一種漂浮式太陽能光伏泵站的研究

□何清燕 蔣輝霞 劉波 陳立 陳爽/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院

1 研究背景及意義

太陽能光伏提水具有無污染、可持續(xù)、總量大等優(yōu)點，被列為四川省農(nóng)業(yè)主推技術(shù)。但在推廣過程中，有許多地區(qū)存在太陽能光伏組件場地占地面積大的問題，特別是在水庫和山坪塘附近很難找到足夠大的場地，同時又不允許占用農(nóng)田和林地。為了節(jié)約越來越緊缺的土地資源，本文研究了一種漂浮式太陽能光伏泵站，將太陽能光伏組件場地建在水庫、湖泊、池塘等水面上，通過太陽能光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為水泵機(jī)組提供動力，完成提水工作。

相比傳統(tǒng)的地面式太陽能光伏泵站，漂浮式太陽能光伏泵站具有以下優(yōu)勢：一是合理利用空間，節(jié)約土地資源，降低建設(shè)成本；二是有效避免因征地引起的糾紛，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣椭C；三是擁有更好的通風(fēng)散熱效果及統(tǒng)一的標(biāo)高平整度，運行效率更高；四是四川省天然水域豐富，具有巨大的建設(shè)前景；五是安裝環(huán)境開闊、無遮擋，受周圍環(huán)境因素制約較小，避免了植被破壞，有利于保護(hù)環(huán)境；六是由于水冷卻的效果，漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量同比地面光伏發(fā)電系統(tǒng)有所提高；七是可以實現(xiàn)資源的綜合利用，如漁光互補。因此，漂浮式太陽能光伏泵站有效地突破了土地資源對太陽能光伏泵站應(yīng)用的制約，這對土地資源稀缺而水體眾多的地區(qū)來說尤其重要，蘊藏著巨大的開發(fā)潛力。

2 系統(tǒng)組成

漂浮式太陽能光伏泵站由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、漂浮系統(tǒng)、專用控制系統(tǒng)和提灌系統(tǒng)組成（如圖1所示）。其中，太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能光伏組件、防水阻燃電纜等，漂浮系統(tǒng)由浮體、連接栓、支撐件、錨固系統(tǒng)、線纜敷設(shè)系統(tǒng)等構(gòu)成，專用控制系統(tǒng)包括逆變控制器、傳感器等，提灌系統(tǒng)包括專用水泵機(jī)組、管道管件等。漂浮式太陽能光伏泵站利用漂浮系統(tǒng)將太陽能光伏組件場地建設(shè)在水面上，通過專用控制系統(tǒng)控制水泵機(jī)組和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可根據(jù)太陽能光照條件和蓄水池水位情況實現(xiàn)自動啟停，無需專人值守，節(jié)能省工。

3 關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)地面式光伏泵站相比，漂浮式光伏泵站設(shè)計的關(guān)鍵在于漂浮系統(tǒng)。漂浮系統(tǒng)由浮體、連接栓、支撐件、錨固系統(tǒng)、線纜敷設(shè)系統(tǒng)等構(gòu)成。目前，在水面光伏發(fā)電領(lǐng)域有浮管式、標(biāo)準(zhǔn)浮箱式、HDPE浮箱+支架式、高性能鋼筋混凝土浮箱式四種漂浮系統(tǒng)。浮管式漂浮系統(tǒng)具有造價較低、可靈活布置傾角的優(yōu)點，但是連接節(jié)點多、施工困難且檢修難度較大。標(biāo)準(zhǔn)浮箱式漂浮系統(tǒng)具有模塊化、輕量、連接節(jié)點少、施工方便、能較好地適應(yīng)水面波動等優(yōu)點，但造價較高，浮箱連接耳環(huán)是其薄弱環(huán)節(jié)，需經(jīng)過計算并采取加強措施，且組件不能實現(xiàn)最佳傾角。HDPE浮箱+支架式漂浮系統(tǒng)的浮箱僅作為浮體，提供浮力，較大的水平力由金屬支架承擔(dān)，構(gòu)造措施的采用，更適應(yīng)水面環(huán)境，但連接節(jié)點多、施工難度較大，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。高性能鋼筋混凝土浮箱式漂浮系統(tǒng)的浮箱耐久性高，造價較低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，但浮體自重大，且底地勢起伏較大，最低枯水位時光伏陣列下水深小于0.7m時不能采用該系統(tǒng)。

四種漂浮系統(tǒng)各有優(yōu)缺點和不同的適用范圍，在進(jìn)行漂浮式光伏泵站設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)條件、水位變幅、風(fēng)速風(fēng)向及資金預(yù)算等合理選用。設(shè)計漂浮系統(tǒng)時，需計算最不利工況下的承載力、傾覆力、連接錨固力等，并考慮其耐久性和經(jīng)濟(jì)性。浮體等所用材料應(yīng)具有抗老化、耐腐蝕、可回收等特點，滿足25年以上使用壽命的要求。

此外，錨固系統(tǒng)是漂浮式太陽能光伏泵站設(shè)計的難點，也是漂浮系統(tǒng)、線纜敷設(shè)系統(tǒng)、接地系統(tǒng)能否可靠工作的關(guān)鍵點。錨固系統(tǒng)可分為配重錨固、專用錨錨固和樁錨固。光伏陣列在風(fēng)荷載、水流、波浪等的作用下，產(chǎn)生一定的水平力，配重錨固、專用錨錨固提供的錨固力較小，需要設(shè)置的錨固點數(shù)量較多，樁錨固具有更強的錨固力，能減少設(shè)置的錨固點數(shù)量。

圖1 漂浮式太陽能光伏泵站示意圖

線纜敷設(shè)優(yōu)先采用浮體上敷設(shè)方式，其次選用水下敷設(shè)方式，設(shè)計時應(yīng)確保后期維護(hù)的便利性；線纜設(shè)計時應(yīng)根據(jù)水位的變化充分考慮線纜長度的余量；此外還應(yīng)根據(jù)水域的自然環(huán)境來確定電纜護(hù)套的材料。

4 結(jié)語

本文從漂浮式太陽能光伏泵站的研究背景、系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了分析和闡述。該研究成果具有節(jié)約土地資源、提高發(fā)電效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，適合在太陽能資源豐富且有水庫、湖泊、池塘等水域的地區(qū)進(jìn)行推廣。