采煤留下沉陷怎么办?中国在这建了个最大浮动太阳能电站!

提到太阳能,相信大家并不陌生,作为一种新兴的可再生清洁能源,它已经被应用到我们生活的方方面面,太阳能计算器、太阳能热水器、太阳能发电站,就连马路上的路灯,许多都是靠太阳能供电的。但是,你见过水上的太阳能发电站吗?

这种水上太阳能电站不仅存在,而且目前全球最大的水上太阳能电站就在中国。

这座水上太阳能发电站占地约1400亩,总装机容量为40兆瓦,分成16个发电单元,是目前全球最大的水上漂浮光伏发电项目。这里原本是一个采煤下陷形成的深十多米、面积6000多亩的“大水坑”,电站建成后,“大水坑”变成了“基地”,瞬间科技感爆棚!

要把太阳能转化成电,得靠光生伏特

宽阔的水面上,漂浮着成片的光伏太阳能板,它们由灰色的塑料浮箱托在水面上,浮箱下面有上千个钢筋混凝土制成的工程桩,每一个工程桩的位置都用GPS设计定位,然后再根据整个水底的实际情况和浮体的重量确定工程桩的直径和长度,中间几乎没有差错。桩体之间用粗缆绳连接,上面放置浮箱,浮箱之间用钢缆顺次连接,上面再铺设光伏太阳能板,最终构成了一片壮观的光伏发电方阵。

据称,这些方阵十分牢固,能够抗御8级大风,设计使用年限是25年。

这么气势磅礴的“大制作”,其原理到底是什么,这样设计又有什么特别之处呢,下面咱们就来一探究竟。

(一)要把太阳能转化成电,得靠光生伏特 太阳能发电有光伏和光热两种模式。目前获得大范围商用的主要是光伏发电,其利用的就是光生伏特效应:通过太阳能电池将太阳光能直接转化为电能,储存或者通过电网输送到用户侧。

要了解光生伏特效应,首先要搞清楚什么是P-N结。

总的来说,半导体有P和N两种类型,P型多空穴(带正电),N型多自由电子(带负电),P型和N型结合在一起时,在它们的交界面区域会形成一个特殊的薄层,就叫做P-N结。

一开始,交界处其实也“相安无事”,但时间一久,N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区,慢慢地就形成了一个由N指向P的“内电场”,从而阻止扩散进行。当这个电场达到平衡后,就形成了一个特殊的薄层电势差,P-N结就产生啦!

太阳能电池板,就可以理解成一个超大的P-N结。

当阳光照射在太阳能电池上被吸收后,光子能量能够将电子从共价键中激发,从而产生电子-空穴对。电子和空穴被P-N结的“内电场”分离开来,这场运动的结果就是在P区和N区之间产生一个高于“内电场”的向外的电压。这其实和电池的原理类似。

此时,给电池板加上电极并接入电路就会产生电流。光照越强,产生的电子-空穴对越多,电压就越高,产生的电流就越大。

(太阳能电池发电原理)

将太阳能电池串联后,进行封装保护,就能够形成大面积的太阳能电池组件,之后与功率控制器相结合,最后就变身为光伏发电系统。光伏发电系统不仅能够独立运行,还能够并网输送电力。

光伏联网系统简图

看来,光伏发电也不麻烦嘛,那建在水上又有什么说法呢?

(二)水上太阳能电站,跟陆地的有什么不同?

水上光伏发电站的组成主要包括两部分,一是光伏系统,二是水面辅助设备。

水面光伏电站的硬件组成部分主要为光伏面板、汇流箱、逆变设备、变压器、集电线路、聚乙烯浮体架台等。而利用的水面,目前主要是水塘、小型湖泊、水库、蓄水池等。

根据光伏组件的支撑方式,水上光伏电站主要分为桩基固定和水面漂浮两种应用形式。其具体形式的选择一般由水深初步决定,浅水区(水深小于3m)可采用桩基固定方式,深水区(水深大于3m,径流稳定,水位变化一般小于6m,水深基本一致)可采用水面漂浮方式。

另外,对于非稳定的采煤沉陷区,原则上也可以采用漂浮方式,以“固定打桩+固定支架”为主,以“固定打桩+跟踪支架”为辅。水面漂浮方式又可分为浮管式和浮筒式两种形式。

桩基固定式、浮管式、浮筒式

相比陆上光伏电站,水上光伏电站的电缆设计与敷设也比较特殊。

为降低线路损耗,需要根据距离汇流点的远近选取不同横截面积的电缆。同时,为了应对水位变化,还要根据实际情况适当增长电缆长度。

另外,关于电缆桥架,考虑到渔船行驶、检修与运维,多采用大跨度桥架,一般可通过三角形支托架支撑桥架。日本的漂浮项目还采用过封闭树脂管,漂浮在水面上。

水上光伏电站的另外一个大难题是,现场环境潮湿、盐雾腐蚀、风浪大,因此设备需具备防水、抗腐蚀、耐老化能力。

光伏组件需选择可靠性更佳的双玻组件(更低的湿气透过率)或者抗电势诱发衰减及抗盐雾腐蚀的单玻边框光伏组件;浮体应具备抗紫外、抗腐蚀、抗冻胀、抗风浪、寿命长等能力;支架和桥架也要具备抗腐蚀、强度大等能力;电气设备应具备IP67等级的防尘防水能力以及抗腐蚀能力。

(三)在水上建太阳能电站,有啥优势?

既然水上光伏电站有这么多挑战,那为啥还要建在水面上呢?这是因为它有着路上光伏电站无可比拟的优势。

1、节约资源。水上光伏发电工程不需要建设支架,也不需要挖电缆沟,大大减少地面开挖,覆盖的组件也可减缓水蒸发速度,保护水资源。在一些土地资源有限、土地开发难度大的地区,发展水上光伏项目是一个好的选择,给光伏发电的应用开辟了新道路。

2、发电高效。水面地势较为开阔,反光效果好,还可以有效减少树木建筑对阳光的阻挡,使得太阳照射面积均匀,光照时间长。

另外,水对太阳能电池板有冷却作用,可使得电池板在同等条件下保持较高发电效率。据调查,电池板的温度若降低1℃,输出功率可增加0.5%,尤其是夏季高温时,可获得比相同地区地面或屋顶电站高出10%~15%的发电量。

3、成本低廉。水面浮动式光伏电站具有整体性,方便太阳能跟踪系统的安装和运行,大幅减少了每块电池板均需安装双轴跟踪系统而造成的高昂成本。浮体架台可采用经过特殊防水处理的竹筏材质,既节约成本又能多次回收利用。另外,土地成本占地面光伏电站成本的3%左右,而水上不收土地税。

4、维护方便。水上光伏发电所选材质都必须达到最高防水要求,和地面光伏相比,在清洁时对组件的发电效率损害较小,而且整体系统的调试也更加方便。

5、旅游效益。水上光伏电站让原本不起眼的小湖可以摇身一变,成为独具特色的风景区,增加水上景观的观赏性,带来旅游效益。另外,它还可同步水产养殖。再有水产养殖业的水库或鱼塘建水上光伏发电站,可以为鱼类创造更好孵化环境,控制藻类生长,提高水产品产量。

(四)水上光伏不仅发电环保,还能扶贫致富光伏电站不只是看上去“高大上”,它的效益也是杠杠的。太阳能光伏发电期间,只有极少的二氧化碳排放出来,不会产生其他污染物。而且太阳能电池板能够循环使用,保证其系统材料能够被有效利用。总的来说,光伏发电技术的广泛应用,能够有效缓解气候、环境等问题。

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