高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)布置影響因素研究

張順 丁紅 劉爽 劉一亮 趙作飛 張清華

摘要：為研究漂浮式水上光伏在高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用，保證高寒高海拔環(huán)境下光伏陣列系泊系統(tǒng)的有效性、安全性與可靠性，基于理論分析并結(jié)合實(shí)際工程，初步分析了高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)布置影響因素，并結(jié)合工程實(shí)踐結(jié)果，提出了初步解決措施。結(jié)果表明：冰層、冰脊、浮冰及冰水分離均會對高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)的布置產(chǎn)生不利影響;優(yōu)化錨繩裕量、增設(shè)彈性裝置、考慮附加質(zhì)量、加強(qiáng)水位監(jiān)測等措施可有效緩解以上因素對高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)的影響。

關(guān)鍵詞：漂浮式水上光伏; 系泊系統(tǒng); 冰脊; 高寒高海拔地區(qū)

中圖法分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.014

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0084 - 06

0 引 言

漂浮式水上光伏是指在水塘、湖泊、水庫、蓄水池、河流、海洋等水面建立漂浮式光伏電站（圖1），一般利用浮體使光伏板“漂浮”于水面上，以解決傳統(tǒng)光伏發(fā)電占地面積大的問題[1]。同時(shí)，由于水體的有效冷卻作用，在同等條件下，漂浮式水上光伏電站的發(fā)電量要高于傳統(tǒng)地面光伏電站。隨著技術(shù)逐漸趨于成熟，目前漂浮式水上光伏已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期，截至2020年8月，全球累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到2.6 GW[2]。

當(dāng)前漂浮式水上光伏電站多建設(shè)于南方地區(qū)，在氣候條件相對惡劣的北方區(qū)域，由于受氣溫低、冰凍時(shí)間長、積雪厚度大等因素影響，漂浮式水面光伏電站一直未能大規(guī)模實(shí)施，使得北方寒冷地區(qū)許多湖泊、水庫等水面資源閑置浪費(fèi)，未能有效充分地利用。據(jù)中科院2011年測算結(jié)果，東北平原與山區(qū)湖區(qū)共425個(gè)湖泊，面積合計(jì)4 699.7 km2[3];基于2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北方六區(qū)（淮河區(qū)、黃河區(qū)、西北諸河區(qū)、海河區(qū)、遼河區(qū)、松花江區(qū)）的水庫總數(shù)量為19 535座，總庫容為2 965億m3[4]。據(jù)此推算，高寒高海拔地區(qū)水庫水面潛在漂浮式水上光伏裝機(jī)容量約為200 GW。

高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏設(shè)計(jì)中必須要重點(diǎn)解決的問題是雪和冰[5-6]，其中，對系泊系統(tǒng)影響較大的要素之一是冰，主要影響為：① 厚冰會影響系泊系統(tǒng)施工過程中的系泊纜長度與余量設(shè)置，帶來一定的安全隱患;② 冰在形成過程中易形成冰脊，冰脊可能會破壞系泊纜與陣列連接處，進(jìn)而破壞系泊系統(tǒng)有效性;③ 冰在融化過程中易形成冰排，流速較大的冰排撞擊陣列會產(chǎn)生較大的沖擊力，既會造成浮體破損，又會使系泊纜承受較大的瞬時(shí)沖擊荷載，威脅陣列安全;④ 冰排與陣列結(jié)合在一起，會增大陣列的流荷載，可能超過系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)荷載值，引起系泊系統(tǒng)損壞或失效等;⑤ 水面表層結(jié)冰后，冰下水位下降，出現(xiàn)冰水分離現(xiàn)象，使得光伏陣列懸空，而化冰時(shí)由于融化不均勻，導(dǎo)致陣列部分懸空，部分落至水面，產(chǎn)生一定的彎折，破壞陣列完整性。高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏電站見圖2。

本文研究了高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)布置影響因素，旨在解決高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)易失效、穩(wěn)定性較差的問題，進(jìn)而提升高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏電站的安全性，推進(jìn)漂浮式水上光伏電站在高寒高海拔地區(qū)的發(fā)展。清潔能源的應(yīng)用，既能為附近的牧民提供經(jīng)濟(jì)、便捷的電能資源，又有助于當(dāng)?shù)氐木G色發(fā)展，推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大[7]。

