漂浮式光伏發(fā)電潛力有多大

近年來(lái)，一種在水庫、湖泊、池塘等水面修建的漂浮式光伏電站悄然興起。這種電站可以節約大量土地資源，通過(guò)水分蒸發(fā)的降溫效應增加光伏板發(fā)電效率，靠近人口中心從而降低輸電成本。

那么，這種看起來(lái)很美好的水庫漂浮式光伏電站究竟有多大發(fā)電潛力?

南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授曾振中與合作者研究發(fā)現，若在全球11萬(wàn)座水庫鋪設30%面積的漂浮式光伏(FPV)系統，每年潛在發(fā)電量為9.43萬(wàn)億度，是目前水力發(fā)電的兩倍多;同時(shí)還能減少水分蒸發(fā)1000億立方米，相當于3億人的年用水量。相關(guān)論文近日發(fā)表于《自然-可持續發(fā)展》。研究人員同時(shí)指出，需要進(jìn)行額外的研究評估其潛在的長(cháng)期后果。

合理開(kāi)發(fā)水上漂浮式光伏

通常來(lái)說(shuō)，越接近赤道，太陽(yáng)能潛力越大，但結合水庫數量和規模，擁有大量水庫群的非熱帶國家具有較大FPV潛力。

研究人員從3個(gè)全球水庫數據庫收集了超11萬(wàn)座水庫的信息，并基于氣候驅動(dòng)的光伏性能模擬模型分析發(fā)現，FPV發(fā)電潛力最高的區域集中在美國、巴西東部、葡萄牙、西班牙、南非北部、津巴布韋、印度和中國東部部分地區。

其中，美國潛力最大，但目前FPV技術(shù)在該國并未普及。相比之下，日本、新加坡、韓國等國家由于國土面積狹小，對水上光伏的興趣更加強烈。日本早在2007年就建起全球第一座水上FPV電站，是目前世界上應用FPV最多的國家。中國有超1.5萬(wàn)座水庫具有開(kāi)發(fā)FPV的潛力，數量位居世界第二，每年可產(chǎn)出1萬(wàn)億度電。

但論文第一作者、南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生金宇斌告訴《中國科學(xué)報》，中國大多數水庫位于低輻射通量地區，導致單位面積能量轉換率較低。從技術(shù)潛力上看，在太陽(yáng)輻射通量較高的西部地區，水庫漂浮式太陽(yáng)能電站可以完全滿(mǎn)足一些城市的用電需求，而對中部和南部地區來(lái)說(shuō)其產(chǎn)生的電遠遠不夠。

以1700萬(wàn)人口的深圳為例，73座水庫總面積39平方公里，全部位于電力需求高且電網(wǎng)基礎設施完善的地區附近，但即使在所有水庫上以30%的覆蓋率開(kāi)發(fā)FPV，其發(fā)電量也僅相當于城市需求量的5%。

我國近年來(lái)陸續建成多個(gè)水上FPV項目，其中不乏成為業(yè)界典范代表的。如安徽淮南在采煤塌陷區修建FPV電站，由于太陽(yáng)能板吸收大量熱量，抑制了池塘內藻類(lèi)的繁殖，大大改善了水體環(huán)境;浙江象山在灘涂地帶建有光伏板，每年發(fā)電量高達3.5億千瓦。

不過(guò)，在水庫建設FPV電站還存在一些問(wèn)題。有研究表明，水溫的降低可能對生態(tài)系統造成損害，如降低魚(yú)類(lèi)產(chǎn)量等。

2022年5月，水利部印發(fā)《水利部關(guān)于加強河湖水域岸線(xiàn)空間管控的指導意見(jiàn)》，明確指出光伏電站、風(fēng)力發(fā)電等項目不得在河道、湖泊、水庫內建設。在湖泊周邊、水庫庫汊建設光伏、風(fēng)電項目的，要科學(xué)論證、嚴格管控。

對此，曾振中表示，通過(guò)合理的開(kāi)發(fā)和應用，水庫FPV可以為能源發(fā)展和水安全作出重要貢獻，但這需要嚴格的環(huán)境評估和監測。在人工水庫，尤其是礦山、污水處理廠(chǎng)等退化土地上安裝FPV系統更為安全。

發(fā)展中國家潛力巨大

在國內開(kāi)發(fā)項目的同時(shí)，FPV走出了國門(mén)。

2022年12月6日，中國和泰國合作修建的FPV項目并網(wǎng)。這是泰國目前最大的FPV發(fā)電項目，年發(fā)電量達9500萬(wàn)度。此前，中泰雙方在詩(shī)琳通大壩水電站修建的水上光伏項目已投入商業(yè)運營(yíng)，裝機量達到58.5兆瓦，每年可以減少4.7萬(wàn)噸二氧化碳排放。

該研究再次證實(shí)，發(fā)展中國家具有較大的FPV發(fā)展潛力。數據分析表明，40個(gè)發(fā)展中國家的FPV潛力大于當前的年度電力需求。

例如，巴西作為南美洲最大的經(jīng)濟體，每年的電力需求高達538太瓦時(shí)，但可通過(guò)開(kāi)發(fā)FPV完全滿(mǎn)足。在印度北方邦的一個(gè)偏遠地區拉利特布爾，12個(gè)水庫面積共217平方公里，通過(guò)FPV每年可產(chǎn)生10太瓦時(shí)的發(fā)電量，比當地需求量高出一個(gè)數量級。津巴布韋、老撾、埃塞俄比亞、喀麥隆、緬甸和蘇丹等6個(gè)擁有豐富水庫的國家FPV發(fā)電潛力比目前的電力需求高3~10倍。

尤其在非洲，由于安裝FPV所帶來(lái)的電力供應和節水效益能夠同時(shí)緩解當地能源和水資源短缺問(wèn)題，目前有很多研究關(guān)注非洲水庫開(kāi)發(fā)FPV的可行性和潛力。一項研究估計，FPV總覆蓋面積不到總水庫面積的1%，可使非洲現有水電站的產(chǎn)能增加58%，年發(fā)電量增加46太瓦時(shí)，年水損失減少7.43億立方米。

“這表明在許多太陽(yáng)能資源豐富的發(fā)展中國家，FPV是一種可行的技術(shù)方案。”曾振中表示，全球FPV產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，建設成本也在逐步降低?？紤]到土地價(jià)值和協(xié)同效益，隨著(zhù)時(shí)間的推移，FPV可能更經(jīng)濟。

“大規模水上光伏應用在世界上大多數地區仍處于起步階段?？紤]到成本和環(huán)境影響，我們建議優(yōu)先開(kāi)發(fā)FPV和水力發(fā)電混合的可再生能源項目。”曾振中說(shuō)。

審稿人評價(jià)稱(chēng)：“該研究提供了一個(gè)概念性的理論框架，探索水庫FPV發(fā)電在全球能源生產(chǎn)和節水方面的潛力，有助于為實(shí)現可持續發(fā)展提供路徑。”

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41893-023-01089-6