自然環境對海上光伏運維管理的影響以及應對措施

張鑫紅

摘?要：隨著國家政策的出臺，新能源行業進入高速發展的階段，海上光伏發電具有多項優勢，使其成為可持續能源的有前景選擇。但海上光伏由于其環境的特殊性，給運維工作帶來了新的挑戰。本文首先通過對光伏運維系統原理研究、然后分析海上環境因素對系統故障的影響，介紹了現有海上光伏運維系統的數據管理方法，最后，對常見的光伏運維系統的故障提出應對措施，以期為后續研究提供借鑒。

關鍵詞：海上光伏；運維管理；新能源

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.02.088

0?引言

在碳達峰，碳中和國家目標政策的支撐下，新能源迎來了高速發展的新周期，太陽能光伏作為一種新型的清潔能源得到了大力發展。

近年來，可再生能源持續高速增長，導致陸地上的利用空間變得有限并趨于飽和。過度開發會帶來土地占用、自然資源消耗和環境壓力等問題。另外，生態紅線問題也使陸地電站開發面臨不確定性。因此，許多電站開發企業開始將目光轉向海洋清潔能源，尋求新的發展機會。海上光伏發電系統因其大規模利用海洋面積、降低溫度和增加日照時間的優勢，成為可持續能源的有前景的選擇。

海上光伏利用了大片海洋面積，解決了陸地上可再生能源利用空間有限的問題。海洋面積廣闊，可以充分利用太陽能資源，實現大規模發電。其次，海洋環境相對穩定，熱量擴散效果好，能夠降低光伏組件的溫度，提高發電效率。與此同時，海水對光伏組件的冷卻效果也有利于提高發電效能。此外，海上光伏系統還能減少陸地電站所帶來的土地占用問題，有助于保護自然資源和生態環境。最后，海上光伏發電系統的建設可以促進區域經濟發展，創造就業機會，并為當地提供可靠的清潔能源供應。綜上所述，海上光伏發電具有利用空間大、效率高、環境適應性強等優勢，對實現可持續發展和低碳經濟具有重要意義。

然而，海上光伏運維系統面臨著諸多困難和挑戰，使其管理變得更加復雜和困難。首先，海上環境本身變化多端，受到海洋氣候、海浪、風暴等因素的影響，使得運維人員難以準確預測和應對突發情況。其次，由于設備的安裝和維修需要在海上進行，工作環境艱苦且風險較高，需要專業的團隊和設備來進行操作和維護。此外，海水的腐蝕作用也對設備和材料提出了更高的要求，增加了維護和更換成本。另外，海洋環境下的傳輸和通信也面臨著困難，影響了與設備的遠程監控和數據傳輸。綜合考慮，海上光伏運維管理的困難性需要綜合考慮各種因素，并采取相應的解決方案和策略。

1?海上光伏運維系統

1.1?海上光伏運維系統的基本原理和特點

海上光伏系統的組成部分主要包括光伏組件、支架、電氣設備等。

其中光伏組件是光電轉換的關鍵部件，由若干個太陽能電池板組成，通過光電效應將太陽光轉化為直流電能。支架是光伏組件的安裝支撐結構，用于將光伏組件固定在海上平臺或浮筒上。支架需要具備良好的抗風、抗浪、抗腐蝕等性能，同時還需考慮太陽光照射角度的調節以提高發電效率。電氣設備包括直流接觸器、逆變器、組串盒、電纜等，負責將光伏組件產生的直流電能轉換為交流電能，并將其輸送到電網中供電使用。為了有效管理和運營海上光伏系統，需要安裝監控系統來實時監測光伏組件的發電狀況、運行狀態和故障診斷等。

總結而言，海上光伏運維系統的工作原理是通過光伏組件的光電轉換將太陽能轉化為電能，再經過支架固定和電氣設備轉換輸送到電網中。光伏組件、支架、電氣設備及監控系統等是系統的重要組成部分。這些部件共同協作，實現海上光伏系統的運行和維護。

1.2?海上光伏運維系統與陸上光伏運維系統的區別和獨特性

海上光伏運維系統與陸上光伏運維系統在一些方面存在區別和獨特性。

首先是面臨環境方面，海上光伏系統處于海洋環境中，面臨較高的風力、海流和鹽腐蝕等環境壓力，需要選擇適應海洋環境的材料和設備，加強防護措施。例如，海洋環境中存在水質和生物的影響，海上光伏系統易受到海水中的鹽分、藻類附著等問題影響，需要加強防腐蝕措施。陸上光伏系統則通常面臨比較穩定的風力、溫度和濕度等條件，相對而言環境條件更為溫和，對材料和設備的要求相對較低。

其次是支架設計，海上光伏系統的支架需要具備更強的抗風、抗浪和抗腐蝕性能，以確保系統的穩定性和安全性。陸上光伏系統的供電站則可采用較為簡單的支架結構，不需要特別考慮風力和海流等因素的影響。

