发量的研究和尝试，主要的有覆盖黑色塑料球体、遮阳蓬、水上光伏等形式，但是从能源的角度看水上光伏更为合理可行。

1、水面光伏的应用

1.1 水上光伏国内外现状

2005年6月国内首座大型水面光伏电站在河北省落成，装机容量8MWp。与日本、英国、韩国等应用较早的国家相比我国起步较晚，目前，日本保持着水面光伏电站最大输出纪录。

1.2 水上光伏系统的构成：

水上光伏电站组成部分主要为太阳能组件、汇流箱、逆变器、变压器、集电线路、聚乙烯浮体架台等。

1.3 水上光伏电站优点：

（1）水上光伏电站的太阳能组件可以遮蔽大量的水体，大大减少水体水量的蒸发，节约水资源；

（2）同时由于组件对太阳光的遮挡，形成较大的投影面，减少了光合作用，一定程度上抑制藻类成长，有利于水污染防治；

（3）水上光伏电站具有整体性，方便太阳能跟踪系统的安装和运行，减少了地面光伏电站因每块电池板均需安装双轴跟踪系统而造成的大幅提高的成本；

（4）由于光伏组件依托于浮体架台漂浮在水面上，水对其有冷却作用，光伏组件温度降低输出电能增加，水上光伏电站可比大型地面电站和屋顶分布式光伏电站获得更多发电量；

（5）浮体架台100%可回收，所利用高密度聚乙烯，可抗紫外线、抗腐蚀；

（6）水上电站依附于水体，台风来临时可随水体浮动避免折损，抵御台风的侵袭；

（7）水上光伏电站依托水体表面，不仅减少对耕地、林地、草地等土地的占用，而且不需要土建开挖有利于水土保持；

（8）水上光伏电站可通过岸边组装，水路运输、安装便利；

（9）水上光伏电站处在水环境中，减少了灰尘等固体吸附，并且清洗组件取水方便减少了因光伏面板清洗而造成的成本及电量损失。

（10）由于国家对农用地和建设用地做出征税规定，而水上光伏采用的免税水面比征税地面的成本要小得多；

（11）水上光伏电站还可以改善水体的生态环境提高水产产量，并且不仅不破坏原有水体还可以增加其观赏性。

2、水上光伏对蒸发量的影响

2.1 我国的气候环境和蒸发量情况

我国大面积处在干旱和半干旱地区，潜在蒸发量日益加大，淡水湖泊和地下水位逐年下降。水面光伏电站由于遮盖大量水体表面，可以减少水分蒸发。

2.2 青海湖蒸发量情况

水面蒸发强度与空气温度、湿度、风都密切相关，一般温度高、湿度小、风速大的地方水面的蒸发量也大。对于大水体水面蒸发分析计算内容主要有：

2.2.1典型蒸发池、站的选择；

2.2.2典型蒸发池、站各不同类型蒸发器皿的水面蒸发系數分析、选定及其多年平均年、月蒸发量系列计算；

2.2.3工程水体区陆面蒸发量的计算；

2.2.4水体增损深度计算。

青海湖位于青藏高原的东北缘，为我国面积最大的湖泊.实测记录表明该湖水位下降非常显著，水面蒸发是这个内流湖泊水分损失的最主要原因。基于以上计算内容根据高原咸水湖泊实际特征对彭曼公式进行了修正，估算了青海湖1960-2006年水面蒸发量如下：

青海湖水面8月蒸发量最大，1月最小，4-10月的蒸发量占全年的80%左右，12月3月的蒸发量仅占全年的15%；夏季蒸发量占全年的比例最高37%，其次是春季31%，秋季26%，冬季仅占6%。

2.3 水上光伏的研究与模拟效果

基于以上青海湖蒸发量的研究，模拟安装水上光伏电站，由于光伏组件的覆盖，对水面蒸发起主要作用的辐照度、水面风速、温度、湿度都将发生巨大的变化。由于湖泊的蒸发量主要是温度和辐照度引起的，水温又与太阳照射有很大关系，所以蒸发量的最直接的因素是辐照度的影响。而水面光伏恰恰是在辐照度最强的时候，有效地把太阳的光能转换为电能，减少了对水体的照射，并起到了隔热的左右。通过多次的研究与计算机模拟，我们发现水上光伏电站对淡水湖泊的蒸发起到了巨大的抑制作用，使其全年蒸发量减少约40%以上。

3、水上光伏的应用前景

从国外的发展可以看出，各国的水上漂浮光伏电站的发展模式基本上都遵循着企业牵头、政府支持、科技支撑的模式，电站规模有着越来越大的趋势。光伏电站的缺点之一是能量分散，占地面积大。理论上每10千瓦光伏发电系统占地100平方米，相当于单位千瓦占地10平方米。但为了减少阴影效应，减少发电量的损失，电池板之间需要存在一定的间隔距离，从而进一步加大了占地面积。中国人多地少，发展水上光伏发电站可以解除土地因素的束缚，拓宽光伏发电的应用，节约土地减少蒸发量，同时还提高发电量，在提升经济效益的同时，保持环境的健康、和谐发展。

参考文献：

[1]彭敏，陈桂琛，周立华.青海湖水位下降和湖区人为耗水关系的研究[J].地理科学，1994，14（2）：126-135.

[2]左大康.中国地区太阳总辐射的空间分布特征气象学报，1963，33（1）：78-96.