漂浮式光伏關鍵部件耐候性研究綜述

彭煌，王俊，陳心欣，時宇，王梁彬

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663；2.茂名綠色化工研究院，茂名 525099）

引言

根據相關部門的預測，未來20 年全球能源需求的增長預計將達到28 %[1]。這種能源需求的增長在發展中國家中最為迅速[2]。隨著這些國家人口增長、城市化和工業化的加快，他們對能源的需求將不斷增加，以滿足人們的生活和經濟發展需要[3]。隨著可再生能源技術的進步和可再生能源的推廣，人們對清潔能源的需求也在增加[4]。為了應對能源需求的增長和氣候變化挑戰，各國正致力于促進能源轉型，推動可持續能源的開發和利用。值得注意的是，建設大規模集中式光伏發電廠需要大量土地資源，每兆瓦的裝機容量約需要1.6 公頃[5]。隨著光伏發電廠的裝機容量繼續增加，適用于光伏發電廠的優質土地資源越發稀少，迫使開發商不得不在不利的位置和地形進行建廠，導致發電傳輸損失增加和更多工程投入，從而增加成本支出，降低光伏電站的效益和經濟可行性[6]。

1 研究背景

浮式光伏（Floating Photovoltaic）在21 世紀之初就已經被提了出來，用來應對如今這種挑戰。這種光伏電站的建設能夠利用尚未開發甚至已開發的水域資源，避免了與陸地上工業或者農業用地的沖突。同時，利用水域環境方便取水的優勢，還有助于低成本地給光伏組件降溫，并且相較于地面，水面上光的反射率更高，一方面光伏組件的溫度降下來了，一方面又增加光伏組件的輻射能吸收，可以幾大地提高光伏板的發電量[7]。研究表明，不同規模的漂浮式光伏電站的光伏系統發電量增長范圍介于為（2~11）%之間。此外，光伏組件覆蓋在水上面還有助于減少水汽的蒸發、抑制藻類的生長，進而防止水體富營養化等生態效應[8]。還有，假如光伏電站是建在水電站的水庫上，還可以與梯級水電站進行調度的互補，提高整體調峰效果，減小系統總出力波動平均值，提升整個電站的電能輸送質量[9]。

現階段，漂浮式光伏電站的開發范圍主要還是在內陸的水域或者較小的近海海灣，這些都是環境應力負荷較輕的地方。由于環保等影響因素的制約，這些水域基本都無法滿足建設大規模光伏電站的需求。然而，近海海域的廣闊空間為光伏發電提供了充足的建設場所，因此海上浮式光伏成為現階段全世界光伏領域研究的熱門。理論上，我國擁有超過7 億千瓦的海上光伏可開發容量，具備巨大的開發潛力。隨著全球對可再生能源需求的不斷增加，太陽能光伏發電作為一種清潔、可持續的能源選擇備受關注。如圖1~4 所示，有多種不同類型的漂浮式光伏系統可供選擇[10]。作為一種快速發展的太陽能利用方式，近海漂浮式光伏具有諸多優勢，例如充分利用近?？臻g、減輕土地壓力以及降低光伏關鍵部件的溫度等。盡管如此，光伏關鍵部件在近海環境的特殊條件下仍需應對耐候性能的挑戰。

圖1 水上漂浮式光伏結構

圖3 多柱浮體海上光伏發電平臺

圖4 平板浮體海上光伏結構

2 研究意義

近海環境與陸地環境相比，具有更高的濕度、更強的海風、更多的鹽霧等因素。這些環境條件對光伏關鍵部件的性能和壽命產生不利影響。首先，水離子和氯離子的腐蝕作用會導致光伏關鍵部件表面的金屬和材料受損。其次，高濕度和海風會加速光伏關鍵部件的老化和組件背面的污染積累，降低發電效率。此外，近海環境的溫度變化大、日照時間長，還會加劇光伏關鍵部件的熱應力和紫外線輻射侵蝕，影響光伏關鍵部件的性能和壽命。