1 影響因素分析

1.1 冰 層

考慮到施工的便利性，高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏通常會在結(jié)冰后進(jìn)行施工，其施工步驟可概括為：根據(jù)施工圖紙錨塊的定位，在冰面上鑿相應(yīng)的孔洞，將錨塊豎直拋入水中;在冰面設(shè)計(jì)定位區(qū)域組裝好浮體陣列，并安裝好光伏組件，再將浮體陣列與系泊系統(tǒng)連接。通過這樣的施工操作，可使陣列在春季冰融化后直接漂浮在水面上。系泊系統(tǒng)施工俯視圖、側(cè)視圖見圖3～4。

由圖3～4可以看出，錨塊拋至指定位置后，由于冰層的阻擋作用，錨繩需留出大量的余量以便能與陣列連接，這部分余量可能達(dá)到實(shí)際所需值的2倍或以上。當(dāng)冰層消失，陣列會由于錨繩余量過大，在風(fēng)浪流的作用下，產(chǎn)生較大的水平位移以及偏轉(zhuǎn)，如圖5所示。陣列發(fā)生過大的水平位移可能會導(dǎo)致陣列之間相互碰撞或陣列與岸邊碰撞，陣列發(fā)生過大的偏轉(zhuǎn)會使光伏組件偏離最佳發(fā)電傾角，影響漂浮式水上光伏電站的發(fā)電量。

1.2 冰 脊

冰脊（圖6）是冰在風(fēng)、流、浪等環(huán)境動力作用下發(fā)生破碎后由于重疊、擠壓等作用，而由大小不同、形狀各異的冰塊在冰上下表面形成的隆起部分，主要由脊帆和龍骨組成。冰脊在高寒高海拔地區(qū)出現(xiàn)的頻率較高且對陣列的影響較大。冰脊帆高主要與冰厚以及冰彎曲強(qiáng)度有關(guān)[8-9]。

入冬時(shí)，水變成冰會發(fā)生體積膨脹，消耗水域四周土壤可壓縮裕度，土壤很難被進(jìn)一步壓縮。不同位置的冰蓋溫升情況并不相同，熱脹冷縮情況也不一致，因此冰面會產(chǎn)生很多裂縫，冰蓋之間也會因此形成狹長的大裂縫，這些裂縫就是冰脊的潛在生長點(diǎn)。在溫升冰膨脹時(shí)，冰蓋之間的擠壓就會在裂縫處產(chǎn)生冰脊，以釋放應(yīng)力。由此可以發(fā)現(xiàn)，冰脊通常產(chǎn)生在冰層比較薄弱的區(qū)域，也就是冰厚交替處，但這個(gè)位置對光伏陣列來說是具有不確定性的，可能發(fā)生在陣列的任何方位，但主要可分為兩種情況：① 冰脊發(fā)生在陣列中間;② 冰脊發(fā)生在陣列邊緣。

冰脊在陣列內(nèi)部生成，會對冰脊周邊的錨繩產(chǎn)生較大的影響。如圖7所示，當(dāng)冰脊頂起陣列時(shí)，露在冰層表面的錨繩由于冰層的固定作用，無法正常釋放有效余量，導(dǎo)致錨繩與陣列之間拉力過大，可能會導(dǎo)致部分錨點(diǎn)失效，影響陣列的安全性。針對這類工況，對一組應(yīng)用于霍林河水庫漂浮式水上光伏項(xiàng)目的2×2的光伏陣列進(jìn)行建模計(jì)算，分析其受力情況。圖8為2×2的光伏陣列模型，表1為應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

由計(jì)算結(jié)果可知，冰脊在光伏陣列內(nèi)部生成，在此種輸入條件下，陣列局部應(yīng)力約為17.855 N/mm2，在進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在選型中充分考慮應(yīng)力問題。

1.3 浮 冰

厚度較大的冰層在春季融化時(shí)，會形成體積較大的浮冰[10]。浮冰對陣列的影響主要分為兩種情況。

1.3.1 浮冰撞擊

在速度較大的水流條件下，浮冰具有較大的速度，其撞擊浮體時(shí)產(chǎn)生的集中荷載較大，由于浮體材料為高密度聚乙烯，硬度相對較小，浮冰可能會對浮體造成變形、破損等不可逆轉(zhuǎn)的損傷;由于冰塊一般具有鋒利的棱角，當(dāng)冰塊足夠大的時(shí)候，將對浮體造成較大影響。在工程中應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。浮冰對浮體的撞擊力沒有相關(guān)的行業(yè)規(guī)范，可參考GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定：

[F=0.07υδAfc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：F為撞擊力，MN;υ為冰塊速度，m/s;δ為流冰厚度，m;A為冰塊面積，m2;fc為冰的抗壓強(qiáng)度，MPa。

