本文摘要：摘要：干旱區(qū)太陽能資源豐富、降雨量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、水資源匱乏，為進(jìn)一步緩解干旱區(qū)水資源匱乏問題，利用浮球作為防蒸發(fā)材料，結(jié)合太陽能電池板對(duì)水面的遮擋作用，分析太陽能電池板遮擋下各月份蒸發(fā)抑制率和太陽能電池板與浮球聯(lián)合作用下的抑制率。一整年內(nèi)
摘要：干旱區(qū)太陽能資源豐富、降雨量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、水資源匱乏，為進(jìn)一步緩解干旱區(qū)水資源匱乏問題，利用浮球作為防蒸發(fā)材料，結(jié)合太陽能電池板對(duì)水面的遮擋作用，分析太陽能電池板遮擋下各月份蒸發(fā)抑制率和太陽能電池板與浮球聯(lián)合作用下的抑制率。一整年內(nèi)太陽能電池板遮擋下的水面蒸發(fā)抑制率隨時(shí)間變化先增大后減小，7月份達(dá)到最大值為40.2%，1月份達(dá)到最低值為12.1%;在非冰凍期內(nèi)，太陽能電池板與浮球聯(lián)合和無遮擋下圍欄蒸發(fā)抑制率7月份達(dá)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(fā)抑制率為91.1%。太陽能電池板與浮球聯(lián)合下比太陽能電池板遮擋下蒸發(fā)抑制率提高了57.9%。
關(guān)鍵詞：干旱區(qū);太陽能電池板;浮球;蒸發(fā);抑制率
1引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境逐漸成為全社會(huì)的共識(shí)[1]，因此需積極尋找有效對(duì)策，減少化石能源消耗，其中太陽能光伏發(fā)電對(duì)于節(jié)約傳統(tǒng)能源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要作用，但其進(jìn)一步發(fā)展受到土地面積的限制，故架設(shè)場(chǎng)地由地面轉(zhuǎn)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(fā)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(huán)境[3，4]。
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因此，結(jié)合水上光伏發(fā)電技術(shù)與防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)，建立集產(chǎn)能、節(jié)水為一體的水上光伏電站，對(duì)于光伏發(fā)電技術(shù)在水資源匱乏的干旱區(qū)的應(yīng)用，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前，關(guān)于減少水面無效蒸發(fā)的研究成果較豐富，主要包括化學(xué)試劑覆蓋[5]、生物技術(shù)覆蓋[6]和物理覆蓋[7]。本文基于現(xiàn)有研究，利用浮球作為防蒸發(fā)材料，結(jié)合太陽能電池板，分析太陽能電池板與浮球聯(lián)合作用對(duì)防蒸發(fā)節(jié)水效率的影響，以期為光伏發(fā)電技術(shù)在干旱區(qū)的應(yīng)用提供參考。
2材料與方法
2.1試驗(yàn)材料
水上光伏浮體作為光伏電站的重要支撐平臺(tái)，應(yīng)具備良好的耐腐蝕性、適宜的密度、強(qiáng)度高、憎水、無毒、抗凍脹、抗風(fēng)浪、抗氧化和抗紫外線分解等特性[8]，本試驗(yàn)選用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)作為浮體結(jié)構(gòu)，其形狀為圓管形，F(xiàn)RP材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性好、耐腐蝕、易于施工，廣泛應(yīng)用于航空航天工程、風(fēng)力發(fā)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(hào)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(fā)材料選用高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì)，直徑為100mm，質(zhì)量為40g的均質(zhì)空心浮球。
2.2試驗(yàn)方法
試驗(yàn)地位于天山東部博格達(dá)山南麓吐魯番市勝金鄉(xiāng)境內(nèi)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(qū)域日照長(zhǎng)、光熱資源豐富、氣溫高、降雨稀少、無霜期長(zhǎng)、日照充足、晝夜溫差大、多大風(fēng)及干熱風(fēng)等。區(qū)域多年平均日照時(shí)數(shù)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(fā)量為3520mm(Φ20蒸發(fā)皿);多年平均風(fēng)速為1.5m/s，最大風(fēng)速為25m/s，試驗(yàn)區(qū)2～11月為非冰凍期，12月至次年1月為冰凍期，試驗(yàn)期限為一整年。
浮球自由漂浮在水面上，受風(fēng)浪環(huán)境的影響容易發(fā)生翻滾，造成浮球表面潤(rùn)濕，浮球的潤(rùn)濕率隨風(fēng)速的不斷增大而增大。將浮球固定在水上光伏發(fā)電單元體內(nèi)，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(fā)速率;另一方面浮球在單元體內(nèi)緊密排列在一起，可以提高單個(gè)浮球和整體在風(fēng)浪中的穩(wěn)定性，從而提高浮球的節(jié)水效率[9]。但浮球的弧形結(jié)構(gòu)造成浮球間最大橫截面處形成3點(diǎn)接觸，對(duì)于直徑為100mm的浮球，浮球間的孔隙率為9%，當(dāng)浮球覆蓋水面時(shí)浮球間9%孔隙水域會(huì)發(fā)生蒸發(fā)損失。因此太陽能電池板遮擋浮球表面時(shí)，還可減小浮球間孔隙所造成的蒸發(fā)損失，從而達(dá)到消減水面蒸發(fā)的效果。
