漂浮式太阳能光伏系统技术进展：多维度视角下的设计优化、能效提升与环境影响研究

《Cambridge Prisms: Energy Transitions》：Technological Advancement of Floating Solar Photovoltaic Systems: Design, Efficiency, and Environmental Effects

本文针对陆地光伏系统存在的土地占用、高温效率衰减等瓶颈问题，系统综述了漂浮式太阳能光伏（FSPV）系统的技术进展。研究团队从系统设计（光伏材料、机械支撑结构、电气组件）、环境交互影响（波浪荷载、生态效应）以及多能互补（与水电、抽水蓄能、波浪能集成）等多维度展开分析，并结合全球多个案例研究，论证了FSPV在提高能源产出、降低平准化度电成本（LCOE）以及减少水库蒸发等方面的显著优势。该研究为FSPV技术的规模化、智能化部署提供了重要的理论依据和实践路径，对推动清洁能源转型与实现“双碳”目标具有重要意义。

　　

在全球能源转型与碳中和目标的双重驱动下，太阳能光伏发电作为最具潜力的清洁能源之一，正经历着从陆地到水面的空间拓展。传统陆地光伏（LBPV）系统虽技术成熟，却面临土地资源紧张、高温环境下效率衰减以及可能对农业和生态造成影响等挑战。在此背景下，漂浮式太阳能光伏（FSPV）技术应运而生，它将光伏面板安装在水体表面，不仅节约了宝贵的土地资源，还借助水体的自然冷却效应提升了发电效率，同时能有效减少水库蒸发，尤其适用于干旱半干旱地区。然而，这一新兴技术也面临着复杂的工程与环境难题：在机械结构方面，如何抵御风浪载荷，确保系统在恶劣海况下的长期稳定性？在电气系统方面，如何保证高湿、高腐蚀性环境下的安全可靠运行？在生态环境方面，大面积覆盖水体是否会对水生生态系统（如藻类生长、溶解氧含量）产生负面影响？为了系统回答这些问题，来自印度理工学院（ISM）丹巴德分校和维洛尔理工学院的Sagar Bhushan、Sweta Pallavi、Sagnik Bhattacharya、Anik Goswami*和Pradip Kumar Sadhu等研究人员在《Cambridge Prisms: Energy Transitions》上发表了题为“Technological Advancement of Floating Solar Photovoltaic Systems: Design, Efficiency, and Environmental Effects”的综述论文，对FSPV技术进行了全面而深入的梳理与展望。

为系统评估FSPV技术的综合性能，本研究采用了多维度分析方法。首先，通过广泛的文献计量学分析，对涵盖硬件设计、环境影响、混合动力系统、案例研究和经济分析等主题的百余篇研究论文进行了系统梳理（如表2所示）。其次，在系统设计方面，详细剖析了从光伏模块材料（如晶硅、薄膜、钙钛矿等）、漂浮结构（浮筒、锚固、系泊系统）到关键电气组件（汇流箱、逆变器、最大功率点跟踪MPPT）的全链条技术选型与优化策略。在环境交互分析中，综合运用计算流体动力学（CFD）、流体-结构相互作用（FSI）等数值模拟工具以及现场监测数据，评估了波浪、风力等环境应力对系统性能的影响及其对水体生态的潜在效应。此外，研究还通过案例对比和经济性计算（如平准化度电成本LCOE、投资回报率ROI），评估了FSPV与水电、抽水蓄能、波浪能等其他可再生能源集成应用的可行性与效益。

2. 设计概述与硬件配置

FSPV系统的设计是一个集机械结构、光伏材料和电气工程于一体的复杂体系。其硬件核心主要包括：

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  光伏材料：研究对比了多种光伏材料的技术特性（表3）。目前商用主流仍是单晶硅（sc-Si，效率17-22%）和多晶硅（c-Si，效率7-14%），它们户外耐久性好，能量产出高。而双面光伏组件因其能利用水面反射光，可将效率提升至22%以上，前景广阔。新兴材料如钙钛矿（效率15-31%）和纳米粒子（NP，效率可达30%）虽在实验室展现出更高效率潜力，且成本较低，但其长期稳定性和环境友好性仍需进一步验证。对于赤道等高温地区，需优先考虑耐热性好的材料，而高纬度或极地地区则可选择聚光光伏（CPV，效率39-40%）以利用汇聚的阳光。
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  机械支撑系统：漂浮结构和系泊系统的稳定性是FSPV，尤其是海上FSPV成败的关键。浮筒材料通常选用高密度聚乙烯（HDPE）或中密度聚乙烯（MDPE），它们成本低、耐紫外线老化。系泊系统则需应对波浪、潮汐引起的持续应力，自适应系泊系统（图3）通过使用配重块和浮标，能在高低潮位变化时保持系统张紧，增强稳定性。对于波浪较大的海域，还需在系统前方或周围设置防波堤以消减波能。研究表明，较小的模块尺寸会加剧俯仰运动，而首个铰链接头承受的压力最大，因此优化模块尺寸和连接方式至关重要。
  
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  电气组件：FSPV产生的直流电需经过一系列电气设备才能高效、安全地输送至电网或负载（图5）。由于电缆长期浸泡在水中，其绝缘性能至关重要，交联聚乙烯（XLPE）电缆因其在盐水条件下的高耐久性而被推荐使用。汇流箱用于汇集多个光伏组串的电流，并配备熔断器等过流保护装置。逆变器则将直流电转换为交流电，其效率和可靠性直接影响系统总产出。最大功率点跟踪（MPPT）技术能实时调整工作点，确保光伏阵列在任何日照条件下都能输出最大功率。此外，物联网（IoT）技术的监控系统可实时采集电压、温度、风速、风向等参数，实现故障的快速诊断和系统的智能运维。对于远离岸线的海上FSPV，通常将汇流后的电力通过高压电缆输送到岸上再进行逆变和并网。
  

