水上漂浮式光伏電站的發(fā)展及應用前景分析

中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 ■ 吳繼亮 梁甜 糜文杰 譚爭光

0 引言

我國是一個能源消耗大國，作為發(fā)展中國家，面臨著經(jīng)濟穩(wěn)定增長和環(huán)境保護的雙重壓力。出于環(huán)?？紤]，改變現(xiàn)有能源結構、開發(fā)利用清潔的可再生能源是我國的必由之路。在此背景下，近年來，我國的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并得到了國家政策的大力支持，其中尤以風力發(fā)電和光伏發(fā)電的發(fā)展速度最為顯著。

目前，國內(nèi)光伏電站以傳統(tǒng)的地面光伏電站為主，大多建在新疆和甘肅等西北戈壁灘地區(qū)，但這些區(qū)域不是電力負荷中心，電能不能被有效利用。隨著光伏裝機容量的增大，受電網(wǎng)消納和送出等條件制約，西北地區(qū)已產(chǎn)生了嚴重的棄光或限電現(xiàn)象。但在山東、江蘇、河北和湖南等用電負荷中心，由于可用于地面光伏電站開發(fā)的土地資源有限，導致我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的后勁不足。為打破此瓶頸，建設水上漂浮式光伏電站成為新亮點。水上漂浮式光伏電站具有不占用土地資源，并可與水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游開發(fā)等產(chǎn)業(yè)相結合的優(yōu)勢，越來越受到光伏項目開發(fā)者和技術人員的青睞，是國內(nèi)外光伏電站發(fā)展的熱門方向。

本文對水上漂浮式光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)劣勢及應用前景進行了闡述與分析，并對其與水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)的結合進行了研究。

1 水上漂浮式光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀

水上漂浮式光伏電站技術在國外發(fā)展得較早，目前已有一些成功案例，比如美國、英國、日本、印度、韓國、新加坡、澳大利亞等國家均建設了水上漂浮式光伏電站，但規(guī)模均較小。此類光伏電站主要布置在面積較小的內(nèi)陸水域之上，采用“浮筒漂浮、組件以小傾角排列”的設計方案，逆變箱等配套設施布置于岸邊。由于水上漂浮式光伏電站的技術水平相對較為落后，限制了大規(guī)模水上漂浮式光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展[1]。

與國外相比，我國水上漂浮式光伏電站起步較晚，自2015年開始才有小規(guī)模示范項目在北京、安徽、山東等地開工建設，主要包括組件以最佳傾角排列和組件以小傾角排列2種方案。已建成的水上漂浮式光伏電站示范項目布置在較小的水域水面上，水深較淺，配套設施布置于岸邊，不受水體影響。目前，國內(nèi)水上漂浮式光伏電站的設計方案主要有“浮體+支架”和“一體化浮筒”2種，具體如圖1所示。

圖1 采用不同設計方案的水上漂浮式光伏電站

目前國內(nèi)外對于水上漂浮式光伏電站關鍵技術問題的分析較為欠缺，如水上漂浮系統(tǒng)的受力與耐久性分析、水下錨固系統(tǒng)的設計與分析、電站的運維方式及環(huán)境協(xié)調(diào)等。由于水上漂浮式光伏電站的設計缺乏可依據(jù)的現(xiàn)行標準和規(guī)范，導致其建設質(zhì)量和安全運行維護等問題難以保證。但水上漂浮式光伏電站具有其獨特的優(yōu)勢，其能與我國豐富的水資源環(huán)境相結合，可為新能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

2 水上漂浮式光伏電站的適用范圍及特點

2.1 水上漂浮式光伏電站的適用范圍

由于水上漂浮式光伏電站漂浮于水面，因此其會受到水域內(nèi)流速、洪峰、水位變幅及風力作用的影響。一般情況下，水上漂浮式光伏電站適用于水流速度＜2 m/s、設計高水位與設計低水位落差較小(＜10 m)、具有一定死水位(≥0.5 m)的水域。湖泊、水庫和坑塘較適合水上漂浮式光伏電站的開發(fā)；而對于水流流速較大或可能發(fā)生較大洪峰流量的河流，不適于開發(fā)此類電站。若高、低水位落差過大，將明顯增加水下錨固系統(tǒng)的成本和施工難度；而低水位水深過淺則會導致漂浮浮筒擱淺從而被破壞。

