干旱区水上太阳能电池板与浮球联合作用对节水效率的影响

　　摘要：干旱区太阳能资源丰富、降雨量少、蒸发强烈、水资源匮乏，为进一步缓解干旱区水资源匮乏问题，利用浮球作为防蒸发材料，结合太阳能电池板对水面的遮挡作用，分析太阳能电池板遮挡下各月份蒸发抑制率和太阳能电池板与浮球联合作用下的抑制率。一整年内太阳能电池板遮挡下的水面蒸发抑制率随时间变化先增大后减小，7月份达到最大值为40.2%，1月份达到最低值为12.1%;在非冰冻期内，太阳能电池板与浮球联合和无遮挡下围栏蒸发抑制率7月份达到最大分别为88.6%、86.8%，4月份最小分别为85.0%、80.6%，冰冻期水面蒸发抑制率为91.1%。太阳能电池板与浮球联合下比太阳能电池板遮挡下蒸发抑制率提高了57.9%。

　　关键词：干旱区;太阳能电池板;浮球;蒸发;抑制率

　　1引言

　　随着经济的发展，节约资源、保护环境逐渐成为全社会的共识[1]，因此需积极寻找有效对策，减少化石能源消耗，其中太阳能光伏发电对于节约传统能源、保护环境、促进经济发展有重要作用，但其进一步发展受到土地面积的限制，故架设场地由地面转向水面，形成了一种新型的太阳能光伏电站—水上光伏电站[2]，其中光伏组件面板遮挡光照，可减少水体自由表面蒸发和组件表面灰尘，降低水体温度，避免有害藻类滋生，净化水体环境[3，4]。

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　　因此，结合水上光伏发电技术与防蒸发节水技术，建立集产能、节水为一体的水上光伏电站，对于光伏发电技术在水资源匮乏的干旱区的应用，具有重要现实意义。目前，关于减少水面无效蒸发的研究成果较丰富，主要包括化学试剂覆盖[5]、生物技术覆盖[6]和物理覆盖[7]。本文基于现有研究，利用浮球作为防蒸发材料，结合太阳能电池板，分析太阳能电池板与浮球联合作用对防蒸发节水效率的影响，以期为光伏发电技术在干旱区的应用提供参考。

　　2材料与方法

　　2.1试验材料

　　水上光伏浮体作为光伏电站的重要支撑平台，应具备良好的耐腐蚀性、适宜的密度、强度高、憎水、无毒、抗冻胀、抗风浪、抗氧化和抗紫外线分解等特性[8]，本试验选用纤维增强复合材料(FRP)作为浮体结构，其形状为圆管形，FRP材料强度高、质量轻、耐久性好、耐腐蚀、易于施工，广泛应用于航空航天工程、风力发电、道路、桥梁、挡土墙和海洋工程等。太阳能电池板选用相同型号的两块单晶硅太阳能板，尺寸为1480mm×680mm×35mm，电池板安装倾角为18°。防蒸发材料选用高密度聚乙烯(HDPE)材质，直径为100mm，质量为40g的均质空心浮球。

　　2.2试验方法

　　试验地位于天山东部博格达山南麓吐鲁番市胜金乡境内的胜金沟水土保持三期水库，属典型的大陆性温暖带干旱荒漠气候，该区域日照长、光热资源丰富、气温高、降雨稀少、无霜期长、日照充足、昼夜温差大、多大风及干热风等。区域多年平均日照时数为2957.7h，多年平均太阳能辐射总量为5943.53MJ/m2，多年平均气温为14.1℃，极端最高气温为48℃，极端最低气温为-29.2℃，多年平均降水量为16.2mm，多年平均蒸发量为3520mm(Φ20蒸发皿);多年平均风速为1.5m/s，最大风速为25m/s，试验区2～11月为非冰冻期，12月至次年1月为冰冻期，试验期限为一整年。

　　浮球自由漂浮在水面上，受风浪环境的影响容易发生翻滚，造成浮球表面润湿，浮球的润湿率随风速的不断增大而增大。将浮球固定在水上光伏发电单元体内，在太阳能电池板的遮挡下可降低浮球表面温度，从而减小水面蒸发速率;另一方面浮球在单元体内紧密排列在一起，可以提高单个浮球和整体在风浪中的稳定性，从而提高浮球的节水效率[9]。但浮球的弧形结构造成浮球间最大横截面处形成3点接触，对于直径为100mm的浮球，浮球间的孔隙率为9%，当浮球覆盖水面时浮球间9%孔隙水域会发生蒸发损失。因此太阳能电池板遮挡浮球表面时，还可减小浮球间孔隙所造成的蒸发损失，从而达到消减水面蒸发的效果。

　　2.2.1太阳能电池板遮挡下抑制水面蒸发试验试验场所选在靠近水库岸边的平坦空地上，周边视野开阔，无遮挡。试验装置为2个相同型号的尺寸为1.0m×1.0m×0.3m的蒸发器和2块1.20m×0.55m的太阳能电池板，分别标记为A、B蒸发器，为避免蒸发器器壁对水温的影响，外部包裹相同厚度的纸板，内部铺设同一型号的防渗膜。

