王 森,秦宏伟,高鹏斌,徐 伟
(1.中石化新星(天津)新能源有限公司,天津 300450;2.天津理工大学海洋能源与智能建设研究院,天津 300384;3.海域海岛环境科技研究院(天津)有限公司,天津 301899)
自“双碳”目标构建以新能源为主的新型电力系统的理念明确以来,发展以光伏为代表的新能源成为《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》的重要内容[1]。随着陆上光伏装机容量的持续增长,土地资源和相关政策的限制正在成为制约光伏规模化发展的关键因素[2]。近年来,研究者们开始把目光转向更为广阔的水域空间,海上漂浮式光伏开始迅速进入人们的视野并逐渐成为研究热点。
我国海域面积宽广,海上日照充足且无遮挡,布局光伏有天然的环境优势,海上漂浮式光伏成为新能源发展的新战场[3]。海上漂浮式光伏技术释放了土地资源,减少了水量蒸发,水体还可以帮助光伏组件“降温”并显著提高发电效率[4]。RAVICHANDRAN N 等[5]研究分析了马尔代夫群岛离岸漂浮式光伏系统的电气性能,发现与地面式系统相比,海上漂浮式光伏系统的年发电量增加了约14%。此外,GOLROODBARI S Z M 等[6]指出了海上漂浮式光伏与现有风电场结合的可行性,研究表明海上漂浮式光伏系统和风电场的结合在技术和经济上都是有益的。虽然海上漂浮式光伏存在发展潜力,但由于系统长时间暴露在波浪、风负荷、盐度和水生物种中,其生命周期和能源生产效率也会受到影响[7]。曾杰等[8]针对海上漂浮式光伏中的浮式基础展开研究分析,用于指导其在具体应用中的设计和制造,并通过有限元分析等手段探究如何保证浮式基础在不同风浪载荷下的动态稳定性[9]。常颖等[10]研究海上漂浮式光伏发电系统性能与季节变化的关系,初步表明海上漂浮式光伏发电系统的发电效率比陆上光伏发电系统的发电效率更高,但漂浮式发电系统的发电效率呈现季节性变化。针对我国东北寒冷地区内陆湖泊水面,设计人员在光伏组件方位角和倾角的选择、浮体型式和锚固系统等方面都做出了探索和尝试,初步解决了寒区内陆湖泊水面漂浮式光伏的几个关键技术问题[11]。随着围堰施工等技术方案的改进和提升,我国水上光伏开发重点从水库、湖泊转向海洋。目前已建成的海上光伏大多分布在冬季不结冰的南方,北方水上项目虽然结冰,但都建于内湖,海洋水文环境不同于内湖,海上光伏技术亟待进一步探索研究与实践。
以上内容表明了海上漂浮式光伏发展的巨大潜力和技术上的可行性,但事实上其面对的主要难题应该是能否市场化、规模化,以及适应海洋环境。从我国当前的技术研发水平来看,海上漂浮式光伏正处于可以开展试验示范的“科研+工程”发展阶段,本文将利用在天津南港开展的漂浮式光伏试验,探索北方结冰海域建设海上漂浮式光伏发电系统的技术可行性。
研究内容包含以下4 个方面:淤优化集装箱浮式防波堤结构设计,通过冰期试验,研究海洋环境下冬季结冰流凌和开春解冻流凌对防波堤的影响;于优化光伏方阵结构设计,通过冰期试验,研究海洋环境下冬季结冰流凌和开春解冻流凌对光伏方阵的影响;盂优化锚固设计,确定光伏方阵与防波堤的漂移量是否在设计范围内;榆选取不同材料,研究光伏支架及配件在海洋环境下的抗腐蚀情况。
(1)风速选取
根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)和《港口工程荷载规范》(JTS144—1—2010)可知,天津地区50 年一遇风压为0.5 kN/m2,其中,天津塘沽地区50 年一遇风压为0.55 kN/m2。参照水文气象站收集的资料,天津地区在1972 年有过一次台风过境,台风登陆时实测强度为8耀9 级热带风暴,1992 年经历9216 号热带风暴,黄海北部、山东半岛、渤海中西部出现8耀9 级、阵风11 级的大风,根据综合数据对比,11 级阵风风速范围为28.5耀32.6 m/s,以高值作为设计输入,风速校核数据采用32.6 m/s。
