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(xiàng)目——中核田灣200萬千瓦灘涂光伏示范項(xiàng)目在江蘇連云港正式開工建設(shè)。項(xiàng)目全面建成后，將與中核集團(tuán)田灣核電基地相互耦合，形成總裝機(jī)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(gè)思路，咱們再把太陽能電池板朝海面上多鋪設(shè)一點(diǎn)，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(gè)項(xiàng)目只是一個(gè)“示范項(xiàng)目”，也就是說，這個(gè)目前我國最大的海上光伏電站，只是一個(gè)樣板。打樣完成，后續(xù)就是鋪開了復(fù)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(huì)遇到哪些挑戰(zhàn)？我們又該如何應(yīng)對(duì)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(gè)：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(dāng)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(dá)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(shí)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(huì)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(dǎo)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(huì)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(jì)活動(dòng)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(dú)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(duì)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(duì)光伏板性能的負(fù)面影響。高溫會(huì)降低光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率，而在海上，光伏板受海風(fēng)和水體的冷卻作用影響，溫度相對(duì)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(duì)生態(tài)環(huán)境的影響更小。它們不會(huì)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(duì)動(dòng)植物棲息地的破壞。此外，通過合理布局和科學(xué)設(shè)計(jì)，海上光伏電站可以最大限度地減少對(duì)海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響。某些設(shè)計(jì)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(shí)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?yàn)闉槿蚰茉崔D(zhuǎn)型和生態(tài)保護(hù)提供了新的解決方案。但是，這個(gè)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(fēng)中的鹽分會(huì)形成鹽霧，附著在光伏設(shè)備的表面，導(dǎo)致嚴(yán)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(shí)，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致材料強(qiáng)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(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，還會(huì)增加維護(hù)和更換成本。根據(jù)研究，鹽霧對(duì)電子元件的影響尤為顯著，可能導(dǎo)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(yùn)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(huì)導(dǎo)致電氣絕緣性能下降，增加漏電和短路的風(fēng)險(xiǎn)。此外，長期的潮濕環(huán)境還會(huì)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(dǎo)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(shí)， 盡管海面溫度較陸地相對(duì)穩(wěn)定，但在日照強(qiáng)烈的條件下，海上光伏電站仍會(huì)面臨高溫的挑戰(zhàn)。光伏組件在高溫環(huán)境下，其電性能會(huì)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(huì)下降0.4%至0.5%。此外，高溫還會(huì)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(dǎo)致設(shè)備的使用壽命縮短。這對(duì)海上光伏電站的長期運(yùn)營和經(jīng)濟(jì)性提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

除了上述因素，海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性也是光伏電站必須應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)之一。海面風(fēng)浪的變化會(huì)導(dǎo)致光伏設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)承受額外的動(dòng)態(tài)載荷，特別是在風(fēng)暴和大浪天氣下，光伏板和支架需要具備足夠的強(qiáng)度和韌性，以抵御風(fēng)浪的沖擊和擺動(dòng)。此外，海水的漲潮和退潮現(xiàn)象會(huì)影響光伏電站的浮動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

于是，為了應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，我們在材料選擇和研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有防護(hù)設(shè)計(jì)方面，都要下足功夫。在面對(duì)海洋高鹽環(huán)境的腐蝕問題時(shí)，我們需要使用一些特殊的耐腐蝕材料，并強(qiáng)化防腐涂層和陽極氧化材料的防護(hù)；在面對(duì)高濕環(huán)境的防水和防潮問題時(shí)，我們需要對(duì)以下幾個(gè)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(jìn)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(duì)光伏組件進(jìn)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(jī)，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(duì)高溫環(huán)境時(shí)，我們需要結(jié)合更好的熱管理材料設(shè)計(jì)出更加高效的冷卻系統(tǒng)，利用風(fēng)冷、水冷將熱量從設(shè)備內(nèi)部傳導(dǎo)到外部環(huán)境，提高散熱效率。為了應(yīng)對(duì)海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境的挑戰(zhàn)，海上光伏電站必須具備高度的機(jī)械穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

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

浮動(dòng)系統(tǒng)，它能夠均勻分布浮力和穩(wěn)定性，提高抗風(fēng)浪能力。同時(shí)，浮動(dòng)平臺(tái)需具備一定的柔韌性，以適應(yīng)海浪的起伏。

靈活的錨定系統(tǒng)，如彈性錨鏈和自適應(yīng)錨定技術(shù)，確保光伏電站在潮汐變化和風(fēng)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提供足夠的固定力。

抗風(fēng)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(qiáng)風(fēng)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(gè)工程師的話，估計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)是興奮到不行了吧。有挑戰(zhàn)才有機(jī)會(huì)，有機(jī)會(huì)就能創(chuàng)造未來。舞臺(tái)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(shí)還遠(yuǎn)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(shí)，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(shí)為牲畜提供遮陽庇護(hù)。光伏板可以減少牧草蒸發(fā)，提高牧草產(chǎn)量，增強(qiáng)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(fù)技術(shù)，通過植被恢復(fù)和水資源管理，改善沙漠環(huán)境，防止沙漠化進(jìn)一步擴(kuò)大。這種模式不僅可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的利用，還能促進(jìn)生態(tài)保護(hù)。這些都是一一得到了驗(yàn)證的。而天基光伏電站，這個(gè)以前只存在與科幻當(dāng)中的概念，也正在照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

在地球軌道上部署大型光伏陣列，利用太空中的高強(qiáng)度太陽輻射進(jìn)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(shí)不間斷地接收太陽能，發(fā)電效率遠(yuǎn)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?，再轉(zhuǎn)換成電力供人類使用。無線能量傳輸技術(shù)的突破是實(shí)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(xué)院開發(fā)的功率傳輸?shù)蛙壍缹?shí)驗(yàn)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?shù)桨惭b在地面的太空接收器的確認(rèn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，該信號(hào)以預(yù)期的時(shí)間和頻率出現(xiàn)，由位于帕薩迪納加州理工學(xué)院校園戈登和貝蒂摩爾工程實(shí)驗(yàn)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(diǎn)亮了一對(duì)LED，以展示在太空中遠(yuǎn)距離無線能量傳輸?shù)耐暾蛄小APLE通過成功地單獨(dú)點(diǎn)亮每個(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)太空的光伏發(fā)電和電力無線傳輸——這一相當(dāng)科幻的概念了。

當(dāng)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(shí)地，把當(dāng)下的每一步走好！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)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(xué)院半導(dǎo)體研究所 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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