漂浮太阳能

**漂浮太陽能**或**漂浮光伏**是指將太陽能電池板陣列安裝在漂浮於水面的基台上。

這項技術還處在早期應用階段，但呈指數型增長態勢。從 2008 年到 2014 年，最初的 20 個漂浮光伏電站的裝機容量只有十幾個 KW，且累計裝機容量只有 10MW。到 2018 年，全球累計裝機容量已經達到 1.3GW，翻了 100 倍。韓國政府在 2019 年 7 月宣布將於 2020 下半年開始建設一個容量高達 2.1GW 的漂浮光伏項目，該項目位於新萬金海堤內，完工後的裝機容量將是目前最大漂浮光伏項目的 14 倍。

## 技術特點

### 優點

1. **增加效率**: 漂浮光伏天然擁有一個水降溫系統，保守估計可以增加 5% 的電量產出，在炎熱氣候條件下，可能達到 10%-15%。儲水庫等開放的理境保證了風速，有助於光伏板降溫。
2. **無需占用土地**: 除電櫃和電網連接外，漂浮太陽能無需占用土地，
3. **面積利用率高**: 由於不用預留地方作管理、維修時用的通道，漂浮光伏之間可以互相緊貼，相對地面光伏更緊湊。
4. **易於建設及移除**: 由於浮動在水面，沒有安裝在陸上所需的固定結構，可以一整列移動，建造和停運都工程也很簡便。
5. **易於尋得適合地點**: 大城市發展密度高，多難以找到土地適合建議太陽能發電設施，但大城市多會有例如水塘等適合佈置漂浮太陽能的儲水設施。
6. **電力傳輸距離短**: 由於水塘等儲水設施為方便供水所以不會過於遠離市區，這這類地點佈置漂浮太陽能的話，輸電距離也就不會很遠，不助降低輸電系統的成本及輸電時的電力損耗。
7. **節省水資源和改善水質**: 光伏板的遮蓋可以減少陽光及風吹導致的水份的蒸發。這個結果依賴於氣候條件和覆蓋的水面積比例。 在像澳大利亞這樣的乾旱氣候裡面，這是一個很重要的優點，因為可以減少 80% 的水蒸發，這意味著 1 萬平方米的水塘一年可減少 2 萬立方米的水分蒸發。如果該水塘用於農業灌溉，這個特點就非常有用了。
8. **環境控制**: 漂浮光伏遮蓋了陽光，從而減少藻類的繁殖，有助改善水質。

### 缺點

1. **成本較高**: 因為需要有浮力裝置，漂浮光伏的製造成本相對地面光伏成本高 20% 至 25%。
2. **減少水中含氧量**: 因為阻擋了陽光，這會減少了水中含氧量，影響魚類及其他水中生物。

## 歷史

美國、丹麥、法國、義大利和日本公民首先註冊了漂浮光伏的一些專利。

2007 年，日本在愛知縣建成了全球首都漂浮太陽能發電場。

2008 年 2 月，義大利第一個關於漂浮光伏的專利註冊。

2015 年，日本在 7 個月內建造了兩個漂浮太陽能發電場，提供達 2.9MW 電力。

2017 年，香港分別在石壁水塘和船灣淡水湖安裝了 100KW 的小型浮動光伏系統供電給水塘內部使用。

2022 年，最大的漂浮光伏發電場是位於中國德州市，發量 320MW。

下圖顯示了全球漂浮光伏的安裝增長情況，數據來自世界銀行的「Where Sun Meets Water : Floating Solar Market Report - Executive Summary (English)」。

## 水電和光伏聯合發電

水電和漂浮光伏聯合發電還處於早期階段，只在葡萄牙的一個水庫裝有一個 218kw 的小型漂浮光伏系統，但全球有一些大型的項目正在討論或計劃實施。世界上最大的水電和光伏聯合發電系統是中國青海省的龍羊峽水電站和 30 公里外的地面光伏電站，光伏裝機容量達到了 850MW。因為水力發電容易調節，水電可選擇在清晨和晚上發電，而在光伏發電量大的時候減少或停止發電，這樣所有的電力都可以被電網吸收。水光聯合發電還有一定的季節互補效應，在雨季光伏的發電量會少一些，而可供發電的水量大一些，在旱季則正好相反。根據芬蘭拉彭蘭塔理工大學的一項研究，全球水電站的水庫面積總和達到了 26.57 萬平方公里，只要利用其中 25% 的水庫面積，即可安裝 4400GW 的漂浮光伏系統，並且每年發電 6.27 萬億度電，這已經超過了水電站發出的 2.51 萬億度電。另外漂浮光伏每年還可以減少 740 億立方米的水蒸發，大概可以增加 6.3% 的水電。

## 海上漂浮光伏

儘管在海上安裝漂浮光伏會面臨更大的風和海浪的挑戰，但全球也出現了少數的案例。馬爾地夫用海上漂浮光伏為某些旅遊點供電，挪威則用來為一個大型漁場供電。一家公司宣布將在新加坡建造裝機容量為 5MW 的海上漂浮光伏。

