中国自主发明浸入式水上光伏横空出世

发布日期：2018-06-26 11:58:56 来源：江淮机电网编辑：whl

　　江淮机电网6月26日报道 2018世界杯比赛用球全是中国制造！“中国足球”也算是领先世界了，而说到中国创造，就不得不提由中国科学院教授带领研发的可浸入式水上光伏了。

　　什么是浸入式光伏

　　光伏（Photovoltaic）：是太阳能光伏发电系统（Solar power system）的简称，是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,浸入式光伏则是一种可于水中或海中进行太阳能发电的新型发电系统。

　　传统光伏的限制

　　作为光伏发电的主流，地面用光伏组件在近几十年来，由于社会对可再生能源的巨大需求，在全球范围内取得了众所周知的成功和进步。然而，传统的光伏组件的固有缺陷，限制了其进一步应用的发展：

　　占地面积广

　　太阳能是一种密度稀薄性的能源，每一平方米的总能量只有几百瓦，再加上太阳能电池板的发电效率只有20%左右，这就决定了大量地使用地面光伏必定会同人类的活动空间和陆地绿化产生矛盾，即使是近些年来大量提倡的屋顶发电、墙面发电等形式，其发电规模也是受到很大限制的。所以，就长远目标讲来，占地面积广是地面太阳能发展的重要约束因素。

　　重量大

　　目前的传统光伏晶硅组件都是由玻璃作为保护面，外加四周粗重的边框，组件本身的重量约为12-14kg/㎡，在地面安装时为了抗风、抗震、承重，组件必须固定在坚固的骨架上，总安装的重量可以达到20-22kg/㎡。这样笨重的发电装置不但耗费了大量的工业资源，造成了电站寿命到期后的大量废弃垃圾，而且极大地限制了太阳能发电的应用范围。

　　缺乏有效的散热机制

　　由于光伏组件的效率低下，其所接收的太阳能量的70%以上都会转化为热能。缺乏有效的散热机制，使得在发电过程中晶硅的节温一般都在50-70℃之间，晶硅的发电效率随着温度的上升而下降的速率为0.38-0.40%，这就是传统光伏组件在工作环境中的实际发电量比标准温度下（25℃）的发电量要低20-30%的原因。

　　鉴于地面光伏组件占地面积广同人类争夺陆地使用的矛盾，近些年来人们已经逐步开发水上太阳能，使用湖面、河面，甚至海面采集太阳能进行发电。然而，这些尝试的共同点在于，采用桩柱结构或水上漂浮结构，在水面上搭建一个高于水面、高于水浪的平台，然后采用与安装地面太阳能相同的工艺设计和结构，安装水上太阳能。下图为目前典型的水上太阳能设计：

　　水上太阳能典型的桩柱结构

　　上述的浮台式水上太阳能板由于无法直接同水接触，并没有克服难以散热的缺陷，使得水上太阳能组件的发电效率同地面太阳能组件相差无几；另外，由于施工的湖面、河面、海面都具有不同的工作环境，水面的高低经常变化，光伏电站的高成本限制了地面以外的光伏电站的大量应用。

　　光伏的发展历程

　　漂浮还是浸入？

　　基于以上的讨论，不少发明者曾多次提出浸入式太阳能组件的概念，直接使用水环境，对光电池进行散热。而这样的设计遇到了两方面的困难：

　　重量问题

　　浸入式光伏组件的重量密度必须小于水密度，约为1g/cm3，才能安全地漂浮在水面上。然而，目前传统组件的重量密度为2.7g/cm3，要想达到漂浮在水上的目的，必须使用大面积、较低密度的不同材料，如木板、泡沫塑料等作为底板，这种较低密度的材料不但极大地增加了组件的等效厚度，也是在水上不能经受住恶劣的风浪拍打、撕裂，而受损的主要原因。

