浮式太阳能板究竟能节省多少蒸发量?
针对这一问题开展的规模最大、最全面的研究,模拟了埃及阿斯旺高坝水库(全球最大的人工湖之一)的情况,发现若用漂浮式太阳能板覆盖该水库90%的面积,蒸发量将减少49.7%,每年可节约高达59亿立方米的水资源[4]。这一数字意味着,节约的水量足以满足数百万人的年度生活用水需求。同一项研究还测算出,每安装一千瓦峰值容量的漂浮式太阳能系统,每年可节约约7.67立方米的水[4]。
规模较小但控制严格的实验也印证了这些数据。在巴西一处铝土矿中,研究人员建造了两个试验水库——一个部分覆盖浮动太阳能板,另一个未覆盖——结果显示,有覆盖的水库蒸发量减少了49%[2]。若将该矿场总面积达45万平方米的水面全部覆盖,每年可节约约46.6万立方米的水资源[2]。另一项针对巴西帕萨乌纳水库的研究表明,仅覆盖1265平方米的浮动太阳能系统便实现了60.2%的蒸发量削减;据估算,若覆盖整个水库,每年可节省269万立方米的水——足以满足超过196人一年的用水需求[8]。
在北塞浦路斯,研究人员对15座水库进行了建模分析,发现100%覆盖水面每年可为每座水库节省高达62.1万立方米的水资源[1]。即便部分覆盖也能带来显著效益:希腊克里特岛的一项研究测算,仅覆盖两座大坝的10%水面,每年即可节省52.8万立方米水;若覆盖30%,则可节省158万立方米[3]。印度北方邦的一项研究表明,将光伏板安装在水面以上300毫米处,可使蒸发量减少23.44%;据估算,若覆盖28座主要大坝的25%水面,每年可节省9256万立方米水[6]。
蒸发量减少的程度由哪些因素决定?
最大的单一影响因素是太阳能板覆盖水面的面积比例。所有研究都表明存在明确的直接关系:覆盖面积越大,蒸发量减少越多。但具体节省效果取决于当地气候、太阳能板设计以及安装方式。例如,印度研究发现,将太阳能板架设在水面以上300毫米高度时,蒸发减少效果最佳(23.44%),优于更低或更高的安装高度[6]。这是因为间隙会形成气流,若未优化反而可能增加蒸发——因此面板高度至关重要。
风也起到了一定作用。一项关于漂浮式太阳能阵列的风洞研究表明,第一排面板承受了风力的主要冲击,而内部排则受到“遮蔽效应”的影响,风荷载可减少45%至86%[7]。到达水面的风力减弱意味着蒸发量减少,因此更大、更密集的阵列实际上可能比小型、分散的阵列更有效地减少蒸发。
浮动结构的类型和面板技术同样重要。在北塞浦路斯,研究人员发现,双面面板(可从两侧捕捉光线)与朝北倾斜6度的设计能实现最佳性能[1]。尽管该研究主要关注发电效率,但相同的设计选择也会影响水面被遮挡的面积以及气流受阻的程度,进而影响蒸发量的减少。
有没有什么缺点或需要注意的地方?
确实存在权衡。在水库上覆盖太阳能板会改变水下环境。一项针对英国水库的建模研究发现,浮动太阳能覆盖显著改变了水温和光照穿透度,进而影响了浮游植物(构成水生食物网基础的微型藻类)[5]。随着覆盖面积增加,浮游植物生物量总体下降,但影响程度取决于面板的放置位置——将面板部署在水库流速较快的区域,比放置在静止水域造成的干扰更小[5]。这意味着水库管理者不仅需要考虑安装多少面板,还需思考将其置于何处。
另一个实际问题是结构完整性。漂浮式太阳能系统必须能够承受风、浪和风暴。一项风荷载研究表明,外围面板排所承受的力远高于内部排,因此边缘处的支撑结构需要更加坚固[7]。好消息是,同一项研究发现,在阵列中部使用更便宜的材料,可使一个2.5兆瓦系统的制造成本降低19%[7]。
最后,蒸发减少的数据来自模型和小规模实验,而非长期的全水库监测。尽管这些模型经过了充分验证(例如,阿斯旺大坝的研究结合了水动力湖泊模型与太阳能产量模型[4]),但实际表现可能存在差异。巴西的测试水库[2]和印度的实验装置[6]提供了最直接的证据,但这些规模较小——真正的考验在于,当大规模漂浮式太阳能电站经过多年监测后,才能见分晓。
本文引用的文献
迈向可持续能源解决方案:评估漂浮式光伏系统在减少水分蒸发与提升能源生产方面对北塞浦路斯的影响
在北塞浦路斯,15座水库若全面覆盖漂浮式太阳能系统,每座水库每年最多可节约62.1万立方米的水资源,其中双面光伏板搭配6度倾角的方案效果最佳。
研究露天矿区水库蒸发减少的浮式光伏系统理论与实验方法
巴西一处铝土矿进行的受控实验表明,部分水面覆盖太阳能板可使蒸发量减少49%,预计该矿各蓄水池每年可节约46.6万立方米水。
在希腊克里特岛的水库上使用浮动太阳能光伏板的可行性
在希腊克里特岛的两座大坝上覆盖10%的浮动太阳能板,每年可节省52.8万立方米的水;覆盖30%则可节省158万立方米。
利用阿斯旺高坝水库上的浮动光伏电站实现蒸发减少与能源发电潜力
模拟阿斯旺高坝水库90%的浮式太阳能覆盖面积后,蒸发量减少了49.7%,每年可节约高达59亿立方米的水资源,每千瓦峰值功率每年可节省7.67立方米水。
水库上的漂浮式太阳能板对浮游植物种群的影响:一项模拟实验
英国某水库上的浮动太阳能覆盖显著改变了水温和光照条件,导致浮游植物生物量减少;其影响因太阳能板铺设位置的不同而有所差异。
不同高度下的漂浮式太阳能光伏(FSPV)装置:印度北方邦热带地区主要水库的蒸发减少量估算
在印度北方邦,安装在水面上方300毫米处的覆盖板使蒸发量减少了23.44%;若覆盖28座主要大坝的25%面积,每年可节约9256万立方米的水资源。
风荷载对漂浮式光伏系统太阳能板阵列的影响——实验研究与经济分析
风洞测试表明,外侧浮式太阳能板承受的风荷载最大,而内侧阵列的风荷载降低45%至86%,因此中心区域可采用更经济的材料。
巴西帕萨乌纳水库中漂浮式光伏系统对水面蒸发速率的影响
在巴西的帕萨乌纳水库,一个1265平方米的浮动太阳能系统将蒸发量减少了60.2%;若覆盖整个水库,每年可节约269万立方米的水资源。