2.2.1太陽能電池板遮擋下抑制水面蒸發(fā)試驗(yàn)試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)裝置為2個(gè)相同型號(hào)的尺寸為1.0m×1.0m×0.3m的蒸發(fā)器和2塊1.20m×0.55m的太陽能電池板，分別標(biāo)記為A、B蒸發(fā)器，為避免蒸發(fā)器器壁對(duì)水溫的影響，外部包裹相同厚度的紙板，內(nèi)部鋪設(shè)同一型號(hào)的防滲膜。
A蒸發(fā)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(fā)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(fā)量。試驗(yàn)期間，A、B兩蒸發(fā)器內(nèi)水位變化利用水位測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)精度為±0.1mm，每日20：00觀測(cè)記錄兩蒸發(fā)器水位，因太陽能電池板的遮擋，兩個(gè)蒸發(fā)器水位會(huì)不同，每隔3d在20：00記錄完數(shù)據(jù)后，將兩蒸發(fā)器水位補(bǔ)充到相同水位。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1太陽能電池板遮擋下水面蒸發(fā)抑制率分析將兩蒸發(fā)器全年蒸發(fā)量代入式(2)即求出各月太陽能電池板遮擋下水面蒸發(fā)抑制率。經(jīng)過一年的試驗(yàn)觀測(cè)，太陽能電池板遮擋下年平均蒸發(fā)抑制率為29.4%;其中1、12月為冰凍期，其平均蒸發(fā)抑制率為12.9%，2～11月為非冰凍期，其平均蒸發(fā)抑制率為32.7%，根據(jù)圖2可知，太陽能電池板遮擋水面的抑制蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化先增大后減小，其中7月份達(dá)到最大值為40.2%，1月份達(dá)到最低值為12.1%。
3.2風(fēng)速分析采用NK5500便攜式氣象站，采集試驗(yàn)區(qū)一 整年的氣象數(shù)據(jù)，將不同風(fēng)速出現(xiàn)的頻率按天進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理計(jì)算，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各月風(fēng)速主要為2、3級(jí)風(fēng)，2級(jí)風(fēng)主要出現(xiàn)在5～8月，分別為80.4%、73.4%、72.8%、77.8%。4級(jí)以上風(fēng)主要出現(xiàn)在3、4月，出現(xiàn)頻率為32.5%、43.3%，其中6級(jí)以上大風(fēng)為13.1%、11.4%，其他各月出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)頻率較低。
3.3浮球潤(rùn)濕率分析
隨著風(fēng)速的持續(xù)增大，太陽能電池板遮擋與無遮擋圍欄內(nèi)浮球的潤(rùn)濕率均隨之增大;在0～1.5m/s風(fēng)速下，兩個(gè)圍欄內(nèi)浮球不受波浪影響，即浮球覆蓋下水面為靜水狀態(tài)，浮球潤(rùn)濕率為0;隨著風(fēng)級(jí)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(zhì)量大，吃水深度大，迎風(fēng)面受力面積大，出水高度高，使得浮體內(nèi)浮球的穩(wěn)定性更好，抵抗風(fēng)浪的能力更強(qiáng)，潤(rùn)濕率更小，在極端風(fēng)速下，因浮體出水高度高可以減緩風(fēng)速 對(duì)浮球造成的影響，也可阻擋浮球被刮離圍欄;當(dāng)風(fēng)級(jí)大于5級(jí)時(shí)，兩種圍欄對(duì)水面波浪的消減能力有限，水面波浪對(duì)圍欄內(nèi)浮球潤(rùn)濕率的影響較大;風(fēng)級(jí)超過6級(jí)時(shí)，無太陽能電池板遮擋和有遮擋圍欄內(nèi)浮球潤(rùn)濕率分別為31%、18%。
3.4蒸發(fā)抑制率分析
將非冰凍期內(nèi)不同風(fēng)速下圍欄浮球潤(rùn)濕率代入式(4)，得出浮球在圍欄內(nèi)的蒸發(fā)抑制率，浮球在不同形式的圍欄內(nèi)蒸發(fā)抑制率隨風(fēng)級(jí)的增大而減小。當(dāng)風(fēng)級(jí)大于6級(jí)時(shí)，圍欄內(nèi)浮球蒸發(fā)抑制率最小，無太陽能電池板遮擋圍欄蒸發(fā)抑制率為62.0%，有太陽能電池板遮擋圍欄蒸發(fā)抑制率為73.6%。
4結(jié)論
a.一整年內(nèi)太陽能電池板遮擋下的水面蒸發(fā)抑制率隨時(shí)間變化先增大后減小，7月份達(dá)到最大值為40.2%，1月份達(dá)到最低值為12.1%。b.在干旱區(qū)平原水庫發(fā)展水上光伏電站，可減少水面的無效蒸發(fā)，由于受到太陽能電池板的朝向、傾角、太陽高度角、風(fēng)速等因素的影響，使一部分水面暴露在大氣當(dāng)中，不能完全遮擋太陽輻射，蒸發(fā)抑制率較小。c.在非冰凍期內(nèi)，太陽能電池板與浮球聯(lián)合和無遮擋下圍欄蒸發(fā)抑制率7月達(dá)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(fā)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(fā)，抑制率為91.1%。d.太陽能電池板與浮球聯(lián)合作用下，比無電池板遮擋下浮球蒸發(fā)抑制率提高了2.9%，比太陽能電池板遮擋下蒸發(fā)抑制率提高了57.9%。
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作者：石興鵬1，侍克斌1，韓克武2，肖建3
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