水上漂浮式光伏电站的发展及应用前景分析

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 ■ 吴继亮 梁甜 糜文杰 谭争光

0 引言

我国是一个能源消耗大国，作为发展中国家，面临着经济稳定增长和环境保护的双重压力。出于环保考虑，改变现有能源结构、开发利用清洁的可再生能源是我国的必由之路。在此背景下，近年来，我国的新能源产业发展迅速，并得到了国家政策的大力支持，其中尤以风力发电和光伏发电的发展速度最为显著。

目前，国内光伏电站以传统的地面光伏电站为主，大多建在新疆和甘肃等西北戈壁滩地区，但这些区域不是电力负荷中心，电能不能被有效利用。随着光伏装机容量的增大，受电网消纳和送出等条件制约，西北地区已产生了严重的弃光或限电现象。但在山东、江苏、河北和湖南等用电负荷中心，由于可用于地面光伏电站开发的土地资源有限，导致我国光伏产业发展的后劲不足。为打破此瓶颈，建设水上漂浮式光伏电站成为新亮点。水上漂浮式光伏电站具有不占用土地资源，并可与水产养殖和旅游开发等产业相结合的优势，越来越受到光伏项目开发者和技术人员的青睐，是国内外光伏电站发展的热门方向。

本文对水上漂浮式光伏电站的发展现状、优劣势及应用前景进行了阐述与分析，并对其与水产养殖等产业的结合进行了研究。

1 水上漂浮式光伏电站的发展现状

水上漂浮式光伏电站技术在国外发展得较早，目前已有一些成功案例，比如美国、英国、日本、印度、韩国、新加坡、澳大利亚等国家均建设了水上漂浮式光伏电站，但规模均较小。此类光伏电站主要布置在面积较小的内陆水域之上，采用“浮筒漂浮、组件以小倾角排列”的设计方案，逆变箱等配套设施布置于岸边。由于水上漂浮式光伏电站的技术水平相对较为落后，限制了大规模水上漂浮式光伏发电行业的发展[1]。

与国外相比，我国水上漂浮式光伏电站起步较晚，自2015年开始才有小规模示范项目在北京、安徽、山东等地开工建设，主要包括组件以最佳倾角排列和组件以小倾角排列2种方案。已建成的水上漂浮式光伏电站示范项目布置在较小的水域水面上，水深较浅，配套设施布置于岸边，不受水体影响。目前，国内水上漂浮式光伏电站的设计方案主要有“浮体+支架”和“一体化浮筒”2种，具体如图1所示。

图1 采用不同设计方案的水上漂浮式光伏电站

目前国内外对于水上漂浮式光伏电站关键技术问题的分析较为欠缺，如水上漂浮系统的受力与耐久性分析、水下锚固系统的设计与分析、电站的运维方式及环境协调等。由于水上漂浮式光伏电站的设计缺乏可依据的现行标准和规范，导致其建设质量和安全运行维护等问题难以保证。但水上漂浮式光伏电站具有其独特的优势，其能与我国丰富的水资源环境相结合，可为新能源行业的可持续发展提供支持。

2 水上漂浮式光伏电站的适用范围及特点

2.1 水上漂浮式光伏电站的适用范围

由于水上漂浮式光伏电站漂浮于水面，因此其会受到水域内流速、洪峰、水位变幅及风力作用的影响。一般情况下，水上漂浮式光伏电站适用于水流速度＜2 m/s、设计高水位与设计低水位落差较小(＜10 m)、具有一定死水位(≥0.5 m)的水域。湖泊、水库和坑塘较适合水上漂浮式光伏电站的开发；而对于水流流速较大或可能发生较大洪峰流量的河流，不适于开发此类电站。若高、低水位落差过大，将明显增加水下锚固系统的成本和施工难度；而低水位水深过浅则会导致漂浮浮筒搁浅从而被破坏。