2.2 水上漂浮式光伏電站的優(yōu)劣勢

目前，我國土地資源緊缺，地面光伏電站擠占耕地、林地和草地等國土資源的問題日益顯著，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏用地難的問題勢必更加突出。在此背景下，水上漂浮式光伏電站成為近年來較為熱門的話題。該類電站是利用浮筒浮力將光伏組件置于水面之上，可節(jié)約土地資源[2]；同時，其特定的布置環(huán)境使其不同于傳統(tǒng)的地面光伏電站。下文將對水上漂浮式光伏電站的優(yōu)劣勢進行分析。

2.2.1 水上漂浮式光伏電站的優(yōu)勢

1)光伏組件置于水面之上，水體對組件有良好的冷卻效應，可降低組件表面的溫度，提高組件發(fā)電量。根據(jù)日本兵庫縣大型水上光伏電站的實驗數(shù)據(jù)結果，由于水體的冷卻效果，光伏組件的發(fā)電量增加了10%以上[3]。

2)水上漂浮式光伏電站一般建于距離村莊或城市較近的水域，對區(qū)域電力進行了有效補充，發(fā)出的電可就近消納，有效降低了并網(wǎng)困難和限制發(fā)電等不利因素的影響，提高了光伏發(fā)電利用率。

3)水上漂浮式光伏電站采用浮筒漂浮，省去了光伏支架和基礎，不需要進行基礎和電纜溝的開挖，避免了場內(nèi)道路施工，大幅減少了土石方工程量，并節(jié)約基礎和支架費用；而且該類電站主要依靠船只進行檢修和維護，有利于環(huán)境保護和水土保持。

4)水上漂浮式光伏電站較為獨立，可隔絕閑雜人員和動物等靠近光伏組件；此外，可減少空氣中灰塵對光伏組件的污染，并且取水方便，可更好地清洗光伏組件。

5)水上漂浮式光伏電站可與當?shù)芈糜蜗嘟Y合，水面上一塊塊排列整齊的光伏組件獨具現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)特色，成為當?shù)匾坏烂利惖男戮坝^，與天然景觀互為風景，給當?shù)貛硇碌慕?jīng)濟增長點。

2.2.2 水上漂浮式光伏電站的劣勢

1)與傳統(tǒng)地面電站固定支架的鋼結構相比，浮筒的耐久性問題較為突出。為保證電站正常運行25年及以上，水上漂浮式光伏電站對浮筒的耐腐蝕性能、使用壽命、抵抗風浪的能力、材料密度和承載能力等要求較高。

2)水位變幅和水流速度過大、水面結冰、極端風況和地面沉陷等會對水上漂浮式光伏電站產(chǎn)生破壞性影響。面對極端惡劣的氣象條件，水上漂浮式光伏電站比地面光伏電站更難運行和維護。

3)水上漂浮式光伏電站建成后，需要監(jiān)測其對水中植物、魚類及水體水質(zhì)的影響，如有不利影響建議單獨分析并提出處理方案。

4)水上漂浮式光伏電站受氣象條件的影響較大，施工安裝的不確定性影響因素較多；并且安裝過程需要采用大量起吊機械設備進行水上高頻率作業(yè)，工作效率較低，比地面光伏電站的建設工序繁瑣，施工難度大。

2.3 水上漂浮式光伏電站的關鍵技術問題

水上漂浮式光伏電站的運行壽命為25年，電站所用的浮筒及附屬設施的材料應滿足至少25年的正常使用壽命[4]；設計水上漂浮系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)時，應充分考慮電站建設、運維檢修的便利性和工程投資的成本。

水上漂浮式光伏電站需能夠承受風、雪、雨、冰雹、水流等各種極端惡劣天氣的長期作用；需能夠長期耐受微生物、有害化學物質(zhì)侵蝕、酸堿性水質(zhì)等各種復雜水質(zhì)環(huán)境，并與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，不析出有害化學物質(zhì)；需能夠適應循環(huán)往復的波浪及水流荷載作用，不產(chǎn)生疲勞應力破壞。

水上漂浮浮筒的浮力需能夠滿足組件及配件的自重荷載、雪荷載、水流荷載和運維檢修荷載的要求，電站施工和運行期間應避免人員及機械的撞擊，保證建設期和運行期的安全穩(wěn)定要求。

由于水上漂浮式光伏電站需要適應極端氣候、采煤沉陷區(qū)地面沉陷和水位變幅較大等惡劣情況，因此錨固技術最為關鍵，但影響其的因素較多，尚無成熟的理論計算方法和設計方案。目前常用的錨固技術有水下樁基系泊系統(tǒng)(如圖2所示)和水下錨塊錨固系泊系統(tǒng)(如圖3所示)。

圖2 水下樁基系泊系統(tǒng)