　　抗腐蚀问题

　　浸入式光伏组件要求组件长期浸没在水的表面中，特别是长期浸没在海水的表面中，这就对组件的防水和抗腐蚀提出了更高的要求。传统的组件尽管可以通过将其边框及接线盒的封装进行改善，进而提高其防水、防腐性能，然而由于封装电池所用的弹性体EVA或TPU的防渗性能不够，这样的组件运用在浸入式的水上发电中会因为封装弹性体的吸潮和化学不稳定性而极大地缩短其工作寿命。

　　针对以上制造浸入式水上光伏组件的困难，最近的这个发明是一种新的制造光伏组件的方法，采用了一种冷封装的新工艺，可以将改性有机硅作为弹性体对光电池进行封装，所封装的光伏组件预制件可以达到6g/W左右的重量比。有机硅是迄今为止在比较廉价的材料中，最好的防水、防腐蚀材料，在光伏界中使用有机硅代替EVA是几十年以来光伏工程师所一直追求的，但由于种种原因，有机硅至今未能大量用于组件的电池封装。新发明发明给我们提供了一种新的水上光伏的技术基础，它不但可以制造整体密度小于1g/cm3的组件，而且具有十分可靠的防水、抗腐蚀性能。我们曾经将有机硅封装的组件长期浸泡在高浓度盐水中长达3000小时以上，通过目测和绝缘试验测试其腐蚀情况，将样品清洗后同未浸泡样品比较，无变化；使用ZC-7高压表测量表明，其绝缘性能（1kV的电压下绝缘电阻为200MΩ以上）没有任何可探测到的变化。

　　漏电问题

　　水中漏电是一个非常严重的问题。上节中所提到的腐蚀漏电仅仅是可能引起漏电的一种形式。光电池表面封装物的吸水、表面割伤、异物划拉、鱼类或其他生物咬嚼、硬物冲击等等都会形成无玻璃表面的破坏而导致漏电；另外，其他封装部分，包括接线盒、接线头都可能成为漏电处。易漏电是相比于地面光伏，浸入式水上光伏的另一个重大弱点。综合考虑浸入式光伏漏电的各种因素，包裹光电池两面的弹性体材料的吸水性是最难解决的问题，如上所述，我们使用有机硅代替EVA封装，找到了答案，那么解决其他漏电因素就是一系列的工业设计的事情了。经过多年的实验，防漏电的工业设计已成熟。

　　浸入式光伏的设计特点

　　用改性有机硅，通过冷封装的方法将其进行封装后得到一种轻质的预制件，改性后的有机硅使该预制件防水性能和抗腐蚀性能达到要求，可长期以浸入的方式在水面上工作；将这种预制件使用粘合剂将其与一定密度的防水抗腐蚀板材复合，如高密度PVC板、高密度中空PC板等，所得的光伏组件整体密度小于1g/cm3。

　　浸入式的光伏组件不需要桩柱结构，不需要漂浮平台，安装时可以直接置于水面上。即使在有风浪的情况下，其表面或部分表面在浸入水中的同时，能较好地接收太阳辐射。

　　浸入式的光伏组件在临近水面的水面上或水面下工作时，由于水环境的直接冷却，不但大大降低了对组件热失配的苛刻要求，更可以提高其发电效率（5%-30%）。

　　浸入式的水上光伏组件的长宽尺寸小于海面波浪的半波长，例如0.8m到1.5m，以保证不管是海面上的震荡波或推移波都不会破坏浸入式单元组件。

　　以上光伏组件可以通过软连接的方法形成大面积的光伏阵列，阵列由连接一定长度缆绳的锚在水中固定，软连接的大面积阵列可以抵抗海面上的飓风和水浪。

　　浸入式光伏组件可以直接置于湖面、河面等水面上，驱动固定在光伏组件上的增氧机或曝气机，实现光伏组件-增氧机一体化的设计。

　　浸入式水上光伏的应用

　　针对以上所述的特点，其应用将会相当广泛。浸入式水上光伏组件仿造水上生物，无需桩柱结构，无需水上浮台，在海浪中以随波逐流的方式工作而不受破坏，在远离海岸线的地方可随处生根而高效发电，可以小到一平方米大小，供电于浮标、灯塔和各种探测器、增氧机，也可以方便地组成满足任何所需电力的大型阵列。用几何学的语言，在应用中，可以是点,单板供电;可以是面，组成柔软方阵;也可以是线，给海上运输工具随处供电。下文中我们将已有实践的各项应用，分别进行叙述。

