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太陽能電池板只能鋪設在陸地上嗎？不，它們還可以鋪設在海面上。近期，我國最大的海上光伏項目——中核田灣200萬千瓦灘涂光伏示范項目在江蘇連云港正式開工建設。項目全面建成后，將與中核集團田灣核電基地相互耦合，形成總裝機容量超過1000萬千瓦的大型清潔能源基地，每年可以減少碳排放177萬噸。 這可不得了，你想想看，海洋的面積多大。如果按照這個思路，咱們再把太陽能電池板朝海面上多鋪設一點，能源的問題是不是就能得到極大的緩解了。這個項目只是一個“示范項目”，也就是說，這個目前我國最大的海上光伏電站，只是一個樣板。打樣完成，后續就是鋪開了復制，海上光伏的想象空間還很大。 那在海上鋪設光伏電站，有哪些具體的優勢？會遇到哪些挑戰？我們又該如何應對呢？ 先來說海上光伏的優勢，總結起來大體有以下四個： 第一，海上光伏電站能夠大大節省陸地上的土地資源，這是其最顯著的優勢之一。當前，許多國家和地區的土地資源緊張，特別是在城市和工業發達地區，建設大型光伏電站往往面臨土地稀缺的問題。將光伏電站轉移到海上，不僅能夠避免與農業、城市建設等領域爭奪土地，還能為陸地上其他重要用途釋放更多空間。例如，農業用地可以繼續用于糧食生產，城市用地可以發展住宅和商業設施，從而實現土地資源的最優化利用。 第二，海上光伏電站能夠有效避免土地使用沖突。陸地光伏電站的建設，常常需要在大片土地上安裝光伏板，這可能會引發與農業、牧業、林業等產業的矛盾，甚至可能導致生態系統的破壞。海上光伏電站則完全不涉及這些問題，它們漂浮在海面上，不占用任何陸地，不會影響土地的原有用途。因此，海上光伏電站能夠在不破壞現有生態和經濟活動的前提下，提供大量清潔能源，真正做到綠色發展和可持續發展。 第三，海上光伏電站的獨特環境條件，有助于提高光伏板的發電效率。首先，海洋表面的高反射率能夠增加光伏板接收的陽光量，從而提升發電效率。其次，海洋環境溫度相對穩定，水面可以為光伏板提供天然的冷卻效果，避免高溫對光伏板性能的負面影響。高溫會降低光伏板的光電轉換效率，而在海上，光伏板受海風和水體的冷卻作用影響，溫度相對較低，從而維持較高的發電效率。此外，海上空氣較為清新，灰塵和污染物較少，光伏板的表面更干凈，能更有效地吸收太陽能。 第四，海上光伏電站具有顯著的環境友好性。與陸地光伏電站相比，海上光伏電站對生態環境的影響更小。它們不會占用陸地生態敏感區，如森林、濕地和草原等重要生態系統，能夠有效避免對動植物棲息地的破壞。此外，通過合理布局和科學設計，海上光伏電站可以最大限度地減少對海洋生物和生態系統的影響。某些設計甚至考慮到海洋生物的生存環境，采用環保材料和結構，使光伏電站與周圍生態環境和諧共存，真正實現人與自然的和諧發展。 從以上優勢我們就能看出，海上光伏電站真的是未來清潔能源發展的重要方向之一，為全球能源轉型和生態保護提供了新的解決方案。但是，這個解決方案也面臨著諸多挑戰。海上的好處自然有很多，但是海上的壞處也并不少。 海洋環境中，鹽分的高濃度是光伏電站面臨的首要挑戰之一。海水和海風中的鹽分會形成鹽霧，附著在光伏設備的表面，導致嚴重的腐蝕問題。金屬部件如支架、接線盒和電纜等在長期暴露于鹽霧中時，會發生氧化反應，導致材料強度下降、結構損壞，甚至引發電氣短路。這種腐蝕不僅會縮短設備的使用壽命，還會增加維護和更換成本。根據研究，鹽霧對電子元件的影響尤為顯著，可能導致接觸不良和性能下降。 其次，海上環境的高濕度也給光伏電站的運行帶來了不小的挑戰。高濕度使得空氣中的水汽容易在設備內部和電氣連接部位凝結成水滴，形成結露現象。這種結露會導致電氣絕緣性能下降，增加漏電和短路的風險。此外，長期的潮濕環境還會使得光伏組件中的封裝材料老化、剝離，影響光伏板的光電轉換效率和整體可靠性。特別是在溫差較大的環境中，晝夜溫差導致的結露和蒸發循環加劇了設備的老化和損壞。 與此同時，盡管海面溫度較陸地相對穩定，但在日照強烈的條件下，海上光伏電站仍會面臨高溫的挑戰。光伏組件在高溫環境下，其電性能會明顯下降，主要表現為輸出功率減少和效率降低。根據光伏組件的溫度系數，溫度每升高1攝氏度，光伏組件的效率就會下降0.4%至0.5%。