中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 ■ 吳繼亮 梁甜 糜文杰 譚爭(zhēng)光

0 引言

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，作為發(fā)展中國(guó)家，面臨著經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。出于環(huán)?？紤]，改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源是我國(guó)的必由之路。在此背景下，近年來(lái)，我國(guó)的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并得到了國(guó)家政策的大力支持，其中尤以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的發(fā)展速度最為顯著。

目前，國(guó)內(nèi)光伏電站以傳統(tǒng)的地面光伏電站為主，大多建在新疆和甘肅等西北戈壁灘地區(qū)，但這些區(qū)域不是電力負(fù)荷中心，電能不能被有效利用。隨著光伏裝機(jī)容量的增大，受電網(wǎng)消納和送出等條件制約，西北地區(qū)已產(chǎn)生了嚴(yán)重的棄光或限電現(xiàn)象。但在山東、江蘇、河北和湖南等用電負(fù)荷中心，由于可用于地面光伏電站開(kāi)發(fā)的土地資源有限，導(dǎo)致我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的后勁不足。為打破此瓶頸，建設(shè)水上漂浮式光伏電站成為新亮點(diǎn)。水上漂浮式光伏電站具有不占用土地資源，并可與水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游開(kāi)發(fā)等產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到光伏項(xiàng)目開(kāi)發(fā)者和技術(shù)人員的青睞，是國(guó)內(nèi)外光伏電站發(fā)展的熱門(mén)方向。

本文對(duì)水上漂浮式光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)劣勢(shì)及應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述與分析，并對(duì)其與水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)的結(jié)合進(jìn)行了研究。

1 水上漂浮式光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀

水上漂浮式光伏電站技術(shù)在國(guó)外發(fā)展得較早，目前已有一些成功案例，比如美國(guó)、英國(guó)、日本、印度、韓國(guó)、新加坡、澳大利亞等國(guó)家均建設(shè)了水上漂浮式光伏電站，但規(guī)模均較小。此類(lèi)光伏電站主要布置在面積較小的內(nèi)陸水域之上，采用“浮筒漂浮、組件以小傾角排列”的設(shè)計(jì)方案，逆變箱等配套設(shè)施布置于岸邊。由于水上漂浮式光伏電站的技術(shù)水平相對(duì)較為落后，限制了大規(guī)模水上漂浮式光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展[1]。

與國(guó)外相比，我國(guó)水上漂浮式光伏電站起步較晚，自2015年開(kāi)始才有小規(guī)模示范項(xiàng)目在北京、安徽、山東等地開(kāi)工建設(shè)，主要包括組件以最佳傾角排列和組件以小傾角排列2種方案。已建成的水上漂浮式光伏電站示范項(xiàng)目布置在較小的水域水面上，水深較淺，配套設(shè)施布置于岸邊，不受水體影響。目前，國(guó)內(nèi)水上漂浮式光伏電站的設(shè)計(jì)方案主要有“浮體+支架”和“一體化浮筒”2種，具體如圖1所示。

圖1 采用不同設(shè)計(jì)方案的水上漂浮式光伏電站

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水上漂浮式光伏電站關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析較為欠缺，如水上漂浮系統(tǒng)的受力與耐久性分析、水下錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析、電站的運(yùn)維方式及環(huán)境協(xié)調(diào)等。由于水上漂浮式光伏電站的設(shè)計(jì)缺乏可依據(jù)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致其建設(shè)質(zhì)量和安全運(yùn)行維護(hù)等問(wèn)題難以保證。但水上漂浮式光伏電站具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其能與我國(guó)豐富的水資源環(huán)境相結(jié)合，可為新能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

2 水上漂浮式光伏電站的適用范圍及特點(diǎn)

2.1 水上漂浮式光伏電站的適用范圍

由于水上漂浮式光伏電站漂浮于水面，因此其會(huì)受到水域內(nèi)流速、洪峰、水位變幅及風(fēng)力作用的影響。一般情況下，水上漂浮式光伏電站適用于水流速度＜2 m/s、設(shè)計(jì)高水位與設(shè)計(jì)低水位落差較小(＜10 m)、具有一定死水位(≥0.5 m)的水域。湖泊、水庫(kù)和坑塘較適合水上漂浮式光伏電站的開(kāi)發(fā)；而對(duì)于水流流速較大或可能發(fā)生較大洪峰流量的河流，不適于開(kāi)發(fā)此類(lèi)電站。若高、低水位落差過(guò)大，將明顯增加水下錨固系統(tǒng)的成本和施工難度；而低水位水深過(guò)淺則會(huì)導(dǎo)致漂浮浮筒擱淺從而被破壞。

2.2 水上漂浮式光伏電站的優(yōu)劣勢(shì)

目前，我國(guó)土地資源緊缺，地面光伏電站擠占耕地、林地和草地等國(guó)土資源的問(wèn)題日益顯著，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏用地難的問(wèn)題勢(shì)必更加突出。在此背景下，水上漂浮式光伏電站成為近年來(lái)較為熱門(mén)的話(huà)題。該類(lèi)電站是利用浮筒浮力將光伏組件置于水面之上，可節(jié)約土地資源[2]；同時(shí)，其特定的布置環(huán)境使其不同于傳統(tǒng)的地面光伏電站。下文將對(duì)水上漂浮式光伏電站的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析。

