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光伏电站漂上海洋,未来我们靠海吃饭?
来源:科普中国 作者: 时间:2024年06月13日  13:56

太阳能电池板只能铺设在陆地上吗?不!它们还可以铺设在海面上。近期, 我国最大的海上光伏项目——中核田湾200万千瓦滩涂光伏示范项目在江苏连云港正式开工建设。项目全面建成后,将与中核集团田湾核电基地相互耦合,形成总装机容量超过1000万千瓦的大型清洁能源基地,每年可以减少碳排放177万吨。

这可不得了,你想想看,海洋的面积多大。如果按照这个思路,咱们再把太阳能电池板朝海面上多铺设一点,能源的问题是不是就能得到极大的缓解了呢。所以你看,上面我提到的,这个项目只是一个“示范项目”,也就是说,这个目前我国最大的海上光伏电站,只是一个样板。打样完成,后续就是铺开了复制,海上光伏的想象空间还很大。

那好,在海上铺设光伏电站,有哪些具体的优势?会遇到哪些挑战?我们又该如何应对呢。下面我们就来简单讨论一下。

先来说海上光伏的优势,总结起来大体有以下4个:第一, 海上光伏电站能够大大节省陆地上的土地资源,这是其最显著的优势之一。当前,许多国家和地区的土地资源紧张,特别是在城市和工业发达地区,建设大型光伏电站往往面临土地稀缺的问题。将光伏电站转移到海上,不仅能够避免与农业、城市建设等领域争夺土地,还能为陆地上其他重要用途释放更多空间。例如,农业用地可以继续用于粮食生产,城市用地可以发展住宅和商业设施,从而实现土地资源的最优化利用。

第二, 海上光伏电站能够有效避免土地使用冲突。陆地光伏电站的建设,常常需要在大片土地上安装光伏板,这可能会引发与农业、牧业、林业等产业的矛盾,甚至可能导致生态系统的破坏。海上光伏电站则完全不涉及这些问题,它们漂浮在海面上,不占用任何陆地,不会影响土地的原有用途。因此,海上光伏电站能够在不破坏现有生态和经济活动的前提下,提供大量清洁能源,真正做到绿色发展和可持续发展。

第三, 海上光伏电站的独特环境条件,有助于提高光伏板的发电效率。首先,海洋表面的高反射率能够增加光伏板接收的阳光量,从而提升发电效率。其次,海洋环境温度相对稳定,水面可以为光伏板提供天然的冷却效果,避免高温对光伏板性能的负面影响。高温会降低光伏板的光电转换效率,而在海上,光伏板受海风和水体的冷却作用影响,温度相对较低,从而维持较高的发电效率。此外,海上空气较为清新,灰尘和污染物较少,光伏板的表面更干净,能更有效地吸收太阳能。

第四, 海上光伏电站具有显著的环境友好性。与陆地光伏电站相比,海上光伏电站对生态环境的影响更小。它们不会占用陆地生态敏感区,如森林、湿地和草原等重要生态系统,能够有效避免对动植物栖息地的破坏。此外,通过合理布局和科学设计,海上光伏电站可以最大限度地减少对海洋生物和生态系统的影响。某些设计甚至考虑到海洋生物的生存环境,采用环保材料和结构,使光伏电站与周围生态环境和谐共存,真正实现人与自然的和谐发展。

从以上优势我们就能看出,海上光伏电站真的是未来清洁能源发展的重要方向之一,因为为全球能源转型和生态保护提供了新的解决方案。但是,这个解决方案也面临着诸多挑战。海上的好处自然有很多,但是海上的坏处也并不少。它们是—— 海洋环境中,盐分的高浓度是光伏电站面临的首要挑战之一。

海水和海风中的盐分会形成盐雾,附着在光伏设备的表面,导致严重的腐蚀问题。金属部件如支架、接线盒和电缆等在长期暴露于盐雾中时,会发生氧化反应,导致材料强度下降、结构损坏,甚至引发电气短路。这种腐蚀不仅会缩短设备的使用寿命,还会增加维护和更换成本。根据研究,盐雾对电子元件的影响尤为显著,可能导致接触不良和电性能下降。

其次, 海上环境的高湿度也给光伏电站的运行带来了不小的挑战。高湿度使得空气中的水汽容易在设备内部和电气连接部位凝结成水滴,形成结露现象。这种结露会导致电气绝缘性能下降,增加漏电和短路的风险。此外,长期的潮湿环境还会使得光伏组件中的封装材料老化、剥离,影响光伏板的光电转换效率和整体可靠性。特别是在温差较大的环境中,昼夜温差导致的结露和蒸发循环加剧了设备的老化和损坏。

与此同时, 尽管海面温度较陆地相对稳定,但在日照强烈的条件下,海上光伏电站仍会面临高温的挑战。光伏组件在高温环境下,其电性能会明显下降,主要表现为输出功率减少和效率降低。根据光伏组件的温度系数,温度每升高1摄氏度,光伏组件的效率就会下降0.4%至0.5%。此外,高温还会加速光伏材料的老化,如背板材料的热氧化降解、封装材料的热失效等,导致设备的使用寿命缩短。这对海上光伏电站的长期运营和经济性提出了严峻考验。

