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低碳技术:国电投深远海风光同场漂浮式光伏

由国家电投山东分公司投资开发的海上浮动太阳能,是全球首个投用的深远海风光同场漂浮式光伏实证项目。如果效果比较好,将为规模化推进海上漂浮式光伏打造标杆示范、开辟引领路径。 光伏发电已经无所不在。除了沙漠、荒漠、戈壁和家庭屋顶、城市大厦等陆上项目,湖泊、水库、鱼塘等水面项目也在不断延申,见惯不怪。 延展的…

由国家电投山东分公司投资开发的海上浮动太阳能,是全球首个投用的深远海风光同场漂浮式光伏实证项目。如果效果比较好,将为规模化推进海上漂浮式光伏打造标杆示范、开辟引领路径。

光伏发电已经无所不在。除了沙漠、荒漠、戈壁和家庭屋顶、城市大厦等陆上项目,湖泊、水库、鱼塘等水面项目也在不断延申,见惯不怪。

延展的步伐并没有因此停止,在全球遍地开花的清洁能源开发中,光伏已经开始“上天下海”了。

光伏上天,是指包括中国、英国、美国、日本、欧盟在内的国家和地区,已经开始在研发或布局太空光伏发电站,以便全天候为地球提供电能。

“光伏入海”走得更快,近海就不用说,一些沿海居民早已开始了近海渔业和光伏的结合。现在深远海的光伏也已经有了示范项目。

10月31日,山东半岛南3号海上风电场20兆瓦深远海漂浮式光伏500千瓦项目发电,成为全球首个投用的深远海风光同场漂浮式光伏实证项目。

这个项目由国家电投山东分公司投资开发。不同于现有的遮蔽海区和近海区域的海上光伏,该实证项目是全球首个在离岸距离30公里、水深30米、极端浪高10米的“双30”海洋环境下研究和建设的漂浮式海上光伏工程实证项目。

在深远海建风电已经很艰难了,要建光伏发电,技术难度更是复杂,除了要克服深远海风高浪急、特别是台风季节的险恶环境,还要防止高含盐量海水的侵蚀和腐化,维护成本也非常高。所以,对材料和技术,挑战都非同一般。

那么,国电投的这个全球首个“风光同场”的漂浮式光伏发电站到底是怎么回事?使用的是什么技术?是否有竞争力?未来商业化前景怎样?

1 、首个风光同场海上光伏

国电投开发的这个漂浮式光伏项目,位于山东海阳南侧海域,与山东半岛南3号300兆瓦海上风电同场,距离海岸30余公里,水深达30米,极端浪高10米。

所谓“风光同场”海上光伏,是山东省极力支持的一种能源利用和能源开发方式,就是将光伏发电站从陆地搬到海上,是发电工程和海洋工程的融合创新。这样光伏发电可以跟海上风电共用输电缆线,节约成本。

当然,发展海上光伏,还有一个优势,就是相较陆上光伏,海面开阔无遮挡,日照时间较长,光能利用充分,环境优势得天独厚,可显著提升发电量。

跟海上风电一样,海上光伏也主要包括桩基固定式和漂浮式等类别,各有其适用场景。一般情况下,若水深10米以上采用漂浮式安装。

国电投这个项目因为水深达30米,所以采用漂浮式安装方式,单个浮体单元装机容量250千瓦。目前处于示范阶段,只装了两个单元,一共500千瓦。

整个浮体单元由环形抗风浪浮体、耐海洋环境的高强薄膜、光伏系统等组成。在直径53米的浮体单元上,面积相当于4个标准篮球场,共安装了770块光伏组件,其发出的清洁电能汇流到逆变器后送至同场运行的山东半岛南3号风机平台,后续将通过海上升压站送出至电网。

2 、关键技术是加强的聚合物薄膜

注意看整个光伏组件,是不是有点像大圆盘?这个圆盘就是光伏组件的平台,整个平台由环形抗风浪浮体、耐海洋环境高强弹性薄膜、光伏系统和风光送出系统等组成。

据该项目负责人介绍,海上光伏电站的环形抗风浪浮体由高密度聚乙烯管件预制,高度0.6米至0.8米,通过4个系泊点和12条缆索锚固于海床,与风机安全距离保持在60米以上。

