光資源監(jiān)測技術在水利行業(yè)中的應用探討

周 容

作為一種可再生的清潔能源，光伏發(fā)電一直受到世界各國普遍關注，光伏發(fā)電技術對于緩解全球氣候變化有著重要的意義。作為傳統的可再生能源，水電的裝機量截至2018年仍遠遠超過光伏發(fā)電裝機總量。雖然水利發(fā)電比光伏發(fā)電更穩(wěn)定、技術更成熟，但光伏電站近年來在國家政策的支持下，發(fā)電技術得到很大的發(fā)展。隨著近幾年光伏行業(yè)的飛速發(fā)展，光伏已經與水電、風電形成三足鼎立的態(tài)勢，成為我國可再生能源的三大支柱之一。如何將光伏技術引入水利發(fā)電，充分利用水電站豐富的光資源，是近年光伏行業(yè)一直在探討的熱門話題。

一、光資源開發(fā)潛力

我國光資源西多東少，全年日照小時數高于2000h 的區(qū)域大部分集中在西部地區(qū)，而這些地區(qū)大部分水資源較少。水資源豐富的西南、東南地區(qū)大部分日照時數普遍較低，其中以都江堰年日照時數為全國最低，年日照小時數僅808h。而光照強度相對較好的西藏東南部地區(qū)雖然水資源豐富，但由于高原地區(qū)施工難度大和年日照時長僅有1300h，使得這一區(qū)域的光資源開發(fā)潛力大打折扣。由此可見，在水資源豐富地區(qū)單獨開發(fā)光伏電站無法取得良好的收益。如果想充分利用水電豐富地區(qū)的太陽能資源，就要考慮水光互補，充分利用水電站區(qū)域的光資源監(jiān)測技術。

二、光資源監(jiān)測技術

光資源監(jiān)測需滿足能源、水利、氣象、環(huán)保、大數據等多行業(yè)的要求，涵蓋太陽能資源評估、實時監(jiān)測、資源等級與測量、降水量監(jiān)測、地面氣象監(jiān)測、大數據運用、光伏電站建設等方面的國家標準、行業(yè)技術要求及政策10 余項，如《太陽能資源評估方法（QX/T 89-2008）》《光伏發(fā)電站太陽能資源實時監(jiān)測技術要求（GB/T 30153-2013）》《降水量監(jiān)測規(guī)范（SL 21-2015）》《地面氣象監(jiān)測規(guī)范》《國務院辦公廳關于運用大數據加強對市場主體服務和監(jiān)管的若干意見》（國辦發(fā)〔2015〕51 號）。我國光伏電站主要監(jiān)測要素見表1。

監(jiān)測站位置應選擇在太陽能資源相對較好、地形相對平緩、無重大工程地質問題的區(qū)域，其選址要求如下：

（1）由于不同光伏電站的陣列分布不同，需要在各個電站的陣列中各建設一套太陽能資源監(jiān)測站，固定站和跟蹤站均應分布在電站的主要陣列中心位置，或在陣列內平均海拔高度附近，以保證監(jiān)測數據能代表整個電站場區(qū)的輻射量。

（2）為保證系統正常穩(wěn)定的運行，固定站的運行需要依靠220V AC 的電源為蓄電池補電，因長距離敷設線纜存在壓降，因此，站點需要定位在箱變附近。敷設線纜時，盡量避免測站電源線與光纜線交叉，同時施工中應該避免線纜穿過路基，以減少對路面的影響，保證設備電源線安全可靠。

（3）太陽能輻射傳感器具體安裝位置應保證在東偏北37.5°內至西偏北37.5°內基本無遮擋或較少遮擋，原則上遮擋建筑與觀測點的水平距離應滿足大于10 倍的遮擋建筑與觀測點位的絕對高度差。

光資源監(jiān)測系統主要利用現代通信、自動控制、遙測、計算機等技術，實時采集、傳輸、接收和存儲太陽輻射及氣象信息，為光伏“領跑者”項目的光板光電轉換效率評估、光伏電站綜合效益評估和電站運行維護評價提供強有力的數據支撐，其作用和地位十分重要。