除了上述因素,海洋环境的动态特性也是光伏电站必须应对的挑战之一。海面风浪的变化会导致光伏设备的机械结构承受额外的动态载荷,特别是在风暴和大浪天气下,光伏板和支架需要具备足够的强度和韧性,以抵御风浪的冲击和摆动。此外,海水的涨潮和退潮现象会影响光伏电站的浮动系统稳定性。

于是,为了应对以上挑战,我们在材料选择和研发、结构设计、系统设计还有防护设计方面,都要下足功夫。在面对海洋高盐环境的腐蚀问题时,我们需要使用一些特殊的耐腐蚀材料,并强化防腐涂层和阳极氧化材料的防护;在面对高湿环境的防水和防潮问题时,我们需要对以下几个方面做足功课:密封、防潮和除湿。在光伏组件、电气接线盒等关键部位采用高效密封材料,如硅胶密封圈、丁基胶等,防止水汽进入设备内部。特别是在电缆接头和连接部位,必须确保完全密封,避免结露和短路。

对光伏组件进行防潮包装,采用高质量的封装材料,如乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)和聚偏氟乙烯(PVDF),这些材料具有优良的防潮性能,可以有效阻隔湿气。在电气柜和控制室内安装除湿装置,如加热器或除湿机,保持内部环境干燥,防止结露现象的发生。

接着,在面对高温环境时,我们需要结合更好的热管理材料设计出更加高效的冷却系统,利用风冷、水冷将热量从设备内部传导到外部环境,提高散热效率。为了应对海洋动态环境的挑战,海上光伏电站必须具备高度的机械稳定性和适应性。

以下几个结构系统是解决这一问题的关键:

浮动系统,它能够均匀分布浮力和稳定性,提高抗风浪能力。同时,浮动平台需具备一定的柔韧性,以适应海浪的起伏。

灵活的锚定系统,如弹性锚链和自适应锚定技术,确保光伏电站在潮汐变化和风浪冲击下保持稳定。锚定系统需要根据海床地质条件进行优化设计,以提供足够的固定力。

抗风浪结构,如增加支架的刚性和采用减振装置,确保光伏板在强风和大浪环境下依然稳固不移。

总之,挑战是不少。但如果你是一个工程师的话,估计现在已经是兴奋到不行了吧。有挑战才有机会,有机会就能创造未来。舞台越大,咱们能发挥的空间也就越大!说到发挥空间,光伏发电的未来发挥空间其实还远不仅仅在海面,它还在屋顶、墙面、农田牧场和沙漠,甚至,轨道!

在农田上方架设光伏板,通过调整光伏板的高度和间距,确保农作物能够获得足够的光照。同时,光伏板可以减少阳光直射,降低地表温度和蒸发量,有助于提高农作物产量和品质。

在牧场上方设置光伏板,为牧场提供电力,同时为牲畜提供遮阳庇护。光伏板可以减少牧草蒸发,提高牧草产量,增强牧场的可持续性。 在沙漠光伏电站的建设过程中,可以结合生态修复技术,通过植被恢复和水资源管理,改善沙漠环境,防止沙漠化进一步扩大。这种模式不仅可以实现可再生能源的利用,还能促进生态保护。这些都是一一得到了验证的。而天基光伏电站,这个以前只存在与科幻当中的概念,也正在照进现实。

在地球轨道上部署大型光伏阵列,利用太空中的高强度太阳辐射进行发电。由于没有大气层的遮挡和昼夜交替的限制,太空光伏电站可以24小时不间断地接收太阳能,发电效率远高于地面光伏系统。

将太空光伏电站产生的电能通过微波或激光传输到地面接收站,再转换成电力供人类使用。无线能量传输技术的突破是实现空间光伏的关键,需要解决能量传输效率和安全性问题。而这一关键技术,看起来也正在得到解决。

去年6月,由加州理工学院开发的功率传输低轨道实验微波阵列(MAPLE)成功演示了从太空到地球的电力无线功率传输。通过在地面上的接收器,研究人员得到了 MAPLE可以成功地将电力传输到安装在地面的太空接收器的确认。

试验结果显示,该信号以预期的时间和频率出现,由位于帕萨迪纳加州理工学院校园戈登和贝蒂摩尔工程实验室屋顶上的接收器检测到。在接收器阵列接收到能量后,它们将其转换为直流电,并点亮了一对LED,以展示在太空中远距离无线能量传输的完整序列。MAPLE通过成功地单独点亮每个LED并在它们之间来回切换,在太空中完成了这一测试。

所以,我们已经越来越接近可以将太阳能发电阵列发送到太空,在太空中利用太阳光进行光伏发电,再将电能转换为微波,传送到地球,由安装在地球上的接收器接收到微波后,再将其转换为电能,从而实现太空的光伏发电和电力无线传输——这一相当科幻的概念了。

当然,积跬步以至千里,光伏发电的未来拥有无穷的想象力,我们依然需要脚踏实地,把当下的每一步走好!

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