自然环境对海上光伏运维管理的影响以及应对措施

张鑫红

摘 要：随着国家政策的出台，新能源行业进入高速发展的阶段，海上光伏发电具有多项优势，使其成为可持续能源的有前景选择。但海上光伏由于其环境的特殊性，给运维工作带来了新的挑战。本文首先通过对光伏运维系统原理研究、然后分析海上环境因素对系统故障的影响，介绍了现有海上光伏运维系统的数据管理方法，最后，对常见的光伏运维系统的故障提出应对措施，以期为后续研究提供借鉴。

关键词：海上光伏；运维管理；新能源

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.02.088

0 引言

在碳达峰，碳中和国家目标政策的支撑下，新能源迎来了高速发展的新周期，太阳能光伏作为一种新型的清洁能源得到了大力发展。

近年来，可再生能源持续高速增长，导致陆地上的利用空间变得有限并趋于饱和。过度开发会带来土地占用、自然资源消耗和环境压力等问题。另外，生态红线问题也使陆地电站开发面临不确定性。因此，许多电站开发企业开始将目光转向海洋清洁能源，寻求新的发展机会。海上光伏发电系统因其大规模利用海洋面积、降低温度和增加日照时间的优势，成为可持续能源的有前景的选择。

海上光伏利用了大片海洋面积，解决了陆地上可再生能源利用空间有限的问题。海洋面积广阔，可以充分利用太阳能资源，实现大规模发电。其次，海洋环境相对稳定，热量扩散效果好，能够降低光伏组件的温度，提高发电效率。与此同时，海水对光伏组件的冷却效果也有利于提高发电效能。此外，海上光伏系统还能减少陆地电站所带来的土地占用问题，有助于保护自然资源和生态环境。最后，海上光伏发电系统的建设可以促进区域经济发展，创造就业机会，并为当地提供可靠的清洁能源供应。综上所述，海上光伏发电具有利用空间大、效率高、环境适应性强等优势，对实现可持续发展和低碳经济具有重要意义。

然而，海上光伏运维系统面临着诸多困难和挑战，使其管理变得更加复杂和困难。首先，海上环境本身变化多端，受到海洋气候、海浪、风暴等因素的影响，使得运维人员难以准确预测和应对突发情况。其次，由于设备的安装和维修需要在海上进行，工作环境艰苦且风险较高，需要专业的团队和设备来进行操作和维护。此外，海水的腐蚀作用也对设备和材料提出了更高的要求，增加了维护和更换成本。另外，海洋环境下的传输和通信也面临着困难，影响了与设备的远程监控和数据传输。综合考虑，海上光伏运维管理的困难性需要综合考虑各种因素，并采取相应的解决方案和策略。

1 海上光伏运维系统

1.1 海上光伏运维系统的基本原理和特点

海上光伏系统的组成部分主要包括光伏组件、支架、电气设备等。

其中光伏组件是光电转换的关键部件，由若干个太阳能电池板组成，通过光电效应将太阳光转化为直流电能。支架是光伏组件的安装支撑结构，用于将光伏组件固定在海上平台或浮筒上。支架需要具备良好的抗风、抗浪、抗腐蚀等性能，同时还需考虑太阳光照射角度的调节以提高发电效率。电气设备包括直流接触器、逆变器、组串盒、电缆等，负责将光伏组件产生的直流电能转换为交流电能，并将其输送到电网中供电使用。为了有效管理和运营海上光伏系统，需要安装监控系统来实时监测光伏组件的发电状况、运行状态和故障诊断等。

总结而言，海上光伏运维系统的工作原理是通过光伏组件的光电转换将太阳能转化为电能，再经过支架固定和电气设备转换输送到电网中。光伏组件、支架、电气设备及监控系统等是系统的重要组成部分。这些部件共同协作，实现海上光伏系统的运行和维护。

1.2 海上光伏运维系统与陆上光伏运维系统的区别和独特性

海上光伏运维系统与陆上光伏运维系统在一些方面存在区别和独特性。

首先是面临环境方面，海上光伏系统处于海洋环境中，面临较高的风力、海流和盐腐蚀等环境压力，需要选择适应海洋环境的材料和设备，加强防护措施。例如，海洋环境中存在水质和生物的影响，海上光伏系统易受到海水中的盐分、藻类附着等问题影响，需要加强防腐蚀措施。陆上光伏系统则通常面临比较稳定的风力、温度和湿度等条件，相对而言环境条件更为温和，对材料和设备的要求相对较低。

其次是支架设计，海上光伏系统的支架需要具备更强的抗风、抗浪和抗腐蚀性能，以确保系统的稳定性和安全性。陆上光伏系统的供电站则可采用较为简单的支架结构，不需要特别考虑风力和海流等因素的影响。