因此，為了確保近海漂浮式光伏系統的可靠性和持久性，評估光伏關鍵部件的耐候性非常重要。通過對關鍵部件的耐候性評估，可以掌握光伏關鍵部件在近海環境下的性能變化規律，為光伏系統的設計、運維和維護提供科學依據；同時，近海環境對光伏關鍵部件造成的腐蝕、老化等問題會降低光伏系統的發電效率和壽命，甚至導致部件故障，通過評估組件的耐候性能，可以預測和減少這些潛在的風險，確保光伏系統的可靠性和穩定性；其次，通過研究和應用提升技術，可以改善光伏關鍵部件材料的防腐蝕性能、提高組件的抗濕度和抗紫外線輻射能力，延長其使用壽命，從而提高系統的發電效率，降低能源成本；最后，近海漂浮式光伏作為一種利用近?？臻g的新型發電方式，具有巨大的潛力和優勢，通過研究光伏關鍵部件的耐候性評估和提升技術，可以促進近海漂浮式光伏的可持續發展，推動清潔能源的應用和環境保護。近海漂浮式光伏關鍵部件耐候性評估及提升技術研究具有重要的科學和工程意義，對推動近海光伏發電技術的發展，促進可再生能源應用具有重要的現實意義。

3 研究進展

目前，光伏電站大部分是在陸地上進行建設，而在水中進行建設的項目還寥寥無幾。對于這方面的研究內容，國內外都還較為有限。然而，近期已經出現了一些試驗性的水上光伏發電項目，并且一些光伏產業廠商已經認識到了漂浮在水上的浮動式太陽能系統的潛力，積極推動該技術的研究和應用[11]。

2007 年，美國的SPG 公司最開始在加利福尼亞州的葡萄園進行水上漂浮光伏發電研究[12]。他們在葡萄園的池塘中安裝了漂浮在水面的光伏系統，避免了占用寶貴的土地資源。

圖5 所示為水上浮式光伏系統的其它實驗案例，在2007 年，日本也開始在湖泊進行了漂浮式光伏系統的搭建并進行發電試驗，他們在水中安裝了兩組光伏陣列，其中一組帶有通過湖水對光伏電池進行冷卻的導熱管，試驗結果顯示光伏系統經過冷卻后的發電量有所增加[13]。兩年之后，意大利的Enerdaiet 公司利用仿生技術，從池塘中的蓮花得到啟發用于安裝漂浮式光伏陣列，該系統同樣配備了冷卻裝置利用池水來冷卻光伏組件[14]。與美國SPG 公司的光伏系統有所區別的是，意大利和日本的光伏組件不是水平安裝的，而是有一定的傾角，并且利用了聚光的方式來增加整個系統的發電量。之后，意大利的比薩大學和卡塔尼亞大學分別也進行了漂浮式光伏系統的實驗，他們的光伏組件與水面平齊，但兩側配備了平面鏡，用于反射日光，增加照射到光伏組件表面的光照強度[15]。

圖5 水上漂浮太陽能光伏裝置

圖6 展示了維也納技術大學研發的漂浮式光伏發電系統，這套系統的浮體結構采用了柔性圓柱氣囊，其研發人員利用地中海所采集到的海浪數據，同時嘗試了多種不同的聚光方法進行試驗，得出了聚光裝置安裝角度的最佳方案[16]。

圖6 維也納技術大學漂浮式光伏發電裝置

圖7 展示了巴侖西亞理工大學開發的漂浮式光伏發電系統，這套系統的設計主要是為了能夠在灌溉用水池中應用，它的優點在于不僅可以發電，還能減少池水的蒸發，其研究人員對該系統的建設成本和發電性能進行了分析，并進行了轉置試驗[17]。