(2)浪高选取
以最大允许浪高1 m 作为设计输入值。
(3)流速选取
按照设计极限值1 m/s 作为设计输入。
1.2.1 光伏方阵及组件信息
光伏方阵单元按照303.16 kW 设计,组件由同等重量的复合木板替代,光伏方阵的详细信息见表1。此处定义东西一行组件为“一排”,南北一行组件为“一列”。光伏方阵总排布图包含设备浮体、光伏组件与支架、组件承载浮体、走道浮体、辅助小浮体等,方阵局部三维示意图如图1 所示。
图1 局部方阵三维示意图
表1 光伏方阵详细信息
1.2.2 流载荷计算
流载荷的计算是基于一个3 MW 的标准光伏方阵进行的。流载荷系数综合考虑了浮体水面以下部分的形状和遮蔽效应,单元光伏方阵的流载荷可以通过式(1)计算得到。
式中,Fcurrent为流载荷;C肄为流载荷系数;籽为水的密度;v 为流速;S 为特征面积。流载荷系数如表2 所示,单元光伏方阵的流载荷计算结果如表3所示。
表2 流载荷系数
表3 单元光伏方阵流载荷计算结果
1.2.3 波浪载荷计算
一般情况,波浪载荷在前4耀10 排时收敛,具体排数取决于波浪周期大小,即当光伏方阵排数增加到一定数量时,光伏方阵整体的波浪载荷不再随排数的增加而增加。最大波浪载荷出现在南或北浪向,而最小波浪载荷出现在东或西浪向。按照浪高极限值1 m 计算单元光伏方阵总波浪载荷,如式(2)所示。
式中,F0为单位波幅,即浪高1 m 时的波浪载荷;Hmax为最大波高。由水动力软件计算求得,结果见表4。
表4 单位波幅下波浪载荷计算结果
根据式(2)计算得到光伏方阵在1 m 波高下总波浪载荷结果如表5 所示。
表5 单元光伏方阵总波浪载荷计算结果
1.2.4 总环境载荷
将上述风、浪、流环境载荷进行叠加,最终得到总环境载荷,如表6 所示。
表6 总环境载荷
1.2.5 锚固系统设计
锚固系统主要由锚块、锚固缆绳、锚固桁架、浮体等组成,具体布置如图2 所示。系统共有120个锚点,锚点距悬挂点水平距离为9 m,最大水深6 m(水位落差4.37 m),缆绳长度为13 m。
图2 锚固系统示意图
缆绳长度是按照最高水位锚点至悬挂点距离设计的,光伏方阵最大漂移发生在最低水位时,若最大水深H=6 m,最低水深h=1.63 m,系泊半径D=9 m,锚绳长度L =13 m,则最大漂移距离d =而光伏方阵距离锚块水平距离为9 m,远大于漂移距离,因此光伏方阵不会碰撞到锚块。光伏方阵漂移距离如图3 所示。
图3 光伏方阵漂移距离示意图
由前面计算结果可以得到漂浮光伏方阵承受极端环境载荷在5 个方位角(0毅、45毅、90毅,135毅、180毅)下x 和y 方向的投影载荷,环境载荷作用下南北与东西侧锚固悬挂点水平力见表7。
表7 锚固悬挂点水平力计算结果
由计算可知,180毅工况对应南北侧锚绳水平力最大,数值为6.144 kN,此时对应的锚绳最大张力90毅工况对应东西侧锚绳水平力最大,数值为3.628 kN,此时对应的锚绳最大张力浮体抱耳强度最大不超过12 kN,因此能满足设计要求。
防波堤形式分为固定式和漂浮式两种,固定式防波堤对水底土层结构有一定破坏且难以拆除,对水动力也有较大影响,故使用浮式防波堤。漂浮光伏方阵设置在围堰内西北侧,在方阵南侧及东侧设置防波堤,对方阵进行保护,防波堤长85 m,宽58.5 m,东南护角长度6.1 m。防波堤主体结构为集装箱拼接结构,由多个消浪子单元串联而成,子单元由集装箱和锚固系统组成,集装箱经过改装、防冰、防腐处理。集装箱式漂浮防波堤单元结构断面及平面图如图4 所示。
图4 集装箱式漂浮防波堤单元结构断面及平面图
根据消浪原理可知,浮式消浪堤消波效果主要取决于浮箱的挡水面积和堤宽与波长的比值。浮堤的入水深度越深,浮体对波浪的反射作用越大,透射系数越小。防波堤堤宽越大,干扰其附近水体的区域越大,消浪效果越好,如图5 所示。集装箱经过结构改装、防冰和防腐处理,内部填充浮体,沿防波堤长度方向将每个浮体单元用锚链首尾连接,最终形成一道浮式防波堤。
