光資源監測技術在水利行業中的應用探討

周 容

作為一種可再生的清潔能源，光伏發電一直受到世界各國普遍關注，光伏發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電裝機總量。雖然水利發電比光伏發電更穩定、技術更成熟，但光伏電站近年來在國家政策的支持下，發電技術得到很大的發展。隨著近幾年光伏行業的飛速發展，光伏已經與水電、風電形成三足鼎立的態勢，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電，充分利用水電站豐富的光資源，是近年光伏行業一直在探討的熱門話題。

一、光資源開發潛力

我國光資源西多東少，全年日照小時數高于2000h 的區域大部分集中在西部地區，而這些地區大部分水資源較少。水資源豐富的西南、東南地區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雖然水資源豐富，但由于高原地區施工難度大和年日照時長僅有1300h，使得這一區域的光資源開發潛力大打折扣。由此可見，在水資源豐富地區單獨開發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的太陽能資源，就要考慮水光互補，充分利用水電站區域的光資源監測技術。

二、光資源監測技術

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

監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，以保證監測數據能代表整個電站場區的輻射量。

（2）為保證系統正常穩定的運行，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。

光資源監測系統主要由太陽能資源監測站和數據監測平臺兩部分組成，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展現狀，光資源測量系統采用GPRS 通信方式，將監測數據實時發送至數據監測中心。

光資源監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域新建，在收集光資源監測所需數據同時，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、光資源監測技術在水利行業應用

隨著分布式光伏發電技術的發展，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?！肮夥?”模式已經在各行各業得到嘗試，“光伏+水利”的發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測要素表

1.在水利水電工程中的應用

太陽能發電是一種清潔能源，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，可有效節約標準煤，實現國家節能減排目標，對生態環境具有重要作用，同時對水利樞紐創新發展也是有益探索。

水電站的站區供電可逐步由光伏發電代替，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境下穩定運行，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 光資源監測系統總體結構圖

3.促進水利信息化的發展

光資源監測技術是在流域氣象監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工作15d 左右。監測站能適應-50 ℃左右的極端環境，也能在長期暴曬情況下保持正常工作。依托光資源監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模集成性應用，可極大提升水利行業信息化的發展。

四、結語

新能源發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，不僅為農林牧業生產、生態環境改善、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的健康發展也具有重要意義。建議從國家宏觀戰略層面，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的技術支撐，從而保證我國節能減排目標達成，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展，獲得良好的綜合效益■