資源集約化條件下水面漂浮式光伏發電系統的研究及應用

詹永和，余智珩，劉蕭何

(江西恒能電力工程有限公司，南昌 330001)

0 引言

過去，中國的光伏電站主要建設在青海省、新疆維吾爾自治區、甘肅省等西北地區，雖然這些地區擁有大量可利用的土地資源且光照資源充足，但這些地區的基礎電力設施落后、工業產能不高。隨著新能源市場的大力發展，新能源裝機容量遠超當地用電最大負荷，而外送通道的建設并未及時跟上，造成了西北地區存在嚴重的“棄光”現象[1]。中國用電負荷中心基本位于華北、華中、華東、華南等地區，此類地區經濟發達，但土地資源相對短缺，可供光伏電站建設的用地量稀少，大多數光伏發電項目類型為山地光伏發電項目。而山地光伏發電項目的土地利用率較低、施工難度大、光伏發電系統效率低、建設成本較高，并且這些地區可用于建設山地光伏電站的土地資源也不充裕。

針對上述問題，水面漂浮式光伏發電技術應運而生。但早期建設的許多水面光伏電站受制于特定時段的技術、思想局限性等因素，存在著土地利用率低的問題。通過利用早期水面光伏電站的“邊角余料”(即光伏方陣區域未利用的、剩余的水面)來實施水面漂浮式光伏發電的技術改造方案，將大幅提高土地利用率，并增加水面光伏電站收益。針對資源集約化條件下的水面漂浮式光伏發電系統，本文以利用泰和20 MW漁光互補光伏電站中魚塘水面的剩余空間增補400 kW水面漂浮式光伏發電系統為例，從光伏組件布置、系統結構設計、建設成本等要點出發，對新增光伏發電系統分別采用水面漂浮式光伏發電系統和傳統漁光互補光伏發電系統這兩種方案的建設結果進行對比分析，可為今后類似工程的設計提供參考。

1 項目概述

泰和20 MW漁光互補光伏電站位于江西省吉安市泰和縣萬合鎮前進農場，地理坐標為26.928°N、115.029°E。該項目場地全部為魚塘，總占地面積約600畝(1畝≈666.67 m2)；項目采用固定式光伏支架，支架基礎采用預應力PHC管樁，支架設計的最佳傾角為20°。

該漁光互補光伏電站已于2017年完成全部建設且并網發電，但鑒于當時的產品功能、設計思路等局限性，項目一期600多畝的水面只建設了20 MW的光伏發電單元，土地利用率較低，且一期建設時預留的捕魚通道過寬(寬約65 m)。因此，針對泰和20 MW漁光互補光伏電站進行技術改造，主要考慮在此捕魚通道內新增400 kW水面漂浮式光伏發電系統。

該漁光互補光伏電站所在地的衛星圖片如圖1所示，圖中紅線范圍內為本期技術改造安裝水面漂浮式光伏發電系統的范圍。

圖1 本漁光互補光伏電站所在地的衛星圖片Fig. 1 Satellite image of location of fishery-PV complementary power station

2 不同方案的對比分析

對新增光伏發電系統分別采用水面漂浮式光伏發電系統和傳統漁光互補光伏發電系統這兩種不同方案時的光伏組件布置方式、系統結構設計、建設成本進行對比分析。

2.1 光伏組件布置分析

泰和20 MW漁光互補光伏電站一期項目采用320 Wp的多晶硅光伏組件，尺寸為1956 mm×992 mm×35 mm，光伏組件安裝傾角為 20°；新增水面漂浮式光伏發電系統采用440 Wp的疊瓦光伏組件和220 Wp疊瓦光伏組件，尺寸分別為3560 mm×652 mm×35 mm 和 2115 mm×992 mm×35 mm；光伏組件安裝傾角為 12°。

400 kW水面漂浮式光伏發電系統標準排布方式及400 kW傳統漁光互補光伏發電系統的標準排布方式分別如圖2、圖3所示。

圖2 400 kW水面漂浮式光伏發電系統的標準排布方式Fig. 2 Standard layout of 400 kW floating PV power generation system

圖3 400 kW傳統漁光互補光伏發電系統的標準排布方式Fig. 3 Standard layout of 400 kW traditional fishery-PV complementary power generation system

整個400 kW水面漂浮式光伏發電系統主要由浮體系統、光伏組件、錨固系統等組成，整個發電系統東西寬約32 m、南北長約130 m，放置在一期項目預留的65 m寬的捕魚通道內時空間充裕，不影響捕魚通道的正常使用。