图5 消浪原理
浮体利用锚链与海底重力锚块体连接,每个浮体在其迎浪测和背浪测各布置2 根锚链,因要保证集装箱浮式防波堤的漂移量在安全范围,故每根锚链采用双链形式,选用30 mm 高强度聚乙烯绳及AM2 级有档锚链,锚链材质牌号为CM690。锚块采用重力锚,锚块重量10 t。
为验证冰期海上漂浮式光伏正常运行的可行性,根据近50 年来天津滨海天气与海洋环境信息,选择在天津南港开展冰期海上光伏试验。
如图6 所示,该先导试验项目的东侧和南侧分别建设了防波堤作为围堰,在东南处有一处长约2 000 m 的围堰入口。
图6 波浪强度分区图
为了达到试验目的,试验应选址在风浪较大位置。A 区处在强浪区,所受风浪最大,且A 区距离围堰入口最远,风生浪最大。故试验选址设置在围堰西北侧A 区,试验位置示意图如图7 所示。
图7 试验位置示意图
试验设计光伏方阵容量303.16 kW,占海面积5 032 m2。试验周期3 个月(2021 年12 月中旬至2022 年3 月中旬)。试验平面布置图如图8 所示,图9 为无人机航拍试验场景。
图8 试验平面布置图
图9 无人机航拍试验场景
试验整体情况良好,无歪斜损坏现象。组件表面无析出结晶的残留物、浮体在冰期无破损、组件压块无松动、浮体抱耳无损伤,如图10 所示。
图10 光伏方阵整体情况
根据试验现场提供的统计数据,最大风速9级,防波堤外浪高0.5 m,堤内0.2 m,平均消浪效果达到60%,防波堤消浪效果符合设计要求,能对海上光伏项目起到很好的保护作用。
经过数据统计分析发现,防波堤内海水存在冰冻现象10 天,冰冻厚度最厚为20 mm,防波堤内浮冰大多由防波堤外漂浮而来;浮冰对方阵未构成损害,不影响方阵正常运行。浮体表面存在冰冻现象19 天,浮体表面结冰最厚为20 mm,浮体表面冰冻物状态多为颗粒状小冰层。通过观察分析防波堤内海冰情况(图11)、浮体表面结冰厚度(图12)和海上光伏先导试验运行情况(图13),可以看出光伏方阵在试验周期内保持安全运行。
图11 防波堤内结冰情况
图12 浮体表面结冰厚度与天数
图13 防波堤内外对比图
试验锚固半径9 m,使用的缆绳长度为13 m,理论上的单侧最大偏移量均为4.5 m,即单点存在最大9 m 的偏移量。根据现场每天涨落潮记录的方阵四角坐标,用地图软件绘制方阵位置并计算漂移量,得出最大偏移量均不超过9 m,基本处在6耀7 m 范围内。因此,锚固系统设计是有效的,方阵位移在可控范围内,锚固系统能够有效固定光伏方阵,如图14 所示。
图14 方阵位移分析
试验着重验证了304 不锈钢在海洋环境中的腐蚀现象,与之做对比的是设计采用的316 不锈钢(浮体厂家定制),以及高密度聚乙烯(High Density Polyethylene,HDPE)塑料连接螺栓(与浮体同材质,食品级)。现场发现304 不锈钢普遍存在锈蚀现象,316 不锈钢未发现锈蚀;受潮汐及海浪影响,金属螺栓(304 不锈钢、316 不锈钢) 个别脱落,部分螺栓松动,通过螺栓上部齿纹余量,判断一是螺栓未拧紧;二是设计存在缺陷所致。验证结论为海上光伏项目设计时需采用抗腐蚀性能好的连接螺栓,HDPE 连接螺栓比金属螺栓具有更好的稳定性。316 不锈钢连接螺栓、304 不锈钢连接螺栓如图15 和图16 所示。
图15 316 不锈钢连接螺栓
图16 304 不锈钢连接螺栓
本次试验采集到海洋环境影响因素的相关数据,并对数据进行整理分析,得出以下结论:淤建设防波堤是必要的,防波堤的消浪效果能对海上光伏起到很好的保护作用;于锚固系统能够有效固定光伏方阵,使方阵位移在可控范围内;盂316 不锈钢连接螺栓能够更好地抵抗海上高盐雾环境的影响;塑料螺栓不仅抗腐蚀,而且具有更好的稳定性。本试验结果证明了在我国北方建设海上漂浮式光伏发电系统是可行的,对优化冰期海上漂浮式光伏发电技术方案具有重要的借鉴意义。