圖7 巴侖西亞理工大學漂浮式光伏發電系統

圖8 展示了勞倫森大學開發的漂浮式柔性薄膜光伏陣列，這套系統具有獨特的特點，光伏陣列在水面上隨著水流的流動而柔性地運動，這種設計不僅可以提高結構的性能，而且水流的冷卻效果也得到了提升，實驗結果顯示，在水中冷卻的情況下，光伏陣列的發電量提高了5 %，而相比于陸地安裝，整體發電量僅降低了0.5 %[18]。

圖8 漂浮式柔性薄膜光伏陣列

以上是一些高校及科研院所對于漂浮式光伏的研究進展，接下來將進一步從漂浮式光伏幾個研究方向做進一步介紹：

首先，在浮體平臺結構選型與安全分析研究方面，挪威Ocean Sun 公司采用一種由漂浮浮力環和雙層加筋膜組成的薄膜式光伏浮體，計劃在菲律賓等國家開展海上測試。德國SINN Power 公司研發了一種框架式混合海洋平臺結構，光伏關鍵部件設施位于平臺頂部， 可根據設計波浪條件調整平臺的出水高度。荷蘭Solarduck 公司研發了一種邊長為16 m 的三角形柱穩式單體浮體結構。關于浮體安全性能的研究，目前公開發表的文獻較少，從企業公開的商業介紹中可知，上述國外近海漂浮式光伏浮體結構還處于探索試驗中，目前浮體的性能尚且只適合有掩護的內灣海域。和歐洲國家相比，我國沿海臺風、風暴潮等極端災害天氣作用十分頻繁，國外目前現有的浮體結構形式能否適合我國復雜海況尚待證明，照搬照抄國外的結構型式存在技術移植風險。同時，近海海域波浪與光伏系統浮體結構相互作用會產生波浪破碎、抨擊上浪等復雜現象，導致浮體結構所受荷載激增和動力響應異常，是漂浮式光伏系統浮體結構選型和安全評估的難點和瓶頸問題。

其次，在漂浮式光伏系統耐候性研究方面，美國斯坦福大學材料科學與工程系針對光伏模塊 EVA 封裝材料耐久性不足的問題，通過實驗室加速老化和現場實證試驗研究，驗證了離聚熱塑性材料應用于光伏關鍵部件的穩定性和耐久性，并深入探討了提高離聚物粘附性的潛在解決方案。美國 Atlas 研發了多種耐候老化測試儀器，包括氙燈老化試驗箱、紫外老化試驗箱、腐蝕試驗箱等，并針對光伏關鍵部件研制了大型的金屬鹵素燈綜合老化試驗箱，提出了“全球組合氣候”的概念，劃分不同氣候的環境嚴酷度并進行環境模擬，設計了以使用25 年為目標的“Atlas 25plus”光伏關鍵部件耐久性綜合試驗方法。中國電器科學研究院研發了可用于光伏材料耐候試驗的高加速太陽跟蹤聚光老化試驗設備、光伏關鍵部件的光-熱-濕綜合環境試驗艙等裝備，建設了覆蓋我國全部典型氣候環境的光伏產品戶外實證基地，積累了數百億條光伏產品實證試驗數據（其中包括了服役時間長達25 年的光伏關鍵部件試驗數據）。在此基礎上，提出了行業領先的光伏關鍵部件環境可靠性實驗室加速評估方法，形成了覆蓋光伏關鍵部件、光伏背板、并網光伏系統的濕熱帶分布式光伏戶外實證試驗要求國家系列標準。由此可見，國內外研究機構均高度重視海上漂浮式光伏的耐候性研究，國內在環境監測、環境嚴酷度分級、測試評價、試驗裝備等方面與國外研究不相上下。但在光伏關鍵部件老化試驗的相關性和加速性上尚缺實證與理論支撐，難以準確預測組件長期使用的老化性能。