然后安全和維護方面，海上光伏系統的安全和維護更為復雜。維護人員需要具備相關的海上作業經驗和技能，有時還需要通過船只、船橋等工具進行設備維護。陸上光伏系統相對更易維護，維護人員可直接進入供電站進行檢修和維護工作。

最后數據監測，海上光伏系統的數據監測包括實時監測光伏組件的發電量、溫度、電壓等關鍵參數，以及整個系統的性能。這就需要確保數據傳輸設備能夠穩定地將數據從光伏陣列傳輸到監測站或控制中心。海上環境的復雜性可能導致數據傳輸中斷或失真，因此需要采用可靠的通信技術和設備，如高速光纖通信、抗干擾的無線通信等，以確保數據的準確傳輸和解讀。

綜上所述，海上光伏運維系統與陸上光伏運維系統在環境條件、支架設計、安全維護、水質生物影響和數據監測等方面存在明顯的區別和獨特性。海上光伏系統需要應對海洋環境的挑戰并加強防護措施，而陸上光伏系統則相對簡化了這些考慮，更易于維護和監測。

3?海上光伏運維系統的環境適應性

3.1?海上光伏運維系統的海洋環境特點

海上光伏運維系統在海洋環境中面臨著特殊挑戰，需要克服海水腐蝕、海浪、風速和鹽霧侵蝕等因素的影響。海水腐蝕是一個重要問題，海洋環境中的鹽分和腐蝕性物質會對光伏組件和支架材料造成氧化、腐蝕和結構損壞，研究人員通過開發耐腐蝕性更強的材料和表面涂層來提高系統的耐久性。

此外，海浪和高風速是海上光伏系統的常見挑戰。強大的海浪可能導致光伏組件的震動和破壞，而高風速可能造成支架結構的破壞和光伏組件的脫落。因此，研究人員需要開發抗風設計和穩固支架材料，確保系統在惡劣海洋條件下的穩定運行。

鹽霧侵蝕也是海上光伏系統面臨的挑戰之一。海洋環境中的鹽霧可以引起電連接器、電纜和玻璃面板等部件的腐蝕和損壞，影響系統的可靠性和性能。為應對這一挑戰，研究人員努力尋找具有良好耐鹽霧腐蝕性能的材料，并采取防護措施，如表面涂層和密封技術，以延長系統的使用壽命。

綜上所述，海上光伏運維系統在海洋環境中需要應對海水腐蝕、海浪、風速和鹽霧侵蝕等特殊挑戰。通過開發適應性材料、穩固設計和防護措施，研究人員致力于提高光伏系統的耐久性、穩定性和可靠性，為海上光伏能源的可持續發展提供支持。

3.2?適應海上環境的傳感器和監測設備

海上光伏運維系統中常用的傳感器和監測設備有以下幾種：

海水溫度傳感器：海水溫度傳感器用于監測海洋環境中的水溫變化，它可以幫助運維人員了解海水溫度對光伏組件性能的影響。通過實時監測海水溫度，可以及時采取措施，如冷卻系統調節，以確保光伏組件的正常運行溫度范圍內。

風速監測系統：風速監測系統通常使用風速傳感器來測量海上的風速。對于海上光伏系統，風速是一個重要的參考指標，可以幫助評估光伏組件和支架的抗風能力。通過安裝風速監測系統，可以及時掌握風速情況，以便采取相應的保護措施，減少風對系統的影響。

光照度傳感器：光照度傳感器用于測量環境中的光照強度，它可以幫助運維人員監測光伏組件的實際工作狀態和性能。通過監測光照度變化，可以及時發現可能的問題，如遮擋或污染，以保證光伏組件的正常發電效率。

傾角傳感器：傾角傳感器用于測量光伏組件和支架的傾斜角度。它可以幫助運維人員實時監測光伏組件的傾斜情況，及時發現和調整偏離正常角度的情況，確保光伏組件能夠充分接收太陽輻射，提高發電效率。

水位傳感器：水位傳感器用于監測海洋水位的變化。對于位于海面上的光伏系統來說，水位的升降可能會對系統的穩定性和安全性產生影響。通過安裝水位傳感器，可以及時了解水位的變化情況，以便采取相應的措施。

這些傳感器和監測設備的使用，可以幫助運維人員實時了解光伏系統的工作狀態和環境條件，及時發現問題并采取適當的措施，以確保海上光伏運維系統的穩定運行和高效發電。

4?海上光伏運維系統的數據管理與分析

海上數據存儲和處理的策略和技術涉及到云平臺和大數據分析等方面。首先，海上光伏運維系統生成的大量數據可以存儲在云平臺上，通過將數據存儲在云平臺上，可以實現數據的集中管理和存檔，并提供快速、可擴展和安全的存儲服務。