## 潛力

據美國國家可再生能源實驗室的研究報告，僅美國 27% 的已確定適合安裝漂浮光伏的水面就可以滿足將近 10% 的美國電力需求。大型水力發電站都會造就一個大型的水庫，理論上都可以用來安裝漂浮光伏，並且只需覆蓋少量的水面就可以產生出和水電站峰值一樣的發電量。例如埃及的亞斯文大壩，水庫面積達到了 5 千平方公里，只需在 1% 的水庫表面安裝光伏，就可以產生出和亞斯文大壩一樣的電量。據世界銀行估計，全球人造水庫面積總計為 40.44 萬平方公里，利用其中的 10% 的面積安裝光伏，裝機容量可達 4044GW。而截至 2018 年底，全球累計光伏裝機容量是 502.5GW。

2023 年，一份在自然 - 永續性雜誌發表的研究報告指出，全球 114,555 水塘，若當中 30% 的面積安設漂浮太陽能，潛在發電量達每年 9,434 ± 29 TWh。而因為加設漂浮太陽能裝置而減少的飲用水蒸發足以滿足 3 億人的需要。因為水塘的地點離人口密集地區不會過遠，而且多已有現存的供電綱絡，有相當可行性，估計到 2026 年，全球浮太陽能將達 4.8GW。

## 度電成本

2018 年交付的漂浮光伏項目成本大部分處於 0.8-1.2 美金之間，依照項目的地點、水體的深度、深度的變化幅度和項目的大小，成本的變化很大。漂浮光伏的造價相對地面光伏要高出 18%，不過更大的發電量有助於降低度電成本。

## 挑戰

目前漂浮光伏還存在下面的一些挑戰。

1. 相對於陸基光伏，漂浮光伏缺乏健全的跟蹤記錄，大型的項目目前只有 4 年的歷史。
2. 目前漂浮體所用的材料一般是高密度聚乙烯，已經用於飲用水管道，不會降解或污染水源，但是這還需要進一步的驗證。
3. 如何保障電氣部分在水上的安全運行、漂浮件的錨固和系泊等。
4. 水生物污染。
5. 維護困難，一般要用船才能靠近，水下的錨固件檢視可能要用到潛水員。
6. 一般的漂浮體只有 5-10 年的質保。

## 備註

## 參考書目

* Condie, Scott A.; Webster, Ian T. The influence of wind stress, temperature, and humidity gradients on evaporation from reservoirs. Water Resources Research. 1997, **33** (12): 2813. Bibcode:1997WRR....33.2813C. doi:10.1029/97WR02405.
* Howard, E. and Schmidt, E. 2008. Evaporation control using Rio Tinto's Floating Modules on Northparks Mine, Landloch and NCEA. National Centre for Engineering in Agriculture Publication 1001858/1, USQ, Toowoomba.
* McJannet, D.L., Webster, I.T., Stenson, M. and Sherman, B., 2008. A method to estimate open water evaporation losses across the Murray Darling Basin. CSIRO Report.
* R. Cazzaniga, M. Cicu, M. Rosa-Clot, P. Rosa-Clot, G. M. Tina and C. Ventura. Floating Photovoltaic plants: performance analysis and design solutions. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017, **81**: 1730–1741.
* Sallam, Gehan A.H.; Elsayed, E.A. Estimating relations between temperature, relative humidity as independed variables and selected water quality parameters in Lake Manzala, Egypt. Ain Shams Engineering Journal. 2015. doi:10.1016/j.asej.2015.10.002.
* Taboada, M.E.; Cáceres, L.; Graber, T.A.; Galleguillos, H.R.; Cabeza, L.F.; Rojas, R. Solar water heating system and photovoltaic floating cover to reduce evaporation: Experimental results and modeling. Renewable Energy. 2017, **105**: 601. doi:10.1016/j.renene.2016.12.094.
* Chang, Yuan-Hsiou; Ku, Chen-Ruei; Yeh, Naichia. Solar powered artificial floating island for landscape ecology and water quality improvement. Ecological Engineering. 2014, **69**: 8. doi:10.1016/j.ecoleng.2014.03.015.
* R. Cazzaniga, M. Cicu, M. Rosa-Clot, P. Rosa-Clot, G. M. Tina. ‘Floating tracking cooling concentrating (FTCC) systems. 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) Austin USA. 2012.
* Ho, C.J.; Chou, Wei-Len; Lai, Chi-Ming. Thermal and electrical performances of a water-surface floating PV integrated with double water-saturated MEPCM layers. Applied Thermal Engineering. 2016, **94**: 122. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.10.097.
* Lu, Hsiao-Ling; Ku, Chen-Ruei; Chang, Yuan-Hsiou. Water quality improvement with artificial floating islands. Ecological Engineering. 2015, **74**: 371. doi:10.1016/j.ecoleng.2014.11.013.
* M. Rosa-Clot, G. M. Tina. Submerged and Floating Photovoltaic Systems Modelling, Design and Case Studies. Academic Press. 2017.
* Sahu, Alok; Yadav, Neha; Sudhakar, K. Floating photovoltaic power plant: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016, **66**: 815. doi:10.1016/j.rser.2016.08.051.
* Trapani, Kim; Millar, Dean L. Proposing offshore photovoltaic (PV) technology to the energy mix of the Maltese islands. Energy Conversion and Management. 2013, **67**: 18. doi:10.1016/j.enconman.2012.10.022.
* Siecker, J.; Kusakana, K.; Numbi, B.P. A review of solar photovoltaic systems cooling technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017, **79**: 192. doi:10.1016/j.rser.2017.05.053.