本文摘要：摘要：干旱區太陽能資源豐富、降雨量少、蒸發強烈、水資源匱乏，為進一步緩解干旱區水資源匱乏問題，利用浮球作為防蒸發材料，結合太陽能電池板對水面的遮擋作用，分析太陽能電池板遮擋下各月份蒸發抑制率和太陽能電池板與浮球聯合作用下的抑制率。一整年內
摘要：干旱區太陽能資源豐富、降雨量少、蒸發強烈、水資源匱乏，為進一步緩解干旱區水資源匱乏問題，利用浮球作為防蒸發材料，結合太陽能電池板對水面的遮擋作用，分析太陽能電池板遮擋下各月份蒸發抑制率和太陽能電池板與浮球聯合作用下的抑制率。一整年內太陽能電池板遮擋下的水面蒸發抑制率隨時間變化先增大后減小，7月份達到最大值為40.2%，1月份達到最低值為12.1%;在非冰凍期內，太陽能電池板與浮球聯合和無遮擋下圍欄蒸發抑制率7月份達到最大分別為88.6%、86.8%，4月份最小分別為85.0%、80.6%，冰凍期水面蒸發抑制率為91.1%。太陽能電池板與浮球聯合下比太陽能電池板遮擋下蒸發抑制率提高了57.9%。
關鍵詞：干旱區;太陽能電池板;浮球;蒸發;抑制率
1引言
隨著經濟的發展，節約資源、保護環境逐漸成為全社會的共識[1]，因此需積極尋找有效對策，減少化石能源消耗，其中太陽能光伏發電對于節約傳統能源、保護環境、促進經濟發展有重要作用，但其進一步發展受到土地面積的限制，故架設場地由地面轉向水面，形成了一種新型的太陽能光伏電站—水上光伏電站[2]，其中光伏組件面板遮擋光照，可減少水體自由表面蒸發和組件表面灰塵，降低水體溫度，避免有害藻類滋生，凈化水體環境[3，4]。
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因此，結合水上光伏發電技術與防蒸發節水技術，建立集產能、節水為一體的水上光伏電站，對于光伏發電技術在水資源匱乏的干旱區的應用，具有重要現實意義。目前，關于減少水面無效蒸發的研究成果較豐富，主要包括化學試劑覆蓋[5]、生物技術覆蓋[6]和物理覆蓋[7]。本文基于現有研究，利用浮球作為防蒸發材料，結合太陽能電池板，分析太陽能電池板與浮球聯合作用對防蒸發節水效率的影響，以期為光伏發電技術在干旱區的應用提供參考。
2材料與方法
2.1試驗材料
水上光伏浮體作為光伏電站的重要支撐平臺，應具備良好的耐腐蝕性、適宜的密度、強度高、憎水、無毒、抗凍脹、抗風浪、抗氧化和抗紫外線分解等特性[8]，本試驗選用纖維增強復合材料(FRP)作為浮體結構，其形狀為圓管形，FRP材料強度高、質量輕、耐久性好、耐腐蝕、易于施工，廣泛應用于航空航天工程、風力發電、道路、橋梁、擋土墻和海洋工程等。太陽能電池板選用相同型號的兩塊單晶硅太陽能板，尺寸為1480mm×680mm×35mm，電池板安裝傾角為18°。防蒸發材料選用高密度聚乙烯(HDPE)材質，直徑為100mm，質量為40g的均質空心浮球。
2.2試驗方法
試驗地位于天山東部博格達山南麓吐魯番市勝金鄉境內的勝金溝水土保持三期水庫，屬典型的大陸性溫暖帶干旱荒漠氣候，該區域日照長、光熱資源豐富、氣溫高、降雨稀少、無霜期長、日照充足、晝夜溫差大、多大風及干熱風等。區域多年平均日照時數為2957.7h，多年平均太陽能輻射總量為5943.53MJ/m2，多年平均氣溫為14.1℃，極端最高氣溫為48℃，極端最低氣溫為-29.2℃，多年平均降水量為16.2mm，多年平均蒸發量為3520mm(Φ20蒸發皿);多年平均風速為1.5m/s，最大風速為25m/s，試驗區2～11月為非冰凍期，12月至次年1月為冰凍期，試驗期限為一整年。
浮球自由漂浮在水面上，受風浪環境的影響容易發生翻滾，造成浮球表面潤濕，浮球的潤濕率隨風速的不斷增大而增大。將浮球固定在水上光伏發電單元體內，在太陽能電池板的遮擋下可降低浮球表面溫度，從而減小水面蒸發速率;另一方面浮球在單元體內緊密排列在一起，可以提高單個浮球和整體在風浪中的穩定性，從而提高浮球的節水效率[9]。但浮球的弧形結構造成浮球間最大橫截面處形成3點接觸，對于直徑為100mm的浮球，浮球間的孔隙率為9%，當浮球覆蓋水面時浮球間9%孔隙水域會發生蒸發損失。因此太陽能電池板遮擋浮球表面時，還可減小浮球間孔隙所造成的蒸發損失，從而達到消減水面蒸發的效果。
2.2.1太陽能電池板遮擋下抑制水面蒸發試驗試驗場所選在靠近水庫岸邊的平坦空地上，周邊視野開闊，無遮擋。試驗裝置為2個相同型號的尺寸為1.0m×1.0m×0.3m的蒸發器和2塊1.20m×0.55m的太陽能電池板，分別標記為A、B蒸發器，為避免蒸發器器壁對水溫的影響，外部包裹相同厚度的紙板，內部鋪設同一型號的防滲膜。