1.3.2 冰附加力

當(dāng)大片冰塊附著在陣列上與浮體陣列形成整體時(shí)（圖9），由于整體受到水流荷載的影響以及冰撞擊和冰膨脹的影響，陣列可能會受到較大的額外水平荷載。

當(dāng)冰塊體積較大時(shí)，整體所受荷載會遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，甚至超過系泊系統(tǒng)極限荷載，從而導(dǎo)致系泊系統(tǒng)損壞或者失效的情況，給陣列帶來很大的安全隱患。

1.4 冰水分離

冰水分離是指由于在冬季結(jié)冰之后，冰層下的水不斷流向其他地方，導(dǎo)致冰下的水位不斷降低，從而導(dǎo)致冰懸空的現(xiàn)象（圖10）。

當(dāng)春季冰不斷融化時(shí)，如果此時(shí)水面離冰面較遠(yuǎn)，則可能由于融化不均勻，出現(xiàn)陣列部分區(qū)域懸空的情況，導(dǎo)致陣列中鋼支架及組件等受到損壞。因此在運(yùn)維過程中需對冰下水位進(jìn)行監(jiān)測，且當(dāng)冰結(jié)到一定厚度時(shí)，可在陣列周邊采取切割冰塊等方式，讓陣列整體始終隨著水位上下浮動，避免出現(xiàn)冰水分離過大的情形。

2 處理措施

綜合考慮以上影響因素，在設(shè)計(jì)高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)時(shí)，建議采取以下措施，防止高寒高海拔地區(qū)嚴(yán)苛環(huán)境條件對系泊系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，保證漂浮式水上光伏電站的安全運(yùn)行。

（1） 針對冰層影響，優(yōu)先選擇在結(jié)冰前進(jìn)行錨固施工，避開冰層對錨繩的阻擋;若結(jié)冰后進(jìn)行錨固施工，需考慮化冰后錨繩的實(shí)際余量，預(yù)測陣列最大位移，在做總布置時(shí)需留出此位移，防止陣列碰撞;同時(shí)，在冰快要化完前，需要通過人工運(yùn)維的方式將多余的錨繩余量收回，防止陣列出現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn)。

（2） 針對冰脊的影響，可在錨繩和陣列之間加浮球和高強(qiáng)彈性繩裝置，如圖11所示。由于浮球的作用，可保證彈性繩始終處于冰面以上，當(dāng)陣列被冰脊頂起時(shí)，可通過彈性繩自身的可伸縮特性，保護(hù)陣列及錨點(diǎn)不受損壞。同時(shí)，在相關(guān)結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合建模計(jì)算結(jié)果判斷是否滿足應(yīng)力計(jì)算要求（圖11）。

（3） 針對浮冰撞擊的影響，由于浮冰碰撞荷載中冰塊大小不可控，撞擊力也是不可控的，而浮體相對比較脆弱，因此高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏工程中，應(yīng)盡量避免將陣列布置在水流流速較大的區(qū)域，或者在陣列上游設(shè)置相關(guān)的防冰措施，避免此類情況發(fā)生。另一方面，針對冰附加力的影響，可考慮附加質(zhì)量和附加吃水面積，假設(shè)陣列整體質(zhì)量為M、陣列吃水面積為A，陣列在有附著冰后發(fā)生如下變化：

M=m1+m2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

A=A1+A2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：m1為陣列質(zhì)量;m2為附著冰的質(zhì)量;A1為陣列吃水面積;A2為附著冰的吃水面積。因此在設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合陣列的尺寸以及實(shí)際冰塊尺寸觀測結(jié)果等，在設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)應(yīng)合理充分考慮附著冰帶來的額外載荷。首先，在進(jìn)行錨點(diǎn)布置時(shí)，合理增加錨點(diǎn)數(shù)量，加大錨塊質(zhì)量，提高系泊系統(tǒng)整體系泊能力;其次在錨繩選型時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度較高、自重較輕的鋼絲繩，根據(jù)環(huán)境荷載計(jì)算結(jié)果選擇所用型號，最小破斷拉力大于錨繩設(shè)計(jì)極限應(yīng)力;在錨固支架設(shè)計(jì)上，以保護(hù)浮體耳板效果為衡量指標(biāo)，設(shè)計(jì)簡單、輕便、保護(hù)性強(qiáng)的剛支架。圖12為某項(xiàng)目應(yīng)用的鋼支架結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)合系泊系統(tǒng)系泊力分析結(jié)果，此鋼支架受力滿足項(xiàng)目受力要求，可最大程度保護(hù)光伏陣列。