同時，在變換器等關鍵電氣設備方面，華為集團基于陸上變換器防護等級提升思路研發了具有防濕、防塵、防鹽霧功能的光伏組串式逆變器，在海況較為平和的新加坡柔佛海灣區 5 MW 光伏電站中得到應用。浙江大學基于虛擬矢量的二電平和三電平調制技術，研究了具有容錯能力的T 型三電平逆變器。目前主要有傳統算法和優化搜索算法結合的混合方法以及基于I-V 曲線的電流參考控制方法兩種技術路徑，收斂速度和跟蹤精度均有較大改善。上述既有技術及設備研究成果主要是對陸上的優化與改進，能否適用于“三高三強”等惡劣海洋環境下漂浮式光伏系統值得商榷。同時，考慮到海上電氣設備故障率及運維成本是陸上20 倍以上的嚴酷事實，迫切需求海上光伏變換器的容錯帶故障運行技術以提升漂浮式光伏系統的可靠性和自主運行能力，但目前現有相關技術和文獻報道。電氣系統是近海漂浮式光伏系統運行的大動脈，亟待開展“三高三強”等惡劣海洋環境下變換器結構與控制器算法的創新研究，全面保障電氣系統的高效安全運行。

3．統計學處理：應用SAS 9.0軟件進行統計學分析。計數資料應用χ2檢驗或精確χ2檢驗，計量資料采用非參數統計方法(Wilcoxon檢驗)進行分析。變化趨勢應用阻尼趨勢指數平滑方法進行時間序列分析。P<0.05為差異具有統計學意義。

最后，在工程示范驗證方面，新加坡 Sunseap 公司在柔佛海峽建成了5 MW 的海上漂浮式光伏。荷蘭Oceans of Energy 公司在北海區域建成了8.5 kW 的漂浮式海上光伏系統，計劃2030 年擴容至100 MW。國能（浙江）能源發展有限公司在白沙島附近海域展開了第一批方陣光伏系統的科研試驗項目，該項目為將來大型海上漂浮項目落地提供支撐。國內海上光伏仍停留在科研試驗階段，缺乏關鍵性示范驗證平臺，亟需突破漂浮式平臺結構設計與電氣系統設計的迭代耦合技術難題，迫切需求研發光伏系統狀態監控、結構安全預警、電氣故障報警、智能運維規劃為一體的全天候智慧運維技術，全面保障近海漂浮式光伏發電應用示范工程全壽命周期安全高效發電。

從國內外研究進展來看，漂浮式光伏浮體可以借鑒漂浮式風電、養殖網箱等海洋工程經驗，光伏關鍵部件和電氣設備在沿海灘涂已有一定應用基礎，發展近海漂浮式光伏的時機已經成熟，但是在浮體平臺構型與安全評估、光伏關鍵部件耐候性、電氣設備可靠性等方面，仍有部分技術難點需要克服。

4 研究前景

漂浮式光伏對可持續發展既帶來了挑戰，也提供了機遇：

技術成熟度：漂浮式光伏技術相對于傳統陸地光伏技術仍處于相對新穎的階段。盡管已經有一些成功的試點項目，但仍需要更多的研究和發展，以提高技術成熟度和可靠性。

高成本：目前，與陸地光伏相比，漂浮式光伏的成本較高。漂浮設備的制造、安裝和維護等方面的費用都要考慮在內。然而，隨著技術進步和規模效應的發揮，預計成本將逐漸下降。

沿海環境影響：漂浮式光伏的部署可能會對沿海生態環境產生一定影響，如光伏關鍵部件的陰影、周圍海洋生物的遷徙等。因此，在系統設計和布置過程中需要充分考慮環境保護和生態平衡。

能源多樣化和供應穩定性：漂浮式光伏的部署可以增加能源供應的多樣性，并提高能源供應的穩定性。海上光伏系統相比陸地光伏系統更具穩定性，可以利用海洋條件，如潮汐和海流，提供更可靠的能源。