2.2.1 水上漂浮式光伏電站的優(yōu)勢(shì)

1)光伏組件置于水面之上，水體對(duì)組件有良好的冷卻效應(yīng)，可降低組件表面的溫度，提高組件發(fā)電量。根據(jù)日本兵庫(kù)縣大型水上光伏電站的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，由于水體的冷卻效果，光伏組件的發(fā)電量增加了10%以上[3]。

2)水上漂浮式光伏電站一般建于距離村莊或城市較近的水域，對(duì)區(qū)域電力進(jìn)行了有效補(bǔ)充，發(fā)出的電可就近消納，有效降低了并網(wǎng)困難和限制發(fā)電等不利因素的影響，提高了光伏發(fā)電利用率。

3)水上漂浮式光伏電站采用浮筒漂浮，省去了光伏支架和基礎(chǔ)，不需要進(jìn)行基礎(chǔ)和電纜溝的開(kāi)挖，避免了場(chǎng)內(nèi)道路施工，大幅減少了土石方工程量，并節(jié)約基礎(chǔ)和支架費(fèi)用；而且該類(lèi)電站主要依靠船只進(jìn)行檢修和維護(hù)，有利于環(huán)境保護(hù)和水土保持。

4)水上漂浮式光伏電站較為獨(dú)立，可隔絕閑雜人員和動(dòng)物等靠近光伏組件；此外，可減少空氣中灰塵對(duì)光伏組件的污染，并且取水方便，可更好地清洗光伏組件。

5)水上漂浮式光伏電站可與當(dāng)?shù)芈糜蜗嘟Y(jié)合，水面上一塊塊排列整齊的光伏組件獨(dú)具現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)特色，成為當(dāng)?shù)匾坏烂利惖男戮坝^(guān)，與天然景觀(guān)互為風(fēng)景，給當(dāng)?shù)貛?lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

2.2.2 水上漂浮式光伏電站的劣勢(shì)

1)與傳統(tǒng)地面電站固定支架的鋼結(jié)構(gòu)相比，浮筒的耐久性問(wèn)題較為突出。為保證電站正常運(yùn)行25年及以上，水上漂浮式光伏電站對(duì)浮筒的耐腐蝕性能、使用壽命、抵抗風(fēng)浪的能力、材料密度和承載能力等要求較高。

2)水位變幅和水流速度過(guò)大、水面結(jié)冰、極端風(fēng)況和地面沉陷等會(huì)對(duì)水上漂浮式光伏電站產(chǎn)生破壞性影響。面對(duì)極端惡劣的氣象條件，水上漂浮式光伏電站比地面光伏電站更難運(yùn)行和維護(hù)。

3)水上漂浮式光伏電站建成后，需要監(jiān)測(cè)其對(duì)水中植物、魚(yú)類(lèi)及水體水質(zhì)的影響，如有不利影響建議單獨(dú)分析并提出處理方案。

4)水上漂浮式光伏電站受氣象條件的影響較大，施工安裝的不確定性影響因素較多；并且安裝過(guò)程需要采用大量起吊機(jī)械設(shè)備進(jìn)行水上高頻率作業(yè)，工作效率較低，比地面光伏電站的建設(shè)工序繁瑣，施工難度大。

2.3 水上漂浮式光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

水上漂浮式光伏電站的運(yùn)行壽命為25年，電站所用的浮筒及附屬設(shè)施的材料應(yīng)滿(mǎn)足至少25年的正常使用壽命[4]；設(shè)計(jì)水上漂浮系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮電站建設(shè)、運(yùn)維檢修的便利性和工程投資的成本。

水上漂浮式光伏電站需能夠承受風(fēng)、雪、雨、冰雹、水流等各種極端惡劣天氣的長(zhǎng)期作用；需能夠長(zhǎng)期耐受微生物、有害化學(xué)物質(zhì)侵蝕、酸堿性水質(zhì)等各種復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境，并與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，不析出有害化學(xué)物質(zhì)；需能夠適應(yīng)循環(huán)往復(fù)的波浪及水流荷載作用，不產(chǎn)生疲勞應(yīng)力破壞。

水上漂浮浮筒的浮力需能夠滿(mǎn)足組件及配件的自重荷載、雪荷載、水流荷載和運(yùn)維檢修荷載的要求，電站施工和運(yùn)行期間應(yīng)避免人員及機(jī)械的撞擊，保證建設(shè)期和運(yùn)行期的安全穩(wěn)定要求。

由于水上漂浮式光伏電站需要適應(yīng)極端氣候、采煤沉陷區(qū)地面沉陷和水位變幅較大等惡劣情況，因此錨固技術(shù)最為關(guān)鍵，但影響其的因素較多，尚無(wú)成熟的理論計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方案。目前常用的錨固技術(shù)有水下樁基系泊系統(tǒng)(如圖2所示)和水下錨塊錨固系泊系統(tǒng)(如圖3所示)。

圖2 水下樁基系泊系統(tǒng)