　　一体化设计的增氧机、自然喷泉

　　随着对环境生态要求的日异提高，不管是对河道、河面的治理，城市森林的建设，还是水上养殖业的发展，对于增氧机喷泉的需求量越来越大，浸入式的光伏当然可以非常方便地设计成一体化的增氧机或自然喷泉，而且其造价可以远远低于使用传统光伏的造价，其规模或水的流量可以根据需求有不同的变化，如下图所示：

　　三种规格的自然喷泉

　　自然喷泉不但形成美丽的景观，对环境的治理和改善也是十分明显的，我们曾经对一个居民里区原本是一潭死水的小水塘进行了几周的治理，发现原来的污浊的、毫无生气的水面可以变得开始清澈透明，可见鱼类和水下生物的活动也大大增加，喷泉对水的充分的雾化更使得水池周围的空气清新滋润。对于这样的一体化的增氧机，我们总结了如下的参数，这些参数是如今正在使用的具体设计，随着应用的逐渐深入，可能还会有些变化。

　　浸入式水上光伏一体化增氧机的基本参数

　　目前以上的应用已经比较成熟，希望尽快进入产业化过程。

　　阵列发电

　　浸入式的水上阵列发电会面临一个水下高压的问题，在地面上使用光伏组件组成上千伏的阵列，已经有了成熟的技术；然而使用浸入水中的光伏单元组成上千伏的阵列的案例至今还未出现，我们的经验也远远不足，所以浸入式的水上光伏阵列的设计是以什么样的额定电压为安全使用电压，应当经过详细的论证。不过，我们已经进行了360 V的阵列试验，下图是4KW的发电阵列，可用于离网或并网发电：

　　360V4KW的光伏阵列

　　不过，这样的工作由于是短期的下水试验，虽然没有出现问题，360V阵列电压是否是安全使用电压还远远不能得出结论。

　　海上光伏

　　海上光伏面对的条件就要苛刻的多，特别在我国的南海海面，其最主要的困难在于高温和大风。浸入式光伏组件由于受到海水的冷却，高温的困难得以解决，而风浪的问题是所面临的最主要的应用障碍；为此，我们将光伏组件单元设计成与海浪波长相比拟的尺寸，而单元间的连接采用坚固的软连接，同时光伏单元的背板使用高强度的材料，希望这些措施能够帮助我们走出一条真正的海上光伏的实际应用道路。

　　图4是在北戴河海岸安装的浸入式光伏，试验时海浪高0.8米，组件未受损，并且以高于地面光伏20%的效率正常发电：

　　北戴河实地实验

　　浸入式海上光伏的设计在技术上遇到的最大的困难是水，特别是海水对光伏组件的侵蚀和腐蚀。我们为此研究了多年，并发明了一种使用有机硅作封装材料的冷封装方法，提出了制造海上光伏的新技术和新工艺。经过数千小时的老化试验，证明这种方法可以达到预期的效果。

　　浸入式光伏组件不但可以在造价和性能上同目前的漂浮式水上电站相竞争，更重要的是，这种仿生式的光伏是应对海上飓风骇浪、高温高湿的极端气候的解决方案，从而为我们将来给南沙礁岛供电，建立大型海上供电站，建立长途海上光伏无轨电车，建立可居住的海上光伏城等等，提供了技术支撑。

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