光資源監(jiān)測系統主要由太陽能資源監(jiān)測站和數據監(jiān)測平臺兩部分組成，其系統架構如圖1所示。系統工作體制采用自報式，自動采集、傳輸、存儲1min、5min、10min、60min、1d太陽能輻射與相關氣象信息。根據光資源信息采集特點，結合通訊傳輸技術發(fā)展現狀，光資源測量系統采用GPRS 通信方式，將監(jiān)測數據實時發(fā)送至數據監(jiān)測中心。

光資源監(jiān)測站的建設可以基于水電站現有水文站擴建，或在需要收集水文資料的區(qū)域新建，在收集光資源監(jiān)測所需數據同時，滿足對當地水文資料的收集，并可拓展到太陽能和水能綜合利用的大數據分析上。

三、光資源監(jiān)測技術在水利行業(yè)應用

隨著分布式光伏發(fā)電技術的發(fā)展，屋頂光伏和戶用光伏成為了近幾年光伏電站主要建設形式。2018年，分布式光伏占全國新增光伏裝機的47%，已經和集中式光伏電站裝機基本持平。“光伏+”模式已經在各行各業(yè)得到嘗試，“光伏+水利”的發(fā)展模式也將成為今后的一個主要趨勢。

表1 我國光伏電站主要監(jiān)測要素表

1.在水利水電工程中的應用

太陽能發(fā)電是一種清潔能源，可有效減少碳粉塵、二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體排放，將光伏發(fā)電技術應用于大壩工程中，使光伏電站與水利樞紐相結合，接入水電站電力系統，與水電系統并網運行，可有效節(jié)約標準煤，實現國家節(jié)能減排目標，對生態(tài)環(huán)境具有重要作用，同時對水利樞紐創(chuàng)新發(fā)展也是有益探索。

水電站的站區(qū)供電可逐步由光伏發(fā)電代替，日常的路燈照明、辦公樓用電均可由分布式光伏供應。由于輸電送出線路、升壓站等基礎設施可以利用水電站已有資源，大大節(jié)省了分布式光伏電站的建設成本。目前在兩淮流域的光伏基地建設已經初具規(guī)模，并開始逐步探索與水利的結合，實現水光互補。例如，水文氣象站作為收集流域氣象資料的來源，其建設技術和氣象數據收集手段已十分成熟。由于需要在氣候惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運行，氣象站本身要具有全天候工作的能力。根據水文氣象站設計建造的光資源監(jiān)測站于2016年大量應用于光伏領跑基地中，完全滿足了光伏場站極端天氣條件下工作的需求。

2.在農村水土保持中的應用

在農村飲水工程中引入太陽能提灌技術，實現無耗能、無人化運行，可降低90%運行成本，利用太陽能清潔能源，降低了電力、柴油等能源消耗。如采用新型太陽能專用水泵，可有效提高效能轉化。

圖1 光資源監(jiān)測系統總體結構圖

3.促進水利信息化的發(fā)展

光資源監(jiān)測技術是在流域氣象監(jiān)測站的基礎上改良而來，引入了世界最先進的太陽輻射傳感器、太陽追蹤器等設備，也整合了國內一流的測溫、測風設備。監(jiān)測站不僅做到了無人值守的自動運行，更能在停電情況下靠電池供電持續(xù)工作15d 左右。監(jiān)測站能適應-50 ℃左右的極端環(huán)境，也能在長期暴曬情況下保持正常工作。依托光資源監(jiān)測技術建設的基地信息平臺，是光伏領域“互聯網+”“大數據”等多項尖端技術首次大規(guī)模集成性應用，可極大提升水利行業(yè)信息化的發(fā)展。

四、結語

新能源發(fā)展備受社會關注和重視，光資源作為一種清潔能源，正逐漸取代傳統化石能源的地位，日益受到重視，不僅為農林牧業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境改善、荒漠治理和精準扶貧等提供了綜合性解決方案，對促進我國光伏行業(yè)的健康發(fā)展也具有重要意義。建議從國家宏觀戰(zhàn)略層面，加大對光資源技術推廣的政策扶持，在實施層面，加強新能源技術與水利行業(yè)的技術支撐，從而保證我國節(jié)能減排目標達成，提高水資源的高效利用，有效促進水利水電工程建設、農村水土保持及水利信息化的發(fā)展，獲得良好的綜合效益■