漂浮式光伏發電系統漂浮平臺淺析

梁 甜，吳繼亮，糜文杰，攝 宇

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

水上漂浮式光伏發電系統是指在水塘、湖泊、水庫等水域環境中建設的光伏電站，具有節約用地、提高系統發電效率、受外界人為干擾少、對環境保護有益等特點[1]。該技術在國外發展得比較早，截止2017年，日本、韓國、英國、挪威、美國、西班牙等國家均發展了水上漂浮式光伏電站[1]。相較國外，我國起步較晚，2015年底才開始有項目動工建設，2017年水上漂浮式電站才開始大規模興起。

由于漂浮式光伏為近幾年新興光伏發電開發模式，缺乏相應設計標準和指導手冊，現有《建筑結構荷載規范》中缺乏對應的風荷載計算模式[2]。同時，由于其不同于常規地面電站，漂浮平臺造價對項目的投資影響較大。

本文結合實際工程案例，針對兩種不同型式的漂浮平臺，從平臺受荷、占地面積、造價三方面進行了對比分析，為漂浮式光伏發電系統平臺選型提供借鑒。

1 不同型式漂浮平臺簡介

綜合分析國內外已建漂浮式光伏電站案例，目前該型式平臺主要包括兩種類型：一體化浮筒(圖1)和浮筒+固定支架(圖2)。

圖1 一體化浮筒圖

一體化浮筒漂浮平臺利用高密度聚乙烯材料，按照組件安裝傾角要求制作專用浮筒，1個浮筒上安裝1塊光伏組件，主浮筒由過道浮筒逐一拼接，形成漂浮平臺。

圖2 浮筒+固定支架圖

浮筒+固定支架式漂浮平臺由高密度聚乙烯浮箱與金屬支架組合構成，下部采用高密度聚乙烯浮箱，浮箱上部架設金屬支架，支架上部固定光伏組件。

2 不同型式漂浮平臺對比分析

本文結合山東某地實際工程(項目所在地最佳傾角為30°，設計風速為30 m/s)，從平臺受荷、平臺占地面積、平臺造價三方面，對兩種平臺進行了分析。

2.1 不同型式漂浮平臺受風荷載對比

漂浮式平臺光伏組件布置具有其特殊性：組件較低一側離漂浮平臺距離小，前后排組件凈間距小，前后排組件間未形成封閉空間?，F有《建筑結構荷載規范》中缺乏對應的風荷載計算模式[2]。本節運用FLUENT建立三維有限元模型，對不同型式下漂浮平臺安裝組件后受風荷載作用的大小進行分析。

2.1.1 模型建立

分別對一體化浮筒平臺(小傾角安裝，12°)及浮筒+固定支架平臺(最佳傾角安裝，30°)進行了順風及逆風工況下的模擬，模擬陣列均為10行×9列。建模過程中，首先根據光伏組件在冬至日上午9點至下午3點不遮擋的原則計算組件凈間距，然后將平臺及組件模型進行拼裝，得出平臺的長、寬、高(含組件在豎直方向投影高度)尺寸。

計算域大小(風洞尺寸)采用如下原則確定[3-6]：順風向長度=30倍平臺高度+平臺順風向長度+30倍平臺高度；橫風向長度=10倍平臺高度+平臺橫風向長度+10倍平臺高度；計算域高度=15倍平臺高度。針對浮筒+固定支架平臺，由于本模擬側重點為大傾角模式下平臺及組件受風荷載大小分析，模型建立過程中不考慮鋼支架的作用。兩種漂浮平臺計算模型見圖3和圖4。

2.1.2 邊界條件

模擬中，假定平臺受風荷載作用后系泊系統處于張緊狀態，近似將水面按地面考慮。模型的入口邊界，采用速度入口邊界條件，根據《建筑結構荷載規范》及項目所在區域地形地貌，模擬中來流按荷載規范中的B類地面粗糙度剪切流考慮。模型的出口邊界，采用完全發展出流邊界條件。模型計算域的頂部和兩側，采用對稱邊界條件，等價于自由滑移的壁面。模型中平臺、組件及計算域底部，采用無滑移的壁面條件。湍流模型采用SST k-模型[7-8]。

圖3 一體化浮筒平臺模型圖

圖4 浮筒+固定支架平臺模型圖

2.1.3 模擬結果

基于前述模型建立及邊界條件設置，對四種工況(工況1：小傾角安裝，12°順風；工況2：小傾角安裝，12°逆風；工況3：大傾角安裝，30°順風；工況4：大傾角安裝，30°逆風；)進行了風荷載模擬。模擬示意如圖5，圖5中組件排數編號依風的來流方向依次遞增，從第1排至第10排，組件列數編號依東西方向自東向西依次遞增，從第1列至第9列。

圖5 模擬示意圖

根據模擬風流分布圖：平臺邊緣風速增大明顯；按30°布置時，平臺內組件周圍有明顯的風旋渦作用，而在12°布置時除邊緣組件外，其余區域未出現旋渦現象。

通過提取各組件受到的水平方向風荷載作用力，如圖6～圖9所示，可得到各種工況下組件受風荷載的特點：

1)各種工況下，漂浮平臺上組件受到的風荷載作用均有遮擋效應，即第1排組件受到的風荷載較大，后續各排組件受到的風荷載先減小后增大；且逆風工況時，平臺上第1排組件的遮擋效應強于順風工況；