光伏组件平台依据海况采用定制化光伏发电组件,可减少波浪对光伏面板的冲击,光伏组件采用预制滑轨与弹性薄膜连接,并通过薄膜直接与海水接触,水体对光伏设备的冷却可有效提高发电效率10%以上。

其实,这里的关键技术,应用了挪威Ocean Sun公司弹性薄膜专利技术及锚固系统设计。光伏组件则来自协鑫公司定制的耐海洋环境光伏组件。

仔细对比,整个大圆盘有点像巨大的睡莲,漂浮在海面上。其实,Ocean Sun公司的设计灵感就来自大自然。它们认为,水上光伏,就像漂浮生物一样停留在水面上,两者都需要锚定在海床上,两者都在阳光下“茁壮成长”,太阳能电池模仿植物细胞,光伏技术模仿光合作用。

Ocean Sun公司的专利技术就是基于一种加强的聚合物薄膜,用于支撑和漂浮定制的光伏组件,并实现了其他浮动光伏系统无法实现的优势。

这个加强而又薄的聚合物膜赋予系统水弹性的特性,使结构和光伏组件能够随着波浪的谐波优雅地移动,而不是与波浪的力量抗争。

根据Ocean Sun在泳池的测试和模拟被用来预测系统的波浪能力,计算流体动力学分析(CFD)已经证明,该系统可以抵御每小时275公里的4级台风,而且在盐水中有20年的使用寿命。

根据Ocean Sun相关材料的介绍,这种聚合物薄膜的优点还包括:在所有浮动光伏系统中,材料使用率总体最低,从而实现最低的平准备度电成本(LCOE);安装简单、安全、快捷;通过直接水冷却提高效率;减少水分蒸发;在大风、海浪和强流中证明了其韧性;材料物流成本大幅降低……

3、海上光伏的前景与商业化

山东这个海上漂浮式光伏实证项目,在验证浮体、锚固、发电组件抗风浪能力及海洋环境耐候性方面,如果效果比较好,将为规模化推进海上漂浮式光伏打造标杆示范、开辟引领路径。

山东在这方面也是走在全国前面。

今年7月,山东省印发的《山东省海上光伏建设工程行动方案》指出,山东省将积极稳妥推动漂浮式海上光伏发展,重点结合海上风电规划建设,创新打造“风光同场”一体化开发模式,逐步扩大漂浮式光伏建设规模,并推动其向深远海海域发展。

山东省能源局新能源和可再生能源处负责人介绍,“十四五”期间,山东按照“由近及远、由易到难、示范先行、分步实施”总思路,统筹推进海上光伏规模化、集约化、协同化发展,聚力打造技术先进、生态友好、智慧融合的“环渤海、沿黄海”双千万千瓦级海上光伏基地。2022年,启动漂浮式海上光伏示范工作;到2025年,力争开工建设200万千瓦,建成并网100万千瓦左右。

全球而言,浮动式太阳能有可能在全世界范围内大规模地提供低成本的可再生能源。

迄今为止,使用主流技术安装的浮动式太阳能超过2.4 GWp。然而,世界银行估计,即使在温和的假设下,仅在人工水库上,全球浮动太阳能的潜力就有2000 GWp。考虑到近岸的沿海水域、河流、湖泊和其他目前主流浮动太阳能技术不可行的地方,其潜力就变得巨大了。

Ocean Sun公司首席执行官Børge Bjørneklett此前接受采访时声称,海洋光伏有可能在增长方面击败海上浮动风能。

Børge Bjørneklett 表示:“如果你看一下世界的辐照图,特别是东南亚的辐照图,浮动太阳能应用范围比浮动风能大得多。”

企业布局方面,除了Ocean Sun公司,德国最大的公用事业能源公司莱茵集团(RWE)也进军浮动太阳能领域。

今年7月,RWE和荷兰太阳能技术公司SolarDuck签署了一项合作协议,将共同发展海上浮动太阳能的使用。刚开始,将在北海投资进行第一个海上试点。这个试点项目名为Merganser,其铭牌容量为0.5MWp。

海上浮动太阳能技术,旨在为日益稀缺的可再生能源发电土地提供答案。将海上浮动太阳能整合到海上风电场,利用风力涡轮机之间的空间,是对海洋空间更有效的利用,而且还可在多源可再生能源工厂的建设和维护方面发挥协同作用。如果能在技术上克服海上恶劣条件,前景还是非常看好。

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