浅析水上漂浮式光伏电站在工程设计中的技术难点

秦晓飞++吕康

[摘  要]随着世界各国对清洁能源的重视，光伏行业进入了高速增长期，然而随着光伏电站的建设，土地问题日益突显，因此，利用水塘、湖泊、水库等水面发展水上光伏近几年得到了发展和关注，尤其是有广阔前景的漂浮式光伏电站，本文对漂浮式光伏电站在设计过程中的技术难点进行了总结分析，给初次涉及该领域的设计人员提供帮助。

[关键词]漂浮式水上光伏;浮体;组件;逆变器;电缆

中图分类号：F426.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0018-01

随着世界各国对清洁能源的重视，光伏行业进入了高速增长期，在中国的西北部，因电能无法消纳，产生了严重的弃光现象。在华北、华中这些用电负荷中心，受土地性质的制约，不能大规模发展。而在华南和华东，土地资源更加紧张，因此产生了一批利用水塘、湖泊、水库等水域面积建设光伏电站，考虑到光伏电站的成本控制，可利用水深仅在5m范围之内，水深大于5m深的水域利用很少。在此背景下，漂浮式光伏电站近几年得到市场的广泛关注，随着日本、印度、巴西以及一些欧洲国家的大力发展，在中国近几年也建设了不少的漂浮式光伏电站。漂浮式光伏是指在水塘、湖泊、水库等水面上建立漂浮式光伏电站，以解决传统光伏发电占地面积大的问题。漂浮式光伏电站的硬件组成部分主要为光伏组件、汇流箱、逆变器、箱变、集电线路、浮体等，漂浮式光伏特点是不占用土地资源，水体对光伏组件有冷却效应，可以抑制组件表面升温，从而获得更高的发电量。此外，将太阳能电池板覆盖在水面上，还可以减少水面蒸发量，保护水资源。在工程设计中，漂浮式光伏电站不同于地面光伏电站，如何解决光伏组件的漂浮，浮体、组件、逆变器的选择和水中电缆的敷设等问题均给刚涉及该领域的设计人员带来困惑。在此背景下小编结合自身的设计经验以及对国内外漂浮电站进行研究的基础上，对设计过程中几个关键技术点进行浅析，希望对设计人员能够有所帮助。

1 浮体选择

水面光伏与地面光伏主要区别在水面浮体系统，根据目前国内外水面漂浮光伏电站建设情况，电站浮体系统主要有：HDPE浮体、浮体+钢构、浮体发电一体化三种形式。

1.1 HDPE浮体

HDPE浮体是根据光伏电站组件安装尺寸及运行通道要求，专门设计制作的，一般由支架浮体、走道浮体、连接板及垫片组成，支架浮体主要用于支撑光伏组件，走道浮体主要是通行用。目前支架浮体与走道浮体具备高度匹配性，在横向和纵向均具备结合能力;走道浮体具备用作电缆桥、检修道、连接件等通用能力。设计中尽量保证通用性，可减少配件组合数量、生产时模具使用量和节省生产周期。HDPE浮体按照设计图纸工厂内加工，运抵现场安装，具有生产速度快，安装简单，安装精度高，抗腐蚀性能好的特点，并随着材料性能提高，能够满足光伏电站25年的运行，是漂浮式光伏电站主要发展方向。

1.2 浮体+钢构

该种浮体系统主要靠浮体提供浮力，钢构支撑光伏面板、风浪荷载等结构力，所有钢构必须全部镀锌，厚度根据水质情况进行计算，防止水汽腐蚀，走道采用浮体或钢构，其他构件均采用不锈钢螺丝连接。浮体+钢构目前应用也较多，浮体和钢构均在工厂进行加工，现场安装，安装速度快，安装精度较高，钢结构镀锌层厚度和现场切割、焊接部位的镀锌质量直接影响到光伏电站的生命周期，尤其是在水面高温高湿高盐度的环境下，设计人员在设计时应该注意。

1.3 浮体发电一体化

该技术目前处于研发阶段，小编认为在不久的将来一定会有非常广阔的发展空间。

2 浮体固定

漂浮式光伏依靠浮力浮于水面上，可根据阵列区布置情况采用锚块或锚桩固定方式。离岸较近采用活动铰接装置，将浮体、连接杆和岸边串联在一起;或用缆绳锚固于岸上。水深较大时，使用打钢桩、预制桩固定、锚块沉于水底，缆绳牵引的锚固方法。在设计时一定要考虑水位落差引起的缆绳的冗余量，防止冗余量过小导致电站被沉入水中。