經濟發展和就業機會：漂浮式光伏項目的建設和運營需要相應的投資和人員參與，可以促進經濟發展并創造更多的就業機會。此外，光伏技術的研發和推廣也會帶動相關產業的發展。

全球市場潛力：由于海洋資源的廣泛分布，海上光伏的市場潛力是巨大的。許多國家和地區都對海洋能源開發表示了興趣，這為漂浮式光伏提供了廣闊的全球市場機會。

綜上所述，雖然漂浮式光伏在可持續發展過程中面臨一些挑戰，但其對清潔能源轉型和能源可持續性提供了重要的機遇。通過技術發展、成本降低和環境保護等方面的努力，可以進一步推動漂浮式光伏的可持續發展。

因此，耐候性漂浮式光伏在海上的應用前景十分廣闊：

可再生能源發展：隨著對可再生能源需求的增加，海上光伏發電作為一個潛力巨大的領域受到了廣泛關注。相比陸地上的光伏系統，海上利用波、潮汐和海流等自然資源，可以提供更穩定和可預測的能源輸出，同時避免了土地資源限制。

能源供應：海上光伏發電能夠為海上油氣平臺、離島社區和沿海地區提供綠色能源供應。這些地區通常受到供電的限制，并且傳統的發電方式會產生大量的碳排放。通過部署漂浮式光伏系統，可以實現能源獨立和減少環境影響。

水面利用：海上光伏不需要占用寶貴的陸地資源，可以在水面上進行布置。它可以與漁業、水產養殖等其他海洋活動相融合，對生態環境的干擾較小。另外，光伏關鍵部件在水面上可以享受到水面的散熱效果，提高能源轉換效率。

技術進步：隨著技術的不斷進步和成本的降低，海上光伏系統的效率和可行性正在提高。逐漸出現了更耐候、更穩定、更適應海洋環境的材料和組件，并且海上光伏系統的建設和維護技術也在不斷完善。

減少溫室氣體排放：海上光伏發電是一種清潔能源，可以減少溫室氣體的排放。在海上大規模部署光伏系統有助于實現碳中和目標，并為應對氣候變化做出積極貢獻。

綜上所述，海上耐候性漂浮式光伏具有巨大的應用前景，其可持續發展優勢和多樣化的應用場景使其成為新興的可再生能源領域。

5 結論

近海漂浮式光伏系統的光伏關鍵部件、關鍵機械結構和關鍵電氣部件的長壽命服役期，不僅受高溫、高濕、高鹽霧、強降水因素下潤濕滲透、腐蝕老化等氣候環境導致的耐候性劣化影響，還面臨強風強浪及長期風浪流等復雜海況下機械結構損傷所誘發的環境變量改變、耐候性二次劣化的新挑戰。海洋氣候環境、部件材料屬性、結構損傷特征相互作用的“氣候-機械”環境耦合過程涉及傳質傳熱、物質相變等難題。一般的方法為開展環境應力作用機制與設備環境損傷傳遞路徑與演化規律研究，構建流、熱、力及材料特性等耦合因子之間的量效解析模型，解決關鍵部件耐候性精準評估難題，為海上漂浮式光伏系統長期安全可靠提供理論支撐。

通過研究海上漂浮式光伏長期服役環境應力作用下設備的腐蝕老化、機械損傷、性能衰減等耐候性問題，揭示環境、材料、結構等多元因素的交互影響作用現象與動態過程演化規律，構建涉及流、熱、力及材料結構等耦合因子之間的量效關系解析模型。通過實證試驗，探索環境應力作用下誘發設備失效?故障的單一/多種物理現象及傳遞關系，揭示設備失效環境應力作用機制，明確關鍵氣候影響因素、建立各環境影響因子的映射關系，形成從環境到設備的性能狀態演化跟蹤評估策略。聯合數值仿真及實證試驗，開展設備服役環境狀多維物理場耦合分析與設備狀態感知試驗測試，提出耐候性要求及環境優化、性能提升策略方案。

綜上所述，近海漂浮式光伏關鍵部件耐候性評估及提升技術的研究通常采用多種方法綜合應用，包括實驗研究、模擬分析和實地試驗等。