　　A蒸发器水面上方选用2块1.20m×0.55m的太阳能电池板遮挡，电池板安装倾角为18°;B蒸发器水面不用任何材料遮挡，记录其在自然条件下的水面蒸发量。试验期间，A、B两蒸发器内水位变化利用水位测针进行观测，观测精度为±0.1mm，每日20：00观测记录两蒸发器水位，因太阳能电池板的遮挡，两个蒸发器水位会不同，每隔3d在20：00记录完数据后，将两蒸发器水位补充到相同水位。

　　3试验结果与分析

　　3.1太阳能电池板遮挡下水面蒸发抑制率分析将两蒸发器全年蒸发量代入式(2)即求出各月太阳能电池板遮挡下水面蒸发抑制率。经过一年的试验观测，太阳能电池板遮挡下年平均蒸发抑制率为29.4%;其中1、12月为冰冻期，其平均蒸发抑制率为12.9%，2～11月为非冰冻期，其平均蒸发抑制率为32.7%，根据图2可知，太阳能电池板遮挡水面的抑制蒸发率随时间的变化先增大后减小，其中7月份达到最大值为40.2%，1月份达到最低值为12.1%。

　　3.2风速分析采用NK5500便携式气象站，采集试验区一 整年的气象数据，将不同风速出现的频率按天进行统计整理计算，试验区内各月风速主要为2、3级风，2级风主要出现在5～8月，分别为80.4%、73.4%、72.8%、77.8%。4级以上风主要出现在3、4月，出现频率为32.5%、43.3%，其中6级以上大风为13.1%、11.4%，其他各月出现6级以上大风频率较低。

　　3.3浮球润湿率分析

　　随着风速的持续增大，太阳能电池板遮挡与无遮挡围栏内浮球的润湿率均随之增大;在0～1.5m/s风速下，两个围栏内浮球不受波浪影响，即浮球覆盖下水面为静水状态，浮球润湿率为0;随着风级的增大，水面形成的波浪也不断增大，由于太阳能电池板遮挡下的围栏质量大，吃水深度大，迎风面受力面积大，出水高度高，使得浮体内浮球的稳定性更好，抵抗风浪的能力更强，润湿率更小，在极端风速下，因浮体出水高度高可以减缓风速 对浮球造成的影响，也可阻挡浮球被刮离围栏;当风级大于5级时，两种围栏对水面波浪的消减能力有限，水面波浪对围栏内浮球润湿率的影响较大;风级超过6级时，无太阳能电池板遮挡和有遮挡围栏内浮球润湿率分别为31%、18%。

　　3.4蒸发抑制率分析

　　将非冰冻期内不同风速下围栏浮球润湿率代入式(4)，得出浮球在围栏内的蒸发抑制率，浮球在不同形式的围栏内蒸发抑制率随风级的增大而减小。当风级大于6级时，围栏内浮球蒸发抑制率最小，无太阳能电池板遮挡围栏蒸发抑制率为62.0%，有太阳能电池板遮挡围栏蒸发抑制率为73.6%。

　　4结论

　　a.一整年内太阳能电池板遮挡下的水面蒸发抑制率随时间变化先增大后减小，7月份达到最大值为40.2%，1月份达到最低值为12.1%。b.在干旱区平原水库发展水上光伏电站，可减少水面的无效蒸发，由于受到太阳能电池板的朝向、倾角、太阳高度角、风速等因素的影响，使一部分水面暴露在大气当中，不能完全遮挡太阳辐射，蒸发抑制率较小。c.在非冰冻期内，太阳能电池板与浮球联合和无遮挡下围栏蒸发抑制率7月达到最大分别为88.6%、86.8%，4月最小分别为85.0%、80.6%，冰冻期无效蒸发主要为由浮球间孔隙和太阳能电池板倾角所造成的水面蒸发，抑制率为91.1%。d.太阳能电池板与浮球联合作用下，比无电池板遮挡下浮球蒸发抑制率提高了2.9%，比太阳能电池板遮挡下蒸发抑制率提高了57.9%。

　　参考文献：

　　[1]姚劲.中国新能源产业发展存在的问题及对策[J].科技创新与应用，2019(30)：114-115.

　　[2]潘霄，曾杰，李德，等.水面漂浮式光伏电站浮式基础结构分析研究[J].人民长江，2017，48(20)：80-85，95.

　　[3]孙杰.水上光伏电站应用技术与解决方案[J].太阳能，2017(6)：32-35.

　　[4]OLIVEIRA-PINTOS，STOKKERMANSJ.As-sessmentofthepotentialofdifferentfloatingsolartechnologies–Overviewandanalysisofdifferentcasestudies[J].Energyconversionandmanage-ment，2020，211：112747.

　　[5]GAINESGL.Insolublemonolayersatliquid-gasin-terfaces[M].NewYork：IntersciencePublishers，1966.

　　作者：石兴鹏1，侍克斌1，韩克武2，肖建3

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