梁甜，吳繼亮，糜文杰，周敏

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014）

1 引言

煤炭資源開采猶如一把雙刃劍，在適應國家能源需求的同時，造成礦區(qū)內大量土地塌陷。在采煤塌陷水域開發(fā)光伏發(fā)電站，具有得天獨厚的優(yōu)勢，不僅可以有效利用采煤塌陷區(qū)閑置廢棄水域資源、解除光伏項目開發(fā)土地因素的束縛，拓寬光伏發(fā)電的應用，同時，還可以提高發(fā)電量、保護水資源、節(jié)約煤炭資源、改善塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)綜合效益最大化。然而，采煤塌陷區(qū)地形地貌、水文地質情況復雜，給光伏發(fā)電項目的開發(fā)帶來了新的問題。本文結合采煤塌陷區(qū)水域的特點，從結構設計角度分析了漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域應用的可行性及設計要點，為采煤塌陷水域漂浮式光伏電系統(tǒng)設計提供借鑒。

2 漂浮式光伏電站概述

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在水塘、小型湖泊、水庫、堰塞湖等水域環(huán)境建設的光伏電站，以解決地面光伏發(fā)電用地緊張的問題，該技術在國外發(fā)展較早，據(jù)統(tǒng)計[1]，目前，日本、印度、韓國、新加坡、英國、美國、挪威、巴西、澳大利亞等國家均發(fā)展了水上漂浮式光伏電站。相較日本、英國、韓國等國家已經陸續(xù)有漂浮式光伏電站落戶。我國起步較晚，2016 年才開始大規(guī)模興起，項目可借鑒經驗少。與傳統(tǒng)地面光伏電站相比，水上漂浮式光伏電站具有節(jié)約用地、提高系統(tǒng)發(fā)電效率、運營維護方便、環(huán)保等優(yōu)點[2]。

3 漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域的應用

3.1 采煤塌陷區(qū)水域特殊性分析

所謂采煤塌陷區(qū)，是指當煤炭資源開采后，采空區(qū)域的上部巖土層原始應力平衡受到破壞而發(fā)生的斷裂、彎曲、冒落等移動后升至地表，在采空區(qū)上方形成的下沉盆地。當下沉區(qū)域地下水位較高時，極易形成常年積水區(qū)域，與常規(guī)水塘、小型湖泊、水庫相比，采煤塌陷區(qū)水域具有更為復雜的環(huán)境。首先，采煤塌陷形成的水域，其水下地形地貌、工程地質條件極為復雜，受原始地形地貌、地下巖層分布、開采方式、開采范圍、開采時間等因素影響，塌陷形成的水域，其地形及地質條件發(fā)生的變化難以預測，且塌陷形成是由巖體力學平衡破壞引起的，具有持續(xù)性，導致水下地形及地質條件處于長期變化狀態(tài)，通常，塌陷基本穩(wěn)定需要超過5a 時間；其次，塌陷具有復活性，隨著時間推移，塌陷趨于基本穩(wěn)定，但一旦受到外力影響和擾動后，如地震、暴雨、復采等，采空區(qū)將再次被激活，再次形成災害。

由此可見，與常規(guī)水塘、小型湖泊、水庫上的漂浮式光伏電站相比，在采煤塌陷區(qū)水域開發(fā)漂浮式光伏電站，不僅要通過荷載組合計算自重、風、雪、波浪、覆冰等[3]荷載作用下漂浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和錨固基礎的承載能力及穩(wěn)定性，還需要考慮地基土塌陷這一特殊因素對漂浮系統(tǒng)所產生的特殊影響。

3.2 漂浮式光伏電站漂浮系統(tǒng)選型分析

水上光伏電站包括固定式和漂浮式2 類，其中，固定式與傳統(tǒng)地面光伏電站類似，即光伏組件安裝于光伏支架上，支架安裝于固定式基礎上，如樁基礎；漂浮式光伏電站一般用于水深較深的區(qū)域。目前，常用的漂浮式光伏電站漂浮系統(tǒng)，按形式分為2 類：浮體+支架；一體化浮筒。

1）浮體+支架（見圖1）：采用浮體與金屬支架構成的水面漂浮系統(tǒng)，通過設計合理的浮體，將光伏組件安裝于支架上，支架固定于浮體上，浮體漂浮于水面上。主要包括浮體、固定支架、浮動平臺系泊系統(tǒng)等。該結構可按最佳傾角進行布置，發(fā)電量得到提高，但系統(tǒng)受風荷載作用較大，上部支架結構設計需考慮波浪荷載，支架及浮體用鋼量大。

2）一體化浮筒（見圖2）：通過設計合理的浮體，將光伏組件用螺栓直接安裝于浮體上，浮體漂浮于水上，主要包括組件浮體、過道浮體和漂浮平臺系泊系統(tǒng)等。該系統(tǒng)組件支撐系統(tǒng)與浮體系統(tǒng)是同一系統(tǒng)，根據(jù)組件傾角制作成相應的角度，無須設計鋼支架，減輕了平臺重量，但該系統(tǒng)連接耳環(huán)需要經過詳細的內力計算和力學試驗，若不滿足受力要求，需要進行局部節(jié)點加強。

綜上，一體化浮筒結構形式簡單，安裝、維護便捷，同時，基于漂浮碼頭的經驗和行業(yè)的發(fā)展，其質量和產能得到了較大提升，造價下降明顯，目前，越來越得到行業(yè)內認可，已大量運用于水面漂浮式光伏電站。