然后安全和维护方面，海上光伏系统的安全和维护更为复杂。维护人员需要具备相关的海上作业经验和技能，有时还需要通过船只、船桥等工具进行设备维护。陆上光伏系统相对更易维护，维护人员可直接进入供电站进行检修和维护工作。

最后数据监测，海上光伏系统的数据监测包括实时监测光伏组件的发电量、温度、电压等关键参数，以及整个系统的性能。这就需要确保数据传输设备能够稳定地将数据从光伏阵列传输到监测站或控制中心。海上环境的复杂性可能导致数据传输中断或失真，因此需要采用可靠的通信技术和设备，如高速光纤通信、抗干扰的无线通信等，以确保数据的准确传输和解读。

综上所述，海上光伏运维系统与陆上光伏运维系统在环境条件、支架设计、安全维护、水质生物影响和数据监测等方面存在明显的区别和独特性。海上光伏系统需要应对海洋环境的挑战并加强防护措施，而陆上光伏系统则相对简化了这些考虑，更易于维护和监测。

3 海上光伏运维系统的环境适应性

3.1 海上光伏运维系统的海洋环境特点

海上光伏运维系统在海洋环境中面临着特殊挑战，需要克服海水腐蚀、海浪、风速和盐雾侵蚀等因素的影响。海水腐蚀是一个重要问题，海洋环境中的盐分和腐蚀性物质会對光伏组件和支架材料造成氧化、腐蚀和结构损坏，研究人员通过开发耐腐蚀性更强的材料和表面涂层来提高系统的耐久性。

此外，海浪和高风速是海上光伏系统的常见挑战。强大的海浪可能导致光伏组件的震动和破坏，而高风速可能造成支架结构的破坏和光伏组件的脱落。因此，研究人员需要开发抗风设计和稳固支架材料，确保系统在恶劣海洋条件下的稳定运行。

盐雾侵蚀也是海上光伏系统面临的挑战之一。海洋环境中的盐雾可以引起电连接器、电缆和玻璃面板等部件的腐蚀和损坏，影响系统的可靠性和性能。为应对这一挑战，研究人员努力寻找具有良好耐盐雾腐蚀性能的材料，并采取防护措施，如表面涂层和密封技术，以延长系统的使用寿命。

综上所述，海上光伏运维系统在海洋环境中需要应对海水腐蚀、海浪、风速和盐雾侵蚀等特殊挑战。通过开发适应性材料、稳固设计和防护措施，研究人员致力于提高光伏系统的耐久性、稳定性和可靠性，为海上光伏能源的可持续发展提供支持。

3.2 适应海上环境的传感器和监测设备

海上光伏运维系统中常用的传感器和监测设备有以下几种：

海水温度传感器：海水温度传感器用于监测海洋环境中的水温变化，它可以帮助运维人员了解海水温度对光伏组件性能的影响。通过实时监测海水温度，可以及时采取措施，如冷却系统调节，以确保光伏组件的正常运行温度范围内。

风速监测系统：风速监测系统通常使用风速传感器来测量海上的风速。对于海上光伏系统，风速是一个重要的参考指标，可以帮助评估光伏组件和支架的抗风能力。通过安装风速监测系统，可以及时掌握风速情况，以便采取相应的保护措施，减少风对系统的影响。

光照度传感器：光照度传感器用于测量环境中的光照强度，它可以帮助运维人员监测光伏组件的实际工作状态和性能。通过监测光照度变化，可以及时发现可能的问题，如遮挡或污染，以保证光伏组件的正常发电效率。

倾角传感器：倾角传感器用于测量光伏组件和支架的倾斜角度。它可以帮助运维人员实时监测光伏组件的倾斜情况，及时发现和调整偏离正常角度的情况，确保光伏组件能夠充分接收太阳辐射，提高发电效率。

水位传感器：水位传感器用于监测海洋水位的变化。对于位于海面上的光伏系统来说，水位的升降可能会对系统的稳定性和安全性产生影响。通过安装水位传感器，可以及时了解水位的变化情况，以便采取相应的措施。

这些传感器和监测设备的使用，可以帮助运维人员实时了解光伏系统的工作状态和环境条件，及时发现问题并采取适当的措施，以确保海上光伏运维系统的稳定运行和高效发电。

4 海上光伏运维系统的数据管理与分析

海上数据存储和处理的策略和技术涉及到云平台和大数据分析等方面。首先，海上光伏运维系统生成的大量数据可以存储在云平台上，通过将数据存储在云平台上，可以实现数据的集中管理和存档，并提供快速、可扩展和安全的存储服务。