2)各種情況下，漂浮平臺上邊緣組件受到的風荷載較中間大，且荷載增加幅度較中間大；

3)一體化浮筒上小傾角布置的首尾兩排組件受到的風荷載遠小于浮筒+固定支架平臺上按最佳傾角布置的組件受到的風荷載，根據統計，順風工況時，組件按30°布置時，第1排組件受到的平均風荷載作用為按12°布置時的8.1倍，第10排組件受到的平均風荷載作用為按12°布置時的2.2倍；逆風工況時，組件按30°布置時，第1排組件受到的平均風荷載作用為組件按12°布置時的2.9倍，第10排組件平均受風荷載作用為組件按12°布置時的2.0倍。

圖6 工況1 (12°順風)

圖7 工況2 (12°逆風)

圖8 工況3 (30°順風)

圖9 工況4 (30°逆風)

2.2 占地面積分析

太陽能陣列必須考慮前、后排的陰影遮擋問題，并通過計算確定陣列間的距離或陣列與建筑物的距離。一般確定原則為：冬至日當天早晨9:00至下午15:00(真太陽時)的時間段內，太陽電池陣列不應被遮擋。計算公式如下：

光伏陣列間距或可能遮擋物與陣列底邊的垂直距離應不小于D：

(1)

式中：D為遮擋物與陣列的間距，m；H為遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差，m；φ為當地緯度，deg；A為太陽方位角，deg；δ為太陽赤緯角，deg；ω為時角，deg。

根據計算，當采用一體化浮筒平臺，組件安裝傾角為12°時，組件之間凈間距需不小于0.465 m，而采用浮筒+固定支架漂浮平臺，組件安裝傾角30°時，組件之間凈間距需不小于1.115 m。

考慮組件在水平面投影后，當采用一體化浮筒平臺，組件安裝傾角為12°時，一塊組件在南北方向所需長度D=0.97 m(投影長度)+0.465 m=1.435 m，當采用浮筒+固定支架漂浮平臺，組件安裝傾角為30°時，一塊組件在南北方向所需長度D=0.86 m(投影長度)+1.115 m=1.975 m。由于組件在東西方向投影長度為組件本身長度L，即一塊組件所占投影面積A=L×D。根據前述計算可知，考慮單元方陣按1 MW布置(忽略相鄰平臺間隔)時，采用浮筒+固定支架漂浮平臺且組件安裝傾角為30°時，所需水域面積為采用一體化浮筒平臺且組件安裝傾角為12°時的1.376倍,占用水域面積明顯增加。

2.3 平臺造價分析

漂浮式光伏發電系統漂浮平臺造價是影響漂浮平臺選型的重要因素。本節結合市場調研及實際計算對不同型式漂浮平臺造價進行對比分析。一體化浮筒平臺與浮筒+固定支架平臺在造價上的差異主要體現在以下幾個方面：浮筒數量、錨樁數量、占地面積、支架重量。

根據山東某漂浮式光伏電站實際實施情況，針對一體化浮筒平臺，采用容量440 W的光伏組件時，1 MW單元方陣需組件浮筒約2 280個、過道浮筒(含集電線路浮筒)約2 508個、逆變器和匯流箱浮筒約80個，錨樁約300 m，占地面積約20畝，考慮連接螺栓等緊固件后，折合成每瓦單位造價約1.000元。針對浮筒+固定支架平臺，經過對固定支架進行截面選型和強度校核，采用容量440 W的光伏組件時，1 MW單元方陣需固定支架約61.7 t(含連接件及緊固件)，需要標準浮筒5 372個(單個面積0.5 m2)，錨樁約600 m，占地面積約27畝，折合成每瓦單位造價約1.397元。不同型式漂浮平臺價格對比見表1。由表1可見，一體化浮筒平臺在造價上相對浮筒+固定支架平臺具有一定優勢。

3 結 語

本文介紹了一體化浮筒平臺和浮筒+固定支架平臺，結合實際項目，從平臺受荷、平臺占地面積、平臺造價三方面進行了對比分析：

1)兩種平臺在同等風速作用下，漂浮平臺上組件受到的風荷載作用均有遮擋效應，且逆風工況時，平臺上第1排組件的遮擋效應強于順風工況。一體化浮筒上小傾角布置的首尾兩排組件受到的風荷載遠小于浮筒+固定支架平臺上按最佳傾角布置的組件受到的風荷載。

表1 不同漂浮平臺造價對比表

注：①2020年2季度價格為基準；②價格包含緊固件，不含安裝等費用；③租地價格為項目地價格，500(元/畝·年)。

2)一體化浮筒平臺較浮筒+固定支架平臺占地面積小，在緯度30°地區，占地面積可節約37%左右。

3)一體化浮筒平臺型式簡單，造價受風等外荷載影響較小。而浮筒+固定支架平臺，需要根據不同環境計算固定支架，且固定支架用鋼量較常規電站偏高。相比較，一體化浮筒平臺在造價上相對浮筒+固定支架平臺具有一定優勢。