光伏電站漂上海洋，未來我們靠海吃飯？

太陽能電池板只能鋪設(shè)在陸地上嗎？不！它們還可以鋪設(shè)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(shè)。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(shè)一點，能源的問題是不是就能得到極大的緩解了呢。所以你看，上面我提到的，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(xù)就是鋪開了復制，海上光伏的想象空間還很大。

那好，在海上鋪設(shè)光伏電站，有哪些具體的優(yōu)勢？會遇到哪些挑戰(zhàn)？我們又該如何應對呢。下面我們就來簡單討論一下。

先來說海上光伏的優(yōu)勢，總結(jié)起來大體有以下4個：第一， 海上光伏電站能夠大大節(jié)省陸地上的土地資源，這是其最顯著的優(yōu)勢之一。當前，許多國家和地區(qū)的土地資源緊張，特別是在城市和工業(yè)發(fā)達地區(qū)，建設(shè)大型光伏電站往往面臨土地稀缺的問題。將光伏電站轉(zhuǎn)移到海上，不僅能夠避免與農(nóng)業(yè)、城市建設(shè)等領(lǐng)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(nóng)業(yè)用地可以繼續(xù)用于糧食生產(chǎn)，城市用地可以發(fā)展住宅和商業(yè)設(shè)施，從而實現(xiàn)土地資源的最優(yōu)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(shè)，常常需要在大片土地上安裝光伏板，這可能會引發(fā)與農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)的矛盾，甚至可能導致生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)有生態(tài)和經(jīng)濟活動的前提下，提供大量清潔能源，真正做到綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

第三， 海上光伏電站的獨特環(huán)境條件，有助于提高光伏板的發(fā)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(fā)電效率。其次，海洋環(huán)境溫度相對穩(wěn)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(zhuǎn)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(fā)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(huán)境友好性。與陸地光伏電站相比，海上光伏電站對生態(tài)環(huán)境的影響更小。它們不會占用陸地生態(tài)敏感區(qū)，如森林、濕地和草原等重要生態(tài)系統(tǒng)，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(shè)計，海上光伏電站可以最大限度地減少對海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響。某些設(shè)計甚至考慮到海洋生物的生存環(huán)境，采用環(huán)保材料和結(jié)構(gòu)，使光伏電站與周圍生態(tài)環(huán)境和諧共存，真正實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

從以上優(yōu)勢我們就能看出，海上光伏電站真的是未來清潔能源發(fā)展的重要方向之一，因為為全球能源轉(zhuǎn)型和生態(tài)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(zhàn)。海上的好處自然有很多，但是海上的壞處也并不少。它們是—— 海洋環(huán)境中，鹽分的高濃度是光伏電站面臨的首要挑戰(zhàn)之一。

海水和海風中的鹽分會形成鹽霧，附著在光伏設(shè)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(fā)生氧化反應，導致材料強度下降、結(jié)構(gòu)損壞，甚至引發(fā)電氣短路。這種腐蝕不僅會縮短設(shè)備的使用壽命，還會增加維護和更換成本。根據(jù)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電性能下降。

其次， 海上環(huán)境的高濕度也給光伏電站的運行帶來了不小的挑戰(zhàn)。高濕度使得空氣中的水汽容易在設(shè)備內(nèi)部和電氣連接部位凝結(jié)成水滴，形成結(jié)露現(xiàn)象。這種結(jié)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(huán)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(zhuǎn)換效率和整體可靠性。特別是在溫差較大的環(huán)境中，晝夜溫差導致的結(jié)露和蒸發(fā)循環(huán)加劇了設(shè)備的老化和損壞。

與此同時， 盡管海面溫度較陸地相對穩(wěn)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(zhàn)。光伏組件在高溫環(huán)境下，其電性能會明顯下降，主要表現(xiàn)為輸出功率減少和效率降低。根據(jù)光伏組件的溫度系數(shù)，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(shè)備的使用壽命縮短。這對海上光伏電站的長期運營和經(jīng)濟性提出了嚴峻考驗。

除了上述因素，海洋環(huán)境的動態(tài)特性也是光伏電站必須應對的挑戰(zhàn)之一。海面風浪的變化會導致光伏設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)承受額外的動態(tài)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(xiàn)象會影響光伏電站的浮動系統(tǒng)穩(wěn)定性。