2.2 水上漂浮式光伏电站的优劣势

目前，我国土地资源紧缺，地面光伏电站挤占耕地、林地和草地等国土资源的问题日益显著，随着光伏产业的发展，光伏用地难的问题势必更加突出。在此背景下，水上漂浮式光伏电站成为近年来较为热门的话题。该类电站是利用浮筒浮力将光伏组件置于水面之上，可节约土地资源[2]；同时，其特定的布置环境使其不同于传统的地面光伏电站。下文将对水上漂浮式光伏电站的优劣势进行分析。

2.2.1 水上漂浮式光伏电站的优势

1)光伏组件置于水面之上，水体对组件有良好的冷却效应，可降低组件表面的温度，提高组件发电量。根据日本兵库县大型水上光伏电站的实验数据结果，由于水体的冷却效果，光伏组件的发电量增加了10%以上[3]。

2)水上漂浮式光伏电站一般建于距离村庄或城市较近的水域，对区域电力进行了有效补充，发出的电可就近消纳，有效降低了并网困难和限制发电等不利因素的影响，提高了光伏发电利用率。

3)水上漂浮式光伏电站采用浮筒漂浮，省去了光伏支架和基础，不需要进行基础和电缆沟的开挖，避免了场内道路施工，大幅减少了土石方工程量，并节约基础和支架费用；而且该类电站主要依靠船只进行检修和维护，有利于环境保护和水土保持。

4)水上漂浮式光伏电站较为独立，可隔绝闲杂人员和动物等靠近光伏组件；此外，可减少空气中灰尘对光伏组件的污染，并且取水方便，可更好地清洗光伏组件。

5)水上漂浮式光伏电站可与当地旅游相结合，水面上一块块排列整齐的光伏组件独具现代化产业特色，成为当地一道美丽的新景观，与天然景观互为风景，给当地带来新的经济增长点。

2.2.2 水上漂浮式光伏电站的劣势

1)与传统地面电站固定支架的钢结构相比，浮筒的耐久性问题较为突出。为保证电站正常运行25年及以上，水上漂浮式光伏电站对浮筒的耐腐蚀性能、使用寿命、抵抗风浪的能力、材料密度和承载能力等要求较高。

2)水位变幅和水流速度过大、水面结冰、极端风况和地面沉陷等会对水上漂浮式光伏电站产生破坏性影响。面对极端恶劣的气象条件，水上漂浮式光伏电站比地面光伏电站更难运行和维护。

3)水上漂浮式光伏电站建成后，需要监测其对水中植物、鱼类及水体水质的影响，如有不利影响建议单独分析并提出处理方案。

4)水上漂浮式光伏电站受气象条件的影响较大，施工安装的不确定性影响因素较多；并且安装过程需要采用大量起吊机械设备进行水上高频率作业，工作效率较低，比地面光伏电站的建设工序繁琐，施工难度大。

2.3 水上漂浮式光伏电站的关键技术问题

水上漂浮式光伏电站的运行寿命为25年，电站所用的浮筒及附属设施的材料应满足至少25年的正常使用寿命[4]；设计水上漂浮系统及锚固系统时，应充分考虑电站建设、运维检修的便利性和工程投资的成本。

水上漂浮式光伏电站需能够承受风、雪、雨、冰雹、水流等各种极端恶劣天气的长期作用；需能够长期耐受微生物、有害化学物质侵蚀、酸碱性水质等各种复杂水质环境，并与生态环境相协调，不析出有害化学物质；需能够适应循环往复的波浪及水流荷载作用，不产生疲劳应力破坏。

水上漂浮浮筒的浮力需能够满足组件及配件的自重荷载、雪荷载、水流荷载和运维检修荷载的要求，电站施工和运行期间应避免人员及机械的撞击，保证建设期和运行期的安全稳定要求。

由于水上漂浮式光伏电站需要适应极端气候、采煤沉陷区地面沉陷和水位变幅较大等恶劣情况，因此锚固技术最为关键，但影响其的因素较多，尚无成熟的理论计算方法和设计方案。目前常用的锚固技术有水下桩基系泊系统(如图2所示)和水下锚块锚固系泊系统(如图3所示)。