3. 环境交互影响

FSPV系统与环境之间存在双向互动关系。

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  环境应力对FSPV的影响：波浪、风力、盐度腐蚀和生物附着（如鸟类粪便、藻类生长）是主要的环境应力。实验表明，即使振幅为6.7°的轻微俯仰运动也会导致12.7%的发电损失。海上FSPV还面临飓风、雷暴等极端天气的威胁。模拟与实测数据均表明，FSPV系统的年衰减率（约1.18%/年）略高于LBPV（约1.07%/年）。研究指出，印度尼西亚和东南亚等赤道地区海域相对平静，是部署大型海上FSPV的理想区域。
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  FSPV对环境的反馈：FSPV的积极环境影响主要体现在碳减排（图6）和减少水库蒸发。然而，其遮光效应会抑制藻类生长，降低水体溶解氧浓度（图7），从而影响水生生态系统。模拟显示，当水面覆盖率超过20%时，初级生产力会显著下降。因此，必须合理规划覆盖面积，并对水体水质（如叶绿素a浓度、温度）进行持续监测，以平衡能源产出与生态保护。
  

4. 多能互补系统集成

为提高能源供应的稳定性和土地/水域资源的综合利用效率，FSPV与其他可再生能源的集成模式展现出巨大潜力（图8，图9）。主要的集成方案包括（表4）：

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  FSPV+水电+抽水蓄能：这是最具前景的集成模式之一。利用现有水电站水库安装FSPV，可共享电网接入设施，降低初始投资。日间丰富的太阳能可用于抽水至上水库，将电能以水的势能形式储存，在夜间或用电高峰时放水发电。这种模式实现了能量的大规模储存，且全生命周期平准化度电成本（LCOE）可低至0.03-0.05美元/千瓦时。
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  FSPV+波浪能（WEG）：在海上FSPV平台集成波浪能转换装置，既能利用波浪发电，其结构本身（如防波堤）又能为FSPV系统提供保护，实现协同增效。
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  FSPV+风电：在风能资源丰富的湖泊或海域，将FSPV与风力发电机结合，可充分利用空间资源，平滑功率输出波动。
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  FSPV+制氢（Power-to-Gas）：将FSPV产生的富余电能用于电解水制取氢气，氢能可作为清洁燃料储存和运输，实现跨季节的能量存储。
  

5. 全球案例研究的经济性分析

论文通过大量全球案例（表5）深入剖析了FSPV的经济可行性。关键发现包括：

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  成本构成：初始投资（CapEx）取决于项目规模和地点，海上和大型项目因结构复杂和环境挑战而成本较高。小型系统（1 MW）CapEx约为50-80万美元，而大型项目（10 MW）可达600-700万美元。运营支出（OpEx）方面，海上系统因海洋环境维护困难而高于湖泊和池塘系统。
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  经济竞争力：FSPV的平准化度电成本（LCOE）在光照充足、土地成本高的地区具有竞争力，小型/中型系统LCOE约为0.03-0.10美元/千瓦时。双面组件的使用、水体冷却效应（可提升效率5-10%）以及与水电站的集成能显著降低LCOE。与LBPV相比，FSPV效率通常高出约2%（图12），且在干旱地区能带来显著的水资源节约效益。
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  投资回报：小型FSPV系统因初始投资较低，投资回收期较短（约5-6年），而大型或混合系统则需要更长时间（7-10年以上）。在印度尼西亚等高光照地区，投资回报率（ROI）可达15-20%。
  
  研究还通过净现值（NPV）分析（图10）和参数敏感性分析（图11）表明，直流侧损耗（DC Loss）的增加和土地成本的上升会对项目经济性产生负面影响，而FSPV因其不占用土地，在高地价地区优势明显。
  

结论与展望

本研究系统性地综述了漂浮式太阳能光伏（FSPV）技术在设计、能效、环境影响及经济性等方面的最新进展，并强调了其与多种可再生能源集成应用的巨大潜力。FSPV技术不仅能有效缓解陆地资源紧张问题，通过水体冷却提升发电效率，还能贡献于碳减排和水资源保护，是实现能源清洁转型与可持续发展的重要路径。

未来FSPV技术的发展将聚焦于以下几个关键方向：首先，在光伏材料领域，需持续研发如钙钛矿、纳米粒子等更高效率、更低成本且环境友好的新型材料，以期突破肖克利-奎伊瑟（S-Q）理论极限。其次，在结构工程方面，针对恶劣海况，亟需开发更具韧性、更能抵御风浪载荷的轻质高强复合材料（如碳纤维、玻璃钢）和智能自适应系泊与防护结构（如优化防波堤设计）。第三，在系统集成与选址上，应优先考虑靠近负荷中心、已有基础设施（如水电站、废水处理厂、石油平台）的区域进行部署，并运用优化算法综合考量辐照度、风浪条件、生态敏感度等多重因素。最后，对于像印度这样拥有漫长海岸线和众多水库的国家，在山区湖泊和水坝部署FSPV-风电-抽水蓄能混合系统，以及在沿海大城市附近建设大规模近岸FSPV电站，具有极其广阔的应用前景。

综上所述，FSPV技术的规模化、智能化发展需要政府、产业界和学术界的通力合作，共同攻克技术瓶颈，制定合理的政策与标准，并在部署过程中始终秉持生态优先的原则，确保在满足人类能源需求的同时，最大限度地减少对自然生态系统的干扰，最终实现人与自然的和谐共生。