A蒸發器水面上方選用2塊1.20m×0.55m的太陽能電池板遮擋，電池板安裝傾角為18°;B蒸發器水面不用任何材料遮擋，記錄其在自然條件下的水面蒸發量。試驗期間，A、B兩蒸發器內水位變化利用水位測針進行觀測，觀測精度為±0.1mm，每日20：00觀測記錄兩蒸發器水位，因太陽能電池板的遮擋，兩個蒸發器水位會不同，每隔3d在20：00記錄完數據后，將兩蒸發器水位補充到相同水位。
3試驗結果與分析
3.1太陽能電池板遮擋下水面蒸發抑制率分析將兩蒸發器全年蒸發量代入式(2)即求出各月太陽能電池板遮擋下水面蒸發抑制率。經過一年的試驗觀測，太陽能電池板遮擋下年平均蒸發抑制率為29.4%;其中1、12月為冰凍期，其平均蒸發抑制率為12.9%，2～11月為非冰凍期，其平均蒸發抑制率為32.7%，根據圖2可知，太陽能電池板遮擋水面的抑制蒸發率隨時間的變化先增大后減小，其中7月份達到最大值為40.2%，1月份達到最低值為12.1%。
3.2風速分析采用NK5500便攜式氣象站，采集試驗區一 整年的氣象數據，將不同風速出現的頻率按天進行統計整理計算，試驗區內各月風速主要為2、3級風，2級風主要出現在5～8月，分別為80.4%、73.4%、72.8%、77.8%。4級以上風主要出現在3、4月，出現頻率為32.5%、43.3%，其中6級以上大風為13.1%、11.4%，其他各月出現6級以上大風頻率較低。
3.3浮球潤濕率分析
隨著風速的持續增大，太陽能電池板遮擋與無遮擋圍欄內浮球的潤濕率均隨之增大;在0～1.5m/s風速下，兩個圍欄內浮球不受波浪影響，即浮球覆蓋下水面為靜水狀態，浮球潤濕率為0;隨著風級的增大，水面形成的波浪也不斷增大，由于太陽能電池板遮擋下的圍欄質量大，吃水深度大，迎風面受力面積大，出水高度高，使得浮體內浮球的穩定性更好，抵抗風浪的能力更強，潤濕率更小，在極端風速下，因浮體出水高度高可以減緩風速 對浮球造成的影響，也可阻擋浮球被刮離圍欄;當風級大于5級時，兩種圍欄對水面波浪的消減能力有限，水面波浪對圍欄內浮球潤濕率的影響較大;風級超過6級時，無太陽能電池板遮擋和有遮擋圍欄內浮球潤濕率分別為31%、18%。
3.4蒸發抑制率分析
將非冰凍期內不同風速下圍欄浮球潤濕率代入式(4)，得出浮球在圍欄內的蒸發抑制率，浮球在不同形式的圍欄內蒸發抑制率隨風級的增大而減小。當風級大于6級時，圍欄內浮球蒸發抑制率最小，無太陽能電池板遮擋圍欄蒸發抑制率為62.0%，有太陽能電池板遮擋圍欄蒸發抑制率為73.6%。
4結論
a.一整年內太陽能電池板遮擋下的水面蒸發抑制率隨時間變化先增大后減小，7月份達到最大值為40.2%，1月份達到最低值為12.1%。b.在干旱區平原水庫發展水上光伏電站，可減少水面的無效蒸發，由于受到太陽能電池板的朝向、傾角、太陽高度角、風速等因素的影響，使一部分水面暴露在大氣當中，不能完全遮擋太陽輻射，蒸發抑制率較小。c.在非冰凍期內，太陽能電池板與浮球聯合和無遮擋下圍欄蒸發抑制率7月達到最大分別為88.6%、86.8%，4月最小分別為85.0%、80.6%，冰凍期無效蒸發主要為由浮球間孔隙和太陽能電池板傾角所造成的水面蒸發，抑制率為91.1%。d.太陽能電池板與浮球聯合作用下，比無電池板遮擋下浮球蒸發抑制率提高了2.9%，比太陽能電池板遮擋下蒸發抑制率提高了57.9%。
參考文獻：
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[2]潘霄，曾杰，李德，等.水面漂浮式光伏電站浮式基礎結構分析研究[J].人民長江，2017，48(20)：80-85，95.
[3]孫杰.水上光伏電站應用技術與解決方案[J].太陽能，2017(6)：32-35.
[4]OLIVEIRA-PINTOS，STOKKERMANSJ.As-sessmentofthepotentialofdifferentfloatingsolartechnologies–Overviewandanalysisofdifferentcasestudies[J].Energyconversionandmanage-ment，2020，211：112747.
[5]GAINESGL.Insolublemonolayersatliquid-gasin-terfaces[M].NewYork：IntersciencePublishers，1966.
作者：石興鵬1，侍克斌1，韓克武2，肖建3
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