近年來，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(jié)約大量土地資源，通過水分蒸發(fā)的降溫效應(yīng)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(xiàn)，若在全球11萬座水庫鋪設(shè)30%面積的漂浮式光伏(FPV)系統(tǒng)，每年潛在發(fā)電量為9.43萬億度，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(dāng)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(xù)發(fā)展》。研究人員同時(shí)指出，需要進(jìn)行額外的研究評(píng)估其潛在的長期后果。

合理開發(fā)水上漂浮式光伏

通常來說，越接近赤道，太陽能潛力越大，但結(jié)合水庫數(shù)量和規(guī)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(shù)據(jù)庫收集了超11萬座水庫的信息，并基于氣候驅(qū)動(dòng)的光伏性能模擬模型分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PV發(fā)電潛力最高的區(qū)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(qū)。

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(duì)水上光伏的興趣更加強(qiáng)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(yīng)用FPV最多的國家。中國有超1.5萬座水庫具有開發(fā)FPV的潛力，數(shù)量位居世界第二，每年可產(chǎn)出1萬億度電。

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(bào)》，中國大多數(shù)水庫位于低輻射通量地區(qū)，導(dǎo)致單位面積能量轉(zhuǎn)換率較低。從技術(shù)潛力上看，在太陽輻射通量較高的西部地區(qū)，水庫漂浮式太陽能電站可以完全滿足一些城市的用電需求，而對(duì)中部和南部地區(qū)來說其產(chǎn)生的電遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

以1700萬人口的深圳為例，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(chǔ)設(shè)施完善的地區(qū)附近，但即使在所有水庫上以30%的覆蓋率開發(fā)FPV，其發(fā)電量也僅相當(dāng)于城市需求量的5%。

我國近年來陸續(xù)建成多個(gè)水上FPV項(xiàng)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(qū)修建FPV電站，由于太陽能板吸收大量熱量，抑制了池塘內(nèi)藻類的繁殖，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(dá)3.5億千瓦。

不過，在水庫建設(shè)FPV電站還存在一些問題。有研究表明，水溫的降低可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成損害，如降低魚類產(chǎn)量等。

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

對(duì)此，曾振中表示，通過合理的開發(fā)和應(yīng)用，水庫FPV可以為能源發(fā)展和水安全作出重要貢獻(xiàn)，但這需要嚴(yán)格的環(huán)境評(píng)估和監(jiān)測。在人工水庫，尤其是礦山、污水處理廠等退化土地上安裝FPV系統(tǒng)更為安全。

發(fā)展中國家潛力巨大

在國內(nèi)開發(fā)項(xiàng)目的同時(shí)，F(xiàn)PV走出了國門。

2022年12月6日，中國和泰國合作修建的FPV項(xiàng)目并網(wǎng)。這是泰國目前最大的FPV發(fā)電項(xiàng)目，年發(fā)電量達(dá)9500萬度。此前，中泰雙方在詩琳通大壩水電站修建的水上光伏項(xiàng)目已投入商業(yè)運(yùn)營，裝機(jī)量達(dá)到58.5兆瓦，每年可以減少4.7萬噸二氧化碳排放。

該研究再次證實(shí)，發(fā)展中國家具有較大的FPV發(fā)展?jié)摿Α?shù)據(jù)分析表明，40個(gè)發(fā)展中國家的FPV潛力大于當(dāng)前的年度電力需求。

例如，巴西作為南美洲最大的經(jīng)濟(jì)體，每年的電力需求高達(dá)538太瓦時(shí)，但可通過開發(fā)FPV完全滿足。在印度北方邦的一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)拉利特布爾，12個(gè)水庫面積共217平方公里，通過FPV每年可產(chǎn)生10太瓦時(shí)的發(fā)電量，比當(dāng)?shù)匦枨罅扛叱鲆粋€(gè)數(shù)量級(jí)。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所帶來的電力供應(yīng)和節(jié)水效益能夠同時(shí)緩解當(dāng)?shù)啬茉春退Y源短缺問題，目前有很多研究關(guān)注非洲水庫開發(fā)FPV的可行性和潛力。一項(xiàng)研究估計(jì)，F(xiàn)PV總覆蓋面積不到總水庫面積的1%，可使非洲現(xiàn)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。

“這表明在許多太陽能資源豐富的發(fā)展中國家，F(xiàn)PV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(shè)成本也在逐步降低?？紤]到土地價(jià)值和協(xié)同效益，隨著時(shí)間的推移，F(xiàn)PV可能更經(jīng)濟(jì)。

“大規(guī)模水上光伏應(yīng)用在世界上大多數(shù)地區(qū)仍處于起步階段?？紤]到成本和環(huán)境影響，我們建議優(yōu)先開發(fā)FPV和水力發(fā)電混合的可再生能源項(xiàng)目。”曾振中說。

審稿人評(píng)價(jià)稱：“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(jié)水方面的潛力，有助于為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供路徑。”

相關(guān)論文信息：

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