3 组件最佳安装倾角确定

针对不同纬度地区，组件的最佳安装倾角也不相同，漂浮式光伏电站适用于低纬度地区，尤其是赤道附近，赤道附近太阳光线全年直射，组件最佳倾角接近0度，安装前后排间距不受阴影遮挡影响，水域面积一定的情况下，比高纬度地区安装更多的容量。在高纬度地区组件安装倾角较大，要充分考虑安装角度所产生的发电量与前后排间距增大带来的浮体、电缆成本的增加对收益率的影响，实际安装倾角不一定是最佳安装倾角。国内北方冬季降雪会加大整个电站荷载，严重者导致电站沉入水面下，因此在设计组件安装倾角时要充分考虑雪的滑落和雪荷载所产生的影响。

4 光伏组件的选择

目前国内光伏组件生产厂家较多，生产的组件类型也是各不相同，不同的组件类型会针对不同特点的光伏电站，因此如何选择合适的光伏组件则尤为关键。对于漂浮式光伏电站，水面高温高湿的安装环境，要求组件具有极高的抗水雾、抗PID效应。在此情况下，小编建议选择双玻组件或具有抗PID的组件。双玻光伏组件就是指由两片玻璃和太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集到引线端所形成的光伏电池组件。玻璃的透水率几乎为零，不需要考虑水汽进入组件诱发EVA胶膜水解的问题，从而减少出现PID衰减和蜗牛纹发生的概率。双玻组件没有铝框使导致PID发生的电场无法产生，其大大降低了发生PID衰减的可能性，此外，双玻组件在后续组件储运、安装、抗踩踏、抗水面晃动方面都比常规组件电池隐裂发生几率小。

5 逆变器的选择

对于水面高温高湿环境下的光伏发电系统，应选用具有抗PID功能的逆变器，加装防PID效应逆变器装置，能够防止光伏组件产生的PID效应，该装置采用普通光伏逆变器，在其内部增加一个直流发生器，直流发生器与逆变器并联，直流发生器一端于逆变器的直流滤波器前面，一端连接于逆变器交流输出端，白天光伏组件发电时，直流发生器与逆变器处于断开状态，逆变器正常将光伏组件转换的直流电进行逆变为交流电，在夜晚光伏组件不发电时，逆变器处于断开的状态，直流发生器将市电转换为直流电输送至光伏组件，使其光伏组件加上反向电压，中和光伏组件表面上积累的电荷，消除光伏组件上的电离层，避免光伏组件的PID效益，从而提高光伏电站的发电功率，延长光伏组件的使用寿命。

6 电缆的敷设

电缆必须采用防水电缆，并且具有较高的强度，通常敷设在水底或水面。水底敷设宜敷设在河床稳定、流速較缓、岸边不易被冲刷、水底无石山、少有沉锚和拖网渔船活动水域，不宜敷设在码头、渡口、水工构筑物及疏浚挖泥区附近，水底敷设时还要充分考虑电缆重力对浮体下拉产生的影响。水面敷设通常采用浮体平台作为支撑，电缆固定在浮体上，在固定电缆部位设置由橡胶等弹性材料制成的衬垫。电缆敷设时应呈波浪状且留有伸缩节，防止水位上升或下降拉断电缆。

结语

我国具有丰富的水资源，湖泊、水库众多，发展水上漂浮式光伏电站，既能够减少对土地资源的占用，拓宽光伏发电的应用，又能够提高发电量，减少水面蒸发，保护水资源。虽然这项技术距离大面积、大规模开发还有一定的距离，但随着产业的发展、技术的进步，相信国内会越来越多的企业开始涉足漂浮式光伏发电系统的开发利用。

参考文献

[1]孙祖峰 陈佩杭.漂浮式光伏应用及技术难点简析[J].科技创新与应用，2016（12）：37-38

[2]陈剑波 于海照 姚晶珊.表面水降温太阳能光伏组件的应用特性研究[N].太阳能学报，2016-07（7）

[3]何啸 李国富 葛霞 陈善飞.漂浮式光伏发电装置在海浪影响下的光照性能[N].工程设计学报，2014-12（6）