圖1 浮體+支架示意圖

圖2 一體化浮筒示意圖

3.3 漂浮式光伏電站在采煤塌陷水域的應用優(yōu)勢分析

光伏發(fā)電站建構筑物的正確設計與否，直接影響光伏電站安全與經濟性效益，而光伏組件的支撐構件更是重中之重。如前文所述，采煤塌陷區(qū)水域具有水下地形復雜、塌陷易復活等特點，因此，在采煤塌陷區(qū)水域開發(fā)光伏項目具有其特殊性。受塌陷的影響，水面固定式支架在塌陷區(qū)的使用存在較多問題，相較于固定支架式而言，漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域運用具有其獨特的優(yōu)勢。本節(jié)結合濟寧市微山縣塌陷區(qū)某光伏基地項目，對固定支架式和漂浮式光伏電站進行了詳細對比。由表1 可知，固定支架式雖在經濟性方面稍有優(yōu)勢，但在安全性、便捷性和環(huán)保性方面較漂浮式缺陷明顯。

表1 不同型式支撐系統(tǒng)分析

3.4 采煤塌陷水域漂浮式光伏電站設計要點分析

由前述可見，漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域具有其獨特的優(yōu)勢，但由于塌陷區(qū)水域具有其特殊性，在進行漂浮式系統(tǒng)設計時，除應考慮常規(guī)水域漂浮式電站設計所考慮的因素外，還應考慮地層塌陷、洪水位等因素對系泊系統(tǒng)、平臺布置的影響。

3.4.1 系泊系統(tǒng)錨鏈長度

常規(guī)水域漂浮式光伏電站系泊系統(tǒng)錨鏈長度設置僅考慮水位變化范圍，滿足漂浮平臺能夠適應高水位與低水位之間的變化幅度即可，但塌陷區(qū)水域還需考慮塌陷對錨鏈長度的影響。當按正常情況考慮時，地層塌陷后，將出現(xiàn)高水位情況下漂浮平臺不能滿足浮動空間的情況（見圖3），假定：（1）地層塌陷前設計最高水位情況下，設計拋錨距離為X，錨鏈頂端與最高水位間高差為H1，錨鏈頂端與最低水位間高差為H3，錨鏈需要長度為L1，方陣單側可活動位移為Y1；（2）地層塌陷距離為H2，地層塌陷不影響設計拋錨距離X，錨鏈需要長度為L2，地層塌陷后方陣單側可活動位移為Y2，則根據(jù)三角幾何關系可得：

根據(jù)上述表達式可知，L2＞L1，即在采煤塌陷區(qū)水域設計錨鏈未考慮塌陷的影響時，將導致塌陷后高水位時系泊系統(tǒng)被破壞或者漂浮平臺被破壞，造成嚴重的安全性問題。

3.4.2 平臺布置間距

如前文所述，當僅考慮常規(guī)情況時，漂浮方陣的水平位移為2Y1，當考慮地層塌陷時，漂浮方陣的水平位移為2Y2。由圖3 可知，Y2＞Y1，即漂浮平臺具有更大的水平位移空間。因此，在采煤塌陷區(qū)水域布置漂浮平臺時，應充分考慮地層塌陷所要求的額外空間，以避免漂浮平臺與其他設備平臺發(fā)生碰撞，造成設備損壞及安全問題。

圖3 錨鏈長度計算示意

3.4.3 塌陷分析

鑒于采煤塌陷區(qū)水域具有其特殊的復雜性，在設計前，需要獲取詳細的場址塌陷穩(wěn)定性分析報告，并進行詳細分析，以進行合理判斷并開展布置。此外，由于采煤塌陷區(qū)具有復活性，需要詳細調查場址區(qū)域開采規(guī)劃，及時了解煤礦開采動向并進行塌陷預測分析，依據(jù)塌陷分析情況，對預測塌陷較為嚴重的區(qū)域進行重點檢查，同時，對基礎的標高、垂直度等參數(shù)進行定期復核。

3.4.4 安全監(jiān)測

由于地層塌陷為不可控因素且對系泊系統(tǒng)基礎穩(wěn)定性及安全性影響極大，在系泊系統(tǒng)基礎設計時，應設置相應監(jiān)測點，如錨固樁頂部、錨固樁與水底泥面交界處。同時，施工過程中嚴格控制每一個錨樁基礎的埋置深度、基礎頂標高及垂直度等，并做好記錄，當運行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)錨鏈、錨樁下沉深度或傾斜程度超過設計允許值時，應及時采取相關措施。

4 結語

在采煤塌陷區(qū)水域開發(fā)漂浮式光伏電站具有其獨特的優(yōu)勢，可有效利用采煤塌陷區(qū)水域、避免塌陷對組件支撐系統(tǒng)產生直接破壞，同時，能夠改善塌陷區(qū)水域生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)綜合效益最大化。但采煤塌陷區(qū)水域地形地貌、工程地質情況復雜，在進行漂浮式光伏電站設計時，應充分考慮地層塌陷穩(wěn)定性、洪水位及地層情況等因素的影響，在充分分析場址特殊條件的情況下，選擇合適的場址方陣布置形式及系泊系統(tǒng)錨鏈長度，同時，應針對塌陷區(qū)特殊條件設置監(jiān)測點，確保項目長期運行的安全可靠性。