此外，高溫還會加速光伏材料的老化，如背板材料的熱氧化降解、封裝材料的熱失效等，導致設備的使用壽命縮短。這對海上光伏電站的長期運營和經濟性提出了嚴峻考驗。 除了上述因素，海洋環境的動態特性也是光伏電站必須應對的挑戰之一。海面風浪的變化會導致光伏設備的機械結構承受額外的動態載荷，特別是在風暴和大浪天氣下，光伏板和支架需要具備足夠的強度和韌性，以抵御風浪的沖擊和擺動。此外，海水的漲潮和退潮現象會影響光伏電站的浮動系統穩定性。 于是，為了應對以上挑戰，我們在材料選擇和研發、結構設計、系統設計還有防護設計方面，都要下足功夫。在面對海洋高鹽環境的腐蝕問題時，我們需要使用一些特殊的耐腐蝕材料，并強化防腐涂層和陽極氧化材料的防護；在面對高濕環境的防水和防潮問題時，我們需要對以下幾個方面做足功課：密封、防潮和除濕。在光伏組件、電氣接線盒等關鍵部位采用高效密封材料，如硅膠密封圈、丁基膠等，防止水汽進入設備內部。特別是在電纜接頭和連接部位，必須確保完全密封，避免結露和短路。對光伏組件進行防潮包裝，采用高質量的封裝材料，如乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚偏氟乙烯（PVDF），這些材料具有優良的防潮性能，可以有效阻隔濕氣。在電氣柜和控制室內安裝除濕裝置，如加熱器或除濕機，保持內部環境干燥，防止結露現象的發生。 接著，在面對高溫環境時，我們需要結合更好的熱管理材料設計出更加高效的冷卻系統，利用風冷、水冷將熱量從設備內部傳導到外部環境，提高散熱效率。為了應對海洋動態環境的挑戰，海上光伏電站必須具備高度的機械穩定性和適應性。 以下幾個結構系統是解決這一問題的關鍵： 浮動系統，它能夠均勻分布浮力和穩定性，提高抗風浪能力。同時，浮動平臺需具備一定的柔韌性，以適應海浪的起伏。 靈活的錨定系統，如彈性錨鏈和自適應錨定技術，確保光伏電站在潮汐變化和風浪沖擊下保持穩定。錨定系統需要根據海床地質條件進行優化設計，以提供足夠的固定力。 抗風浪結構，如增加支架的剛性和采用減振裝置，確保光伏板在強風和大浪環境下依然穩固不移。 總之，挑戰是不少。光伏發電的未來發揮空間其實遠不僅僅在海面，它還在屋頂、墻面、農田牧場和沙漠，甚至在軌道上。 在農田上方架設光伏板，通過調整光伏板的高度和間距，確保農作物能夠獲得足夠的光照。同時，光伏板可以減少陽光直射，降低地表溫度和蒸發量，有助于提高農作物產量和品質。 在牧場上方設置光伏板，為牧場提供電力，同時為牲畜提供遮陽庇護。光伏板可以減少牧草蒸發，提高牧草產量，增強牧場的可持續性。 在沙漠光伏電站的建設過程中，可以結合生態修復技術，通過植被恢復和水資源管理，改善沙漠環境，防止沙漠化進一步擴大。這種模式不僅可以實現可再生能源的利用，還能促進生態保護。這些都是得到了驗證的。而天基光伏電站，這個以前只存在于科幻當中的概念，也正在照進現實。 在地球軌道上部署大型光伏陣列，利用太空中的高強度太陽輻射進行發電。由于沒有大氣層的遮擋和晝夜交替的限制，太空光伏電站可以24小時不間斷地接收太陽能，發電效率遠高于地面光伏系統。 將太空光伏電站產生的電能通過微波或激光傳輸到地面接收站，再轉換成電力供人類使用。無線能量傳輸技術的突破是實現空間光伏的關鍵，需要解決能量傳輸效率和安全性問題。而這一關鍵技術，看起來也正在得到解決。 去年6月，由加州理工學院開發的功率傳輸低軌道實驗微波陣列(MAPLE)成功演示了從太空到地球的電力無線功率傳輸。通過在地面上的接收器，研究人員得到了 MAPLE可以成功地將電力傳輸到安裝在地面的太空接收器的確認。 試驗結果顯示，該信號以預期的時間和頻率出現，由位于帕薩迪納加州理工學院校園戈登和貝蒂摩爾工程實驗室屋頂上的接收器檢測到。在接收器陣列接收到能量后，它們將其轉換為直流電，并點亮了一對LED，以展示在太空中遠距離無線能量傳輸的完整序列。MAPLE通過成功地單獨點亮每個LED并在它們之間來回切換，在太空中完成了這一測試。 所以，我們已經越來越接近可以將太陽能發電陣列發送到太空，在太空中利用太陽光進行光伏發電，再將電能轉換為微波，傳送到地球，由安裝在地球上的接收器接收到微波后，再將其轉換為電能，從而實現太空的光伏發電和電力無線傳輸——這一相當科幻的概念了。 作者：科普創作者甘戍冬 審核：中國科學院半導體研究所研究員左玉華 |