（4） 針對冰水分離的問題，主要采用運(yùn)維手段進(jìn)行解決。在運(yùn)維過程中對冰下水位進(jìn)行監(jiān)測，且當(dāng)冰結(jié)到一定厚度或水位下降到一定高度時(shí)，可在陣列周圍采取破冰方式（圖13，14），使陣列作為整體進(jìn)入水中，防止由于局部冰厚過薄產(chǎn)生局部下陷而導(dǎo)致陣列支架或組件損壞的情況發(fā)生。

（5） 除上述措施外，為保證系泊系統(tǒng)的有效性，適應(yīng)高寒高海拔地區(qū)環(huán)境條件的不確定性，應(yīng)選擇相對較大的安全系數(shù)，確保陣列安全。以上技術(shù)已成功應(yīng)用于北方地區(qū)霍林河水庫漂浮式水上光伏項(xiàng)目（圖 15），且已取得較好的工程效果，為后續(xù)高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏大規(guī)模應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)，具有一定的示范效應(yīng)。

3 結(jié) 語

本文針對高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏環(huán)境復(fù)雜的難題，初步分析了冰層、冰脊及浮冰對漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)的影響因素，并提出了設(shè)計(jì)及施工過程中的解決措施，且成功應(yīng)用于北方地區(qū)霍林河水庫漂浮式水上光伏項(xiàng)目。經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)，該研究在一定程度上填補(bǔ)了高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究空白，可為后續(xù)高寒高海拔地區(qū)漂浮式水上光伏系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，具有一定的社會經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] World Bank Group，ESMAP，SERIS. Where Sun Meets Water： Floating Solar Market Report[R/OL]. [2020-10-03].https：//www.esmap.org/where_sun_meets_water_ floating_solar_market_report.

[2] 國際能源小數(shù)據(jù).“碳中和”不可缺少水上可再生能源[J]. 新能源科技，2021（9）：24-25.

[3] 馬榮華，楊桂山，段洪濤，等. 中國湖泊的數(shù)量、面積與空間分布[J]. 中國科學(xué)（地球科學(xué)），2011，41（3）：394-401.

[4] 郭曉雅，李思遠(yuǎn). 我國水庫工程分布特點(diǎn)分析[J]. 工程技術(shù)研究，2021，6（2）：252-254.

[5] 馬寧，王炳楠.積雪覆蓋對光伏陣列輻照度的影響[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊），2019，55（2）：93-96.

[6] 陳東坡. 我國漂浮式水上光伏電站的新機(jī)遇、新發(fā)展和新挑戰(zhàn)[J].電子產(chǎn)品世界， 2017， 24（5）：3-5.

[7] 樊志勇，牛海霞，董正茂， 等.光伏組件表面積雪對其發(fā)電量影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2016（11）：100-101.

[8] 季順迎，聶建新，李鋒， 等.渤海冰脊分析及其設(shè)計(jì)參數(shù)[J].中國海洋平臺，2000，15（6）：1-5.

[9] 孔飛. 漂浮式水上光伏系統(tǒng)用支架. CN204993207U [P]. 2015-09-23.

[10] 張麗敏. 冰對碼頭水工結(jié)構(gòu)作用力的物理模擬試驗(yàn)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2006.

（編輯：江 文）

Research on influence factors of mooring system layout of floating photovoltaic in high altitude and cold area

ZHANG Shun1， DING Hong2， LIU Shuang1， LIU Yiliang1 ， ZHAO Zuofei2， ZHANG Qinghua2

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design， and Research， Wuhan 430010， China; 2.Spic Nei Mongol Energy Co.，Ltd.，Hohhot 010000， China）

Abstract： In order to study the application of floating photovoltaic in high altitude and cold regions， ensure the effectiveness， safety and reliability of mooring system of floating photovoltaic，this paper analyzed influence factors of mooring system layout of floating photovoltaic in high altitude and cold area on the basis of theoretical analysis and practical engineering，and then corresponding settlement measures were put forward. The results showed that the ice layer， ice ridge and floating ice and ice-water separation would have adverse impact on the layout of water photovoltaic mooring system in high altitude and cold area. Optimizing the anchoring rope margin， adding additional elastic devices， considering added mass and strengthening water level monitoring could effectively reduce the impact of the above factors on mooring system of water photovoltaic in high altitude and cold area.

Key words： floating photovoltaic; mooring system; ice ridges; high altitude and cold regions