其次，通過運用大數據分析技術，可以發現數據中的模式、趨勢和關聯性，從而提供更深層次的運維洞察和決策支持。大數據分析技術包括機器學習、數據挖掘和人工智能等，可以處理復雜的海上光伏數據，發現潛在問題并優化系統運行。

除此以外，海上光伏系統中的數據可以通過邊緣計算進行實時處理和分析，減少對云平臺的依賴和延遲。邊緣計算將計算和分析功能移到接近數據源的邊緣設備上，可以在離線或有限網絡連接的情況下進行數據處理。這可以提高數據的實時性和靈活性，適用于需要較低延遲和高性能計算的場景。

最后，海上光伏系統的運維人員可以使用實時監控和反饋機制，通過即時的數據存儲和處理，獲取系統的實時狀態和異常信息，并及時采取相應的措施。這可以通過實時儀表盤、報警系統和運維指揮中心等方式實現，以確保系統性能和運行的最佳狀態。

通過使用云平臺、大數據分析等策略和技術，海上光伏系統可以有效地存儲和處理海上數據。這樣的數據存儲和處理能力使得運維人員能夠獲得全面的數據洞察，并借助分析結果優化光伏系統的運行和維護，提高能源利用效率和系統可靠性。

5?海上光伏運維系統的故障診斷與預防

5.1?適應常見的故障類型

海上光伏運維系統中常見的故障類型包括逆變器故障和連接器松動等。

（1）逆變器故障：逆變器是光伏系統中的核心設備，將光伏組件所產生的直流電轉換成交流電。由于長期運行或環境因素，逆變器可能會出現故障，如電路短路、電子元件損壞、過熱等。這些故障可能導致光伏系統無法正常運行或發電效率下降。

（2）連接器松動：連接器是將光伏組件與電纜連接的關鍵組件。在海上環境中，風浪、風沙等因素可能導致連接器松動，從而降低電流傳輸效率甚至引起短路。松動的連接器可能會損壞電纜絕緣，增加線路阻抗，進而影響光伏系統的發電性能和安全性。

5.2?應對措施

這些故障在海上光伏運維系統中發生的原因和發生機制，特別考慮了海上環境因素的影響。

5.2.1?逆變器故障

原因：逆變器長期運行可能導致過載、零部件老化和損壞等。海上環境中的鹽霧和濕度可能導致電子元件的腐蝕和短路。海上光伏逆變器需要提高防護等級，以保護其免受海水、濕度和鹽霧等環境侵蝕的影響。逆變器應采用防水、防塵和耐腐蝕的設計，以減少電子元件的腐蝕和短路風險。另外，逆變器的內部電路和布局也應合理設計，以確保合適的散熱和溫度控制，降低元件老化的可能性。

5.2.2?連接器松動

原因：在海上環境中，風浪、風沙和震動等因素會給連接器帶來一定的挑戰。這些因素可能導致連接器松動、電纜插頭斷裂或連接件腐蝕，從而降低連接器的可靠性。

為了應對這些挑戰，連接器的設計和制造質量至關重要。連接器應采用高質量的材料和結構設計，以提供優異的防塵、防水和抗震能力。合適的連接器封裝和防護設計可以有效地防止風沙、水汽和鹽霧的侵入，延長連接器的使用壽命和穩定性。

除此以外，海上環境因素對光伏運維系統的故障潛在影響：

鹽霧和濕度：海上環境中的鹽霧和濕度確實對電子設備和連接器等部件構成了腐蝕和電路短路的潛在風險。海洋中的鹽顆粒會隨著風吹到設備上，當潮濕的空氣中的水蒸氣與鹽顆粒結合時，會形成腐蝕性的鹽酸，對金屬表面產生腐蝕作用。這種腐蝕不僅可能損壞設備的外觀，還可能影響電子元件的性能和壽命。

風浪和風沙：海上風浪和風沙可能對光伏組件、逆變器和支架結構等設備產生物理沖擊和振動，導致設備松動、破損和斷裂。在設計和制造光伏系統時，應考慮到這些環境因素，確保設備的強度和穩固性。

高溫和溫度變化：海上環境中的高溫和大范圍的溫度變化可能會導致光伏組件的溫度應力，損害其可靠性和功率輸出。在選擇和安裝光伏組件時，應注意選擇適應海上高溫環境的材料和設計。

監測和維護困難：由于海上光伏運維系統位于海上，維修和維護可能具有一定的困難性。必須采用遠程監控技術，實時監測設備狀態，以及定期巡檢和維護，及時發現和處理潛在的故障。

綜上所述，海上環境因素對光伏運維系統的故障有一定的影響。為了應對這些影響，必須在設備選擇、制造和安裝中充分考慮海上環境因素，并采取相應的預防措施、定期巡檢和維護，以保證光伏系統的可靠性和穩定性。

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