圖3 水下錨塊錨固系泊系統(tǒng)

水下樁基系泊系統(tǒng)可在岸邊或水域底部對(duì)電站進(jìn)行固定，通過(guò)松弛的鋼絲繩與漂浮浮筒相連；鋼絲繩的長(zhǎng)度需考慮水位變化和泥面高程變化，當(dāng)二者發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)保證水上漂浮式光伏電站能夠隨水位的變化而浮動(dòng)。水下樁基系泊系統(tǒng)是利用了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC)的抗拔性，并且采用該類(lèi)管樁具有水下施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、施工質(zhì)量可靠的特點(diǎn)。該系泊系統(tǒng)可運(yùn)用于水深較深、水域面積較大的水域，運(yùn)用范圍廣。

水下錨塊錨固系泊系統(tǒng)利用了預(yù)制鋼筋混凝土錨塊的抗拔性，錨塊可由工廠(chǎng)預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)僅需吊裝和就位。但該系泊系統(tǒng)的工序繁瑣，工期較長(zhǎng)，準(zhǔn)確就位困難，并且對(duì)泥面局部起伏較大和可塑及以上(液性指數(shù)≤0.75)的地質(zhì)條件的適應(yīng)能力較差。

3 水上漂浮式光伏電站與水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)相結(jié)合

現(xiàn)代化“漁光一體”是指光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)融為一體，在水面上進(jìn)行光伏發(fā)電，在水體中開(kāi)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的一種新方式，跨界融合，互惠互利。

常見(jiàn)的漁光互補(bǔ)型光伏電站有2種開(kāi)發(fā)模式：抬高支架式漁光互補(bǔ)和漂浮式漁光互補(bǔ)，分別如圖4和圖5所示。其中，抬高支架式漁光互補(bǔ)型光伏電站一般適用于水深≤3 m[5]、無(wú)其他特殊地質(zhì)條件的普通水域。然而對(duì)于水深較深或采用抬高支架式方案性?xún)r(jià)比較差的區(qū)域，隨著水上漂浮式光伏電站技術(shù)條件的成熟，漂浮式漁光互補(bǔ)型光伏電站越來(lái)越受到技術(shù)人員的青睞。

圖4 抬高支架式漁光互補(bǔ)型光伏電站

圖5 漂浮式漁光互補(bǔ)型光伏電站

在科技快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)魚(yú)塘或水庫(kù)等水域與新能源產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的情況越來(lái)越多，根據(jù)通威新能源有限公司的“漁光一體”池塘養(yǎng)殖效能研究成果，“漁光一體”開(kāi)發(fā)模式的漁業(yè)畝產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益是傳統(tǒng)漁業(yè)的5～10倍。此模式在利用水域面積進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，還能培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與水產(chǎn)養(yǎng)殖共同發(fā)展的綜合效益最大化，為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)奔小康提供了一條新的道路。此外，還可利用水上漂浮式光伏電站形成的現(xiàn)代化風(fēng)景，結(jié)合垂釣娛樂(lè)、旅游觀(guān)光等項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)旅游產(chǎn)業(yè)，打造集發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游休閑等一體化的綜合產(chǎn)業(yè)基地，為新能源行業(yè)發(fā)展提供新途徑。

4 水上漂浮式光伏電站的應(yīng)用前景

目前，水上漂浮式光伏電站的技術(shù)離大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)還有一定距離，但隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、國(guó)家政策的引導(dǎo)及水上漂浮技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)會(huì)有越來(lái)越多的能源企業(yè)進(jìn)軍水上漂浮式光伏電站行業(yè)，通過(guò)跨界融合，實(shí)現(xiàn)雙贏(yíng)或多贏(yíng)的局面。

截至2014年年底，我國(guó)擁有各種類(lèi)型的水庫(kù)共9.8萬(wàn)座，水庫(kù)水域面積達(dá)26萬(wàn)km2；我國(guó)湖泊眾多，面積1000 m2以上的湖泊超過(guò)2700個(gè)；此外，坑塘水面總面積達(dá)4.3493萬(wàn) km2。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，我國(guó)發(fā)展水上漂浮式光伏電站的條件充足[5]。由于考慮維護(hù)檢修通道、間隙、配電及輸電用地，1 MW地面光伏電站的占地面積約為2萬(wàn)m2，因此以上湖泊、水庫(kù)及坑塘的數(shù)據(jù)表明，我國(guó)水上漂浮式光伏電站發(fā)展空間較大，前景廣闊。

5 結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去幾年時(shí)間里，我國(guó)光伏電站主要以地面電站為主，但受土地資源匱乏的制約，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到瓶頸。為保證光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展水上漂浮式光伏電站成為一種新的開(kāi)發(fā)模式。但目前水上漂浮式光伏電站發(fā)電技術(shù)尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，離大面積開(kāi)發(fā)仍有大量技術(shù)工作需要突破。同時(shí)，我國(guó)蘊(yùn)藏豐富的水資源，湖泊、水庫(kù)和坑塘眾多，再加上國(guó)家政策引導(dǎo)，發(fā)展水上漂浮式光伏電站大有可為，前景廣闊。