于是，為了應對以上挑戰(zhàn)，我們在材料選擇和研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計還有防護設(shè)計方面，都要下足功夫。在面對海洋高鹽環(huán)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(huán)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(guān)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(shè)備內(nèi)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(jié)露和短路。

對光伏組件進行防潮包裝，采用高質(zhì)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(yōu)良的防潮性能，可以有效阻隔濕氣。在電氣柜和控制室內(nèi)安裝除濕裝置，如加熱器或除濕機，保持內(nèi)部環(huán)境干燥，防止結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生。

接著，在面對高溫環(huán)境時，我們需要結(jié)合更好的熱管理材料設(shè)計出更加高效的冷卻系統(tǒng)，利用風冷、水冷將熱量從設(shè)備內(nèi)部傳導到外部環(huán)境，提高散熱效率。為了應對海洋動態(tài)環(huán)境的挑戰(zhàn)，海上光伏電站必須具備高度的機械穩(wěn)定性和適應性。

以下幾個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是解決這一問題的關(guān)鍵：

浮動系統(tǒng)，它能夠均勻分布浮力和穩(wěn)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(tǒng)，如彈性錨鏈和自適應錨定技術(shù)，確保光伏電站在潮汐變化和風浪沖擊下保持穩(wěn)定。錨定系統(tǒng)需要根據(jù)海床地質(zhì)條件進行優(yōu)化設(shè)計，以提供足夠的固定力。

抗風浪結(jié)構(gòu)，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(huán)境下依然穩(wěn)固不移。

總之，挑戰(zhàn)是不少。但如果你是一個工程師的話，估計現(xiàn)在已經(jīng)是興奮到不行了吧。有挑戰(zhàn)才有機會，有機會就能創(chuàng)造未來。舞臺越大，咱們能發(fā)揮的空間也就越大！說到發(fā)揮空間，光伏發(fā)電的未來發(fā)揮空間其實還遠不僅僅在海面，它還在屋頂、墻面、農(nóng)田牧場和沙漠，甚至，軌道！

在農(nóng)田上方架設(shè)光伏板，通過調(diào)整光伏板的高度和間距，確保農(nóng)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(fā)量，有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

在牧場上方設(shè)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(fā)，提高牧草產(chǎn)量，增強牧場的可持續(xù)性。 在沙漠光伏電站的建設(shè)過程中，可以結(jié)合生態(tài)修復技術(shù)，通過植被恢復和水資源管理，改善沙漠環(huán)境，防止沙漠化進一步擴大。這種模式不僅可以實現(xiàn)可再生能源的利用，還能促進生態(tài)保護。這些都是一一得到了驗證的。而天基光伏電站，這個以前只存在與科幻當中的概念，也正在照進現(xiàn)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(fā)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(fā)電效率遠高于地面光伏系統(tǒng)。

將太空光伏電站產(chǎn)生的電能通過微波或激光傳輸?shù)降孛娼邮照荆俎D(zhuǎn)換成電力供人類使用。無線能量傳輸技術(shù)的突破是實現(xiàn)空間光伏的關(guān)鍵，需要解決能量傳輸效率和安全性問題。而這一關(guān)鍵技術(shù)，看起來也正在得到解決。

去年6月，由加州理工學院開發(fā)的功率傳輸?shù)蛙壍缹嶒炍⒉嚵?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?shù)桨惭b在地面的太空接收器的確認。

試驗結(jié)果顯示，該信號以預期的時間和頻率出現(xiàn)，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(zhuǎn)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?shù)耐暾蛄?。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(jīng)越來越接近可以將太陽能發(fā)電陣列發(fā)送到太空，在太空中利用太陽光進行光伏發(fā)電，再將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電能，從而實現(xiàn)太空的光伏發(fā)電和電力無線傳輸——這一相當科幻的概念了。

當然，積跬步以至千里，光伏發(fā)電的未來擁有無窮的想象力，我們依然需要腳踏實地，把當下的每一步走好！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：甘戍冬 科普創(chuàng)作者

審核：左玉華 中國科學院半導體研究所 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司