其次，通过运用大数据分析技术，可以发现数据中的模式、趋势和关联性，从而提供更深层次的运维洞察和决策支持。大数据分析技术包括机器学习、数据挖掘和人工智能等，可以处理复杂的海上光伏数据，发现潜在问题并优化系统运行。

除此以外，海上光伏系统中的数据可以通过边缘计算进行实时处理和分析，减少对云平台的依赖和延迟。边缘计算将计算和分析功能移到接近数据源的边缘设备上，可以在离线或有限网络连接的情况下进行数据处理。这可以提高数据的实时性和灵活性，适用于需要较低延迟和高性能计算的场景。

最后，海上光伏系统的运维人员可以使用实时监控和反馈机制，通过即时的数据存储和处理，获取系统的实时状态和异常信息，并及时采取相应的措施。这可以通过实时仪表盘、报警系统和运维指挥中心等方式实现，以确保系统性能和运行的最佳状态。

通过使用云平台、大数据分析等策略和技术，海上光伏系统可以有效地存储和处理海上数据。这样的数据存储和处理能力使得运维人员能够获得全面的数据洞察，并借助分析结果优化光伏系统的运行和维护，提高能源利用效率和系统可靠性。

5 海上光伏运维系统的故障诊断与预防

5.1 适应常见的故障类型

海上光伏运维系统中常见的故障类型包括逆变器故障和连接器松动等。

（1）逆变器故障：逆变器是光伏系统中的核心设备，将光伏组件所产生的直流电转换成交流电。由于长期运行或环境因素，逆变器可能会出现故障，如电路短路、电子元件损坏、过热等。这些故障可能导致光伏系统无法正常运行或发电效率下降。

（2）连接器松动：连接器是将光伏组件与电缆连接的关键组件。在海上环境中，风浪、风沙等因素可能导致连接器松动，从而降低电流传输效率甚至引起短路。松动的连接器可能会损坏电缆绝缘，增加线路阻抗，进而影响光伏系统的发电性能和安全性。

5.2 应对措施

这些故障在海上光伏运维系统中发生的原因和发生机制，特别考虑了海上环境因素的影响。

5.2.1 逆变器故障

原因：逆变器长期运行可能导致过载、零部件老化和损坏等。海上环境中的盐雾和湿度可能导致电子元件的腐蚀和短路。海上光伏逆变器需要提高防护等级，以保护其免受海水、湿度和盐雾等环境侵蚀的影响。逆变器应采用防水、防尘和耐腐蚀的设计，以减少电子元件的腐蚀和短路风险。另外，逆变器的内部电路和布局也应合理设计，以确保合适的散热和温度控制，降低元件老化的可能性。

5.2.2 连接器松动

原因：在海上环境中，风浪、风沙和震动等因素会给连接器带来一定的挑战。这些因素可能导致连接器松动、电缆插头断裂或连接件腐蚀，从而降低连接器的可靠性。

为了应对这些挑战，连接器的设计和制造质量至关重要。连接器应采用高质量的材料和结构设计，以提供优异的防尘、防水和抗震能力。合适的连接器封装和防护设计可以有效地防止风沙、水汽和盐雾的侵入，延长连接器的使用寿命和稳定性。

除此以外，海上环境因素对光伏运维系统的故障潜在影响：

盐雾和湿度：海上环境中的盐雾和湿度确实对电子设备和连接器等部件构成了腐蚀和电路短路的潜在风险。海洋中的盐颗粒会随着风吹到设备上，当潮湿的空气中的水蒸气与盐颗粒结合时，会形成腐蚀性的盐酸，对金属表面产生腐蚀作用。这种腐蚀不仅可能损坏设备的外观，还可能影响电子元件的性能和寿命。

风浪和风沙：海上风浪和风沙可能对光伏组件、逆变器和支架结构等设备产生物理冲击和振动，导致设备松动、破损和断裂。在设计和制造光伏系统时，应考虑到这些环境因素，确保设备的强度和稳固性。

高温和温度变化：海上环境中的高温和大范围的温度变化可能会导致光伏组件的温度应力，损害其可靠性和功率输出。在选择和安装光伏组件时，应注意选择适应海上高温环境的材料和设计。

监测和维护困难：由于海上光伏运维系统位于海上，维修和维护可能具有一定的困难性。必须采用远程监控技术，实时监测设备状态，以及定期巡检和维护，及时发现和处理潜在的故障。

综上所述，海上环境因素对光伏运维系统的故障有一定的影响。为了应对这些影响，必须在设备选择、制造和安装中充分考虑海上环境因素，并采取相应的预防措施、定期巡检和维护，以保证光伏系统的可靠性和稳定性。

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