图2 水下桩基系泊系统

图3 水下锚块锚固系泊系统

水下桩基系泊系统可在岸边或水域底部对电站进行固定，通过松弛的钢丝绳与漂浮浮筒相连；钢丝绳的长度需考虑水位变化和泥面高程变化，当二者发生变化时，应保证水上漂浮式光伏电站能够随水位的变化而浮动。水下桩基系泊系统是利用了预应力高强度混凝土管桩(PHC)的抗拔性，并且采用该类管桩具有水下施工工艺简单、施工速度快、施工质量可靠的特点。该系泊系统可运用于水深较深、水域面积较大的水域，运用范围广。

水下锚块锚固系泊系统利用了预制钢筋混凝土锚块的抗拔性，锚块可由工厂预制生产，现场仅需吊装和就位。但该系泊系统的工序繁琐，工期较长，准确就位困难，并且对泥面局部起伏较大和可塑及以上(液性指数≤0.75)的地质条件的适应能力较差。

3 水上漂浮式光伏电站与水产养殖等产业相结合

现代化“渔光一体”是指光伏发电产业与水产养殖业融为一体，在水面上进行光伏发电，在水体中开展水产养殖业的一种新方式，跨界融合，互惠互利。

常见的渔光互补型光伏电站有2种开发模式：抬高支架式渔光互补和漂浮式渔光互补，分别如图4和图5所示。其中，抬高支架式渔光互补型光伏电站一般适用于水深≤3 m[5]、无其他特殊地质条件的普通水域。然而对于水深较深或采用抬高支架式方案性价比较差的区域，随着水上漂浮式光伏电站技术条件的成熟，漂浮式渔光互补型光伏电站越来越受到技术人员的青睐。

图4 抬高支架式渔光互补型光伏电站

图5 漂浮式渔光互补型光伏电站

在科技快速发展的今天，传统鱼塘或水库等水域与新能源产业相结合的情况越来越多，根据通威新能源有限公司的“渔光一体”池塘养殖效能研究成果，“渔光一体”开发模式的渔业亩产经济效益是传统渔业的5～10倍。此模式在利用水域面积进行发电的同时，还能培育优质、高产的水产养殖产品，实现光伏发电与水产养殖共同发展的综合效益最大化，为水产养殖户奔小康提供了一条新的道路。此外，还可利用水上漂浮式光伏电站形成的现代化风景，结合垂钓娱乐、旅游观光等项目，开发旅游产业，打造集发电、养殖、旅游休闲等一体化的综合产业基地，为新能源行业发展提供新途径。

4 水上漂浮式光伏电站的应用前景

目前，水上漂浮式光伏电站的技术离大规模开发建设还有一定距离，但随着光伏产业的发展、国家政策的引导及水上漂浮技术的进步，国内会有越来越多的能源企业进军水上漂浮式光伏电站行业，通过跨界融合，实现双赢或多赢的局面。

截至2014年年底，我国拥有各种类型的水库共9.8万座，水库水域面积达26万km2；我国湖泊众多，面积1000 m2以上的湖泊超过2700个；此外，坑塘水面总面积达4.3493万 km2。这些数据说明，我国发展水上漂浮式光伏电站的条件充足[5]。由于考虑维护检修通道、间隙、配电及输电用地，1 MW地面光伏电站的占地面积约为2万m2，因此以上湖泊、水库及坑塘的数据表明，我国水上漂浮式光伏电站发展空间较大，前景广阔。

5 结语

在过去几年时间里，我国光伏电站主要以地面电站为主，但受土地资源匮乏的制约，光伏产业发展遇到瓶颈。为保证光伏产业的可持续发展，发展水上漂浮式光伏电站成为一种新的开发模式。但目前水上漂浮式光伏电站发电技术尚缺乏统一的标准和规范，离大面积开发仍有大量技术工作需要突破。同时，我国蕴藏丰富的水资源，湖泊、水库和坑塘众多，再加上国家政策引导，发展水上漂浮式光伏电站大有可为，前景广阔。