在同等氣象及地理位置條件下，水面漂浮式光伏發電系統的占地面積應大于傳統的漁光互補光伏發電系統的占地面積，但本項目設計不予考慮。在不考慮其他外在因素的影響(即理想狀態)下，本項目新增的水面漂浮式光伏發電系統的占地面積與一期傳統漁光互補光伏發電系統的占地面積基本保持一致。理想情況下不同類型標準光伏發電系統的占地面積如表1所示。

表1 理想情況下不同類型標準光伏發電系統的占地面積Table 1 Floor area of different types of standard PV power generation systems under ideal condition

在實際項目中，對原有水面光伏發電系統增加新的水面漂浮式光伏發電系統時，光伏方陣的布置會受到諸多場地環境因素的影響，具體如表2所示。

表2 場地環境因素對不同類型光伏發電系統布置的影響Table 2 Influence of site environmental factors on the layout of different types of PV power generation systems

根據以上分析可以判斷，本項目新增400 kW光伏發電系統的技術改造方案選用漂浮式光伏發電方案，在土地利用、施工條件等外部因素方面均具有優勢。

2.2 不同方案下的系統結構設計分析

水面漂浮式光伏發電系統的浮體系統主要由光伏組件固定支架、主浮體、過道浮體等組成。浮體材質選用高密度聚乙烯，通過吹塑工藝成型，主浮體用于支撐光伏組件，過道浮體用于浮體連接、電纜槽盒鋪設，以及作為運維通道等。錨固系統起到固定作用，用于保證水面漂浮式光伏發電系統在恒荷載、風荷載、雪荷載、水流、波浪等多種荷載組合下穩定運行[2]。錨固系統主要由錨繩、樁錨(或沉重錨塊)等組成，通過錨繩將浮體與錨固件相連，并且具備一定的伸長空間以應對水位變化。

傳統漁光互補光伏發電系統的支撐系統是由固定式光伏支架和樁基組成。其中，光伏支架包括檁條、斜梁、斜撐和立柱等。光伏組件通過螺栓或壓塊連接檁條，荷載通過“光伏組件—檁條—斜梁—斜撐—立柱”進行傳遞，斜撐與立柱之間通過抱箍與預制樁進行連接。

對兩種方案下的系統結構形式進行比較后可以發現，水面漂浮式光伏發電系統的結構靈活性較好，而傳統漁光互補光伏發電系統的結構在安全可靠性方面具有優勢。

經過近幾年的發展，水面漂浮式光伏發電系統演變出了幾種不同類型，對目前市場上主流的不同結構形式的水面漂浮式光伏發電系統進行對比分析，具體如表3所示。

根據表3的對比分析，針對本研究項目所在地的情況，采用浮箱一體化結構形式時的防風、防浪能力強，安裝完成后光伏組件的可靠性極高；施工方式更安全便捷；可節約占地面積。綜上所述，新增的400 kW水面漂浮式光伏發電系統采用浮箱一體化結構形式為最優技術方案。

表3 不同結構形式的水面漂浮式光伏發電系統的對比分析Table 3 Comparison and analysis of floating PV power generation systems with different structures

由于新增400 kW水面漂浮式光伏發電系統的性質為技術改造，因此其設計、施工應在不對原本設備造成影響的前提下進行。水面漂浮式光伏發電系統的錨固系統可采用樁錨或沉重錨塊，但若采用樁錨，則水面漂浮式光伏發電系統的結構形式將不具備施工便捷這一優勢，從而與傳統漁光互補光伏發電系統進行對比時的優勢不明顯，所以新增的水面漂浮式光伏發電系統采用沉重錨塊。該沉重錨塊采用C30的混凝土預制而成，通過運維船只運送到設計指定地點，再將其沉入水底。沉重錨塊與浮體之間通過錨繩連接，整個水面漂浮式光伏發電系統在東、南、西、北4個方向均布置了若干個沉重錨塊。因本項目位于魚塘內，水位的變化基本可由人工控制，因此水位的變化對水面漂浮式光伏發電系統的影響較小。

水面漂浮式光伏發電系統的光伏組件布置局部示意圖如圖4所示，錨固系統的錨塊位置示意圖如圖5所示，浮體系統實景圖如圖6所示。

圖4 水面漂浮式光伏發電系統的光伏組件布置局部示意圖Fig. 4 Partial schematic diagram of PV module layout of floating PV power generation system

圖5 錨固系統的錨塊位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of anchor block location of anchoring system