圖3 水下錨塊錨固系泊系統(tǒng)

水下樁基系泊系統(tǒng)可在岸邊或水域底部對電站進行固定，通過松弛的鋼絲繩與漂浮浮筒相連；鋼絲繩的長度需考慮水位變化和泥面高程變化，當二者發(fā)生變化時，應保證水上漂浮式光伏電站能夠隨水位的變化而浮動。水下樁基系泊系統(tǒng)是利用了預應力高強度混凝土管樁(PHC)的抗拔性，并且采用該類管樁具有水下施工工藝簡單、施工速度快、施工質(zhì)量可靠的特點。該系泊系統(tǒng)可運用于水深較深、水域面積較大的水域，運用范圍廣。

水下錨塊錨固系泊系統(tǒng)利用了預制鋼筋混凝土錨塊的抗拔性，錨塊可由工廠預制生產(chǎn)，現(xiàn)場僅需吊裝和就位。但該系泊系統(tǒng)的工序繁瑣，工期較長，準確就位困難，并且對泥面局部起伏較大和可塑及以上(液性指數(shù)≤0.75)的地質(zhì)條件的適應能力較差。

3 水上漂浮式光伏電站與水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)相結合

現(xiàn)代化“漁光一體”是指光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)融為一體，在水面上進行光伏發(fā)電，在水體中開展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的一種新方式，跨界融合，互惠互利。

常見的漁光互補型光伏電站有2種開發(fā)模式：抬高支架式漁光互補和漂浮式漁光互補，分別如圖4和圖5所示。其中，抬高支架式漁光互補型光伏電站一般適用于水深≤3 m[5]、無其他特殊地質(zhì)條件的普通水域。然而對于水深較深或采用抬高支架式方案性價比較差的區(qū)域，隨著水上漂浮式光伏電站技術條件的成熟，漂浮式漁光互補型光伏電站越來越受到技術人員的青睞。

圖4 抬高支架式漁光互補型光伏電站

圖5 漂浮式漁光互補型光伏電站

在科技快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)魚塘或水庫等水域與新能源產(chǎn)業(yè)相結合的情況越來越多，根據(jù)通威新能源有限公司的“漁光一體”池塘養(yǎng)殖效能研究成果，“漁光一體”開發(fā)模式的漁業(yè)畝產(chǎn)經(jīng)濟效益是傳統(tǒng)漁業(yè)的5～10倍。此模式在利用水域面積進行發(fā)電的同時，還能培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品，實現(xiàn)光伏發(fā)電與水產(chǎn)養(yǎng)殖共同發(fā)展的綜合效益最大化，為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶奔小康提供了一條新的道路。此外，還可利用水上漂浮式光伏電站形成的現(xiàn)代化風景，結合垂釣娛樂、旅游觀光等項目，開發(fā)旅游產(chǎn)業(yè)，打造集發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游休閑等一體化的綜合產(chǎn)業(yè)基地，為新能源行業(yè)發(fā)展提供新途徑。

4 水上漂浮式光伏電站的應用前景

目前，水上漂浮式光伏電站的技術離大規(guī)模開發(fā)建設還有一定距離，但隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、國家政策的引導及水上漂浮技術的進步，國內(nèi)會有越來越多的能源企業(yè)進軍水上漂浮式光伏電站行業(yè)，通過跨界融合，實現(xiàn)雙贏或多贏的局面。

截至2014年年底，我國擁有各種類型的水庫共9.8萬座，水庫水域面積達26萬km2；我國湖泊眾多，面積1000 m2以上的湖泊超過2700個；此外，坑塘水面總面積達4.3493萬 km2。這些數(shù)據(jù)說明，我國發(fā)展水上漂浮式光伏電站的條件充足[5]。由于考慮維護檢修通道、間隙、配電及輸電用地，1 MW地面光伏電站的占地面積約為2萬m2，因此以上湖泊、水庫及坑塘的數(shù)據(jù)表明，我國水上漂浮式光伏電站發(fā)展空間較大，前景廣闊。

5 結語

在過去幾年時間里，我國光伏電站主要以地面電站為主，但受土地資源匱乏的制約，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到瓶頸。為保證光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展水上漂浮式光伏電站成為一種新的開發(fā)模式。但目前水上漂浮式光伏電站發(fā)電技術尚缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，離大面積開發(fā)仍有大量技術工作需要突破。同時，我國蘊藏豐富的水資源，湖泊、水庫和坑塘眾多，再加上國家政策引導，發(fā)展水上漂浮式光伏電站大有可為，前景廣闊。