圖6 浮體系統實景圖Fig. 6 Photo of floating body system

2.3 不同方案下的建設成本分析

建設成本主要包括基礎材料費、基礎安裝費、設備成本、設備安裝費。由于兩種方案的設備安裝費差異不大，因此未進行詳細分析。

1)水面漂浮式光伏發電系統的基礎材料費主要由錨繩、沉重錨塊的混凝土和鋼筋的費用組成；傳統漁光互補光伏發電系統的基礎材料費主要為預制樁的費用。

2)水面漂浮式光伏發電系統的基礎安裝費主要由沉重錨的制作費用、安裝費用，以及混凝土抗壓試驗費用組成；傳統漁光互補光伏發電系統的基礎安裝費主要由預制樁施工費用、樁基檢測費用組成。安裝費均按照市場價進行計算。

3)水面漂浮式光伏發電系統的設備成本主要由浮體、光伏組件固定支架、線纜等的費用組成；傳統漁光互補光伏發電系統的設備成本主要由固定式光伏支架、線纜、線纜槽盒等的費用組成。

對兩種方案下的基礎材料費、基礎安裝費、設備成本進行對比分析可以發現：在基礎材料費和基礎安裝費方面，水面漂浮式光伏發電系統與傳統漁光互補光伏發電系統相比具有較大優勢；在設備成本方面，傳統漁光互補光伏發電系統與水面漂浮式光伏發電系統相比具有較大優勢。

建設成本分析時，本新增水面漂浮式光伏發電系統的浮箱一體化結構形式中的浮體和光伏組件固定支架的采購成本(包括基礎材料費、設備成本費)按照2020年時的市場價0.7元/W計算；錨固系統采購成本按照0.1元/W計算；兩種方案的光伏組件的采購成本相同，因此不計入對比計算。

裝機容量為400 kW時，兩種方案下系統的建設成本對比具體如表4所示。

表4 裝機容量為400 kW時，兩種方案下系統的建設成本對比Table 4 Comparison of construction cost of system under two schemes when installed capacity is 400 kW

通過表4可以看出：經過綜合對比，本項目新增的400 kW項目的技術改造方案采用水面漂浮式光伏發電系統比采用傳統漁光互補光伏發電系統可節約建設成本約40.03萬元。

400 kW水面漂浮式光伏發電系統完工后的實景圖如圖7所示。

圖7 400 kW水面漂浮式光伏發電系統完工后的實景圖Fig. 7 Photo of 400 kW floating PV power generation system after completion

光伏行業發展日趨成熟，隨著太陽電池尺寸為210 mm的光伏組件的推廣，水面漂浮式光伏發電系統的浮體成本也在不斷下降，因此水面漂浮式光伏發電系統在建設成本方面與傳統漁光互補光伏發電系統將進一步拉開距離。

3 水面漂浮式光伏發電系統的應用前景

2021年10月，國務院新聞辦公室發表了《中國應對氣候變化的政策與行動》白皮書，指出實現碳達峰、碳中和是中國深思熟慮作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾[3]。光伏發電作為低碳能源發電形式，是中國能源結構中的重要組成部分，無疑將成為實現碳達峰、碳中和的強勁引擎。目前，水面漂浮式光伏發電技術已日趨成熟，在安徽省淮南市、山東省德州市等地均建設有百兆瓦級別的大型水面漂浮式光伏電站。

新建光伏電站日趨增多，而老舊的光伏電站同樣潛力巨大。截至2018年底，全國具備技術改造空間的光伏電站裝機容量約為16.3 GW，其中包含部分水面光伏電站。過去的水面光伏電站基本上都采用“固定式光伏支架+預應力PHC管樁”的結構形式，對其進行增容改造的成本較高、施工難度較大，而水面漂浮式光伏發電系統的運用可以有效解決上述問題。

4 結論

本文針對泰和20 MW漁光互補光伏電站進行技術改造，利用魚塘水面的剩余空間，增補了400 kW水面漂浮式光伏發電系統，從光伏組件布置、系統結構設計、建設成本分析3個方面對新增系統分別采用水面漂浮式光伏發電系統和傳統漁光互補光伏發電系統這兩種方案的建設結果進了行對比分析。結果表明：采用水面漂浮式光伏發電系統可減少建設成本，增加土地利用率。

在過去10多年的時間內，中國光伏產業蓬勃發展，目前部分光伏電站的運行時間已超過10年，巨大的光伏市場促進了光伏發電系統效率提升、系統成本下降，給技術改造創造了空間。隨著土地資源越發緊俏，水面光伏電站的技術改造將成為未來的一個新的經濟增長點，而水面漂浮式光伏發電技術的研究與應用將使這一目標成為可能。