南港冰期海上漂浮式光伏技術試驗研究

王 森，秦宏偉，高鵬斌，徐 偉

（1.中石化新星（天津）新能源有限公司，天津 300450；2.天津理工大學海洋能源與智能建設研究院，天津 300384；3.海域海島環境科技研究院（天津）有限公司，天津 301899）

自“雙碳”目標構建以新能源為主的新型電力系統的理念明確以來，發展以光伏為代表的新能源成為《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》的重要內容[1]。隨著陸上光伏裝機容量的持續增長，土地資源和相關政策的限制正在成為制約光伏規模化發展的關鍵因素[2]。近年來，研究者們開始把目光轉向更為廣闊的水域空間，海上漂浮式光伏開始迅速進入人們的視野并逐漸成為研究熱點。

我國海域面積寬廣，海上日照充足且無遮擋，布局光伏有天然的環境優勢，海上漂浮式光伏成為新能源發展的新戰場[3]。海上漂浮式光伏技術釋放了土地資源，減少了水量蒸發，水體還可以幫助光伏組件“降溫”并顯著提高發電效率[4]。RAVICHANDRAN N 等[5]研究分析了馬爾代夫群島離岸漂浮式光伏系統的電氣性能，發現與地面式系統相比，海上漂浮式光伏系統的年發電量增加了約14%。此外，GOLROODBARI S Z M 等[6]指出了海上漂浮式光伏與現有風電場結合的可行性，研究表明海上漂浮式光伏系統和風電場的結合在技術和經濟上都是有益的。雖然海上漂浮式光伏存在發展潛力，但由于系統長時間暴露在波浪、風負荷、鹽度和水生物種中，其生命周期和能源生產效率也會受到影響[7]。曾杰等[8]針對海上漂浮式光伏中的浮式基礎展開研究分析，用于指導其在具體應用中的設計和制造，并通過有限元分析等手段探究如何保證浮式基礎在不同風浪載荷下的動態穩定性[9]。常穎等[10]研究海上漂浮式光伏發電系統性能與季節變化的關系，初步表明海上漂浮式光伏發電系統的發電效率比陸上光伏發電系統的發電效率更高，但漂浮式發電系統的發電效率呈現季節性變化。針對我國東北寒冷地區內陸湖泊水面，設計人員在光伏組件方位角和傾角的選擇、浮體型式和錨固系統等方面都做出了探索和嘗試，初步解決了寒區內陸湖泊水面漂浮式光伏的幾個關鍵技術問題[11]。隨著圍堰施工等技術方案的改進和提升，我國水上光伏開發重點從水庫、湖泊轉向海洋。目前已建成的海上光伏大多分布在冬季不結冰的南方，北方水上項目雖然結冰，但都建于內湖，海洋水文環境不同于內湖，海上光伏技術亟待進一步探索研究與實踐。

以上內容表明了海上漂浮式光伏發展的巨大潛力和技術上的可行性，但事實上其面對的主要難題應該是能否市場化、規模化，以及適應海洋環境。從我國當前的技術研發水平來看，海上漂浮式光伏正處于可以開展試驗示范的“科研+工程”發展階段，本文將利用在天津南港開展的漂浮式光伏試驗，探索北方結冰海域建設海上漂浮式光伏發電系統的技術可行性。

1 材料與方法

1.1 研究內容

研究內容包含以下4 個方面：淤優化集裝箱浮式防波堤結構設計，通過冰期試驗，研究海洋環境下冬季結冰流凌和開春解凍流凌對防波堤的影響；于優化光伏方陣結構設計，通過冰期試驗，研究海洋環境下冬季結冰流凌和開春解凍流凌對光伏方陣的影響；盂優化錨固設計，確定光伏方陣與防波堤的漂移量是否在設計范圍內；榆選取不同材料，研究光伏支架及配件在海洋環境下的抗腐蝕情況。

1.2 海上光伏設計與計算

（1）風速選取

根據《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）和《港口工程荷載規范》（JTS144—1—2010）可知，天津地區50 年一遇風壓為0.5 kN/m2，其中，天津塘沽地區50 年一遇風壓為0.55 kN/m2。參照水文氣象站收集的資料，天津地區在1972 年有過一次臺風過境，臺風登陸時實測強度為8耀9 級熱帶風暴，1992 年經歷9216 號熱帶風暴，黃海北部、山東半島、渤海中西部出現8耀9 級、陣風11 級的大風，根據綜合數據對比，11 級陣風風速范圍為28.5耀32.6 m/s，以高值作為設計輸入，風速校核數據采用32.6 m/s。

（2）浪高選取

以最大允許浪高1 m 作為設計輸入值。

（3）流速選取

按照設計極限值1 m/s 作為設計輸入。

1.2.1 光伏方陣及組件信息

光伏方陣單元按照303.16 kW 設計，組件由同等重量的復合木板替代，光伏方陣的詳細信息見表1。此處定義東西一行組件為“一排”，南北一行組件為“一列”。光伏方陣總排布圖包含設備浮體、光伏組件與支架、組件承載浮體、走道浮體、輔助小浮體等，方陣局部三維示意圖如圖1 所示。

圖1 局部方陣三維示意圖

表1 光伏方陣詳細信息

1.2.2 流載荷計算

流載荷的計算是基于一個3 MW 的標準光伏方陣進行的。流載荷系數綜合考慮了浮體水面以下部分的形狀和遮蔽效應，單元光伏方陣的流載荷可以通過式（1）計算得到。

式中，Fcurrent為流載荷；C肄為流載荷系數；籽為水的密度；v 為流速；S 為特征面積。流載荷系數如表2 所示，單元光伏方陣的流載荷計算結果如表3所示。

表2 流載荷系數

表3 單元光伏方陣流載荷計算結果

1.2.3 波浪載荷計算

一般情況，波浪載荷在前4耀10 排時收斂，具體排數取決于波浪周期大小，即當光伏方陣排數增加到一定數量時，光伏方陣整體的波浪載荷不再隨排數的增加而增加。最大波浪載荷出現在南或北浪向，而最小波浪載荷出現在東或西浪向。按照浪高極限值1 m 計算單元光伏方陣總波浪載荷，如式（2）所示。

式中，F0為單位波幅，即浪高1 m 時的波浪載荷；Hmax為最大波高。由水動力軟件計算求得，結果見表4。

表4 單位波幅下波浪載荷計算結果

根據式（2）計算得到光伏方陣在1 m 波高下總波浪載荷結果如表5 所示。

表5 單元光伏方陣總波浪載荷計算結果

1.2.4 總環境載荷

將上述風、浪、流環境載荷進行疊加，最終得到總環境載荷，如表6 所示。

表6 總環境載荷

1.2.5 錨固系統設計

錨固系統主要由錨塊、錨固纜繩、錨固桁架、浮體等組成，具體布置如圖2 所示。系統共有120個錨點，錨點距懸掛點水平距離為9 m，最大水深6 m（水位落差4.37 m），纜繩長度為13 m。

圖2 錨固系統示意圖

纜繩長度是按照最高水位錨點至懸掛點距離設計的，光伏方陣最大漂移發生在最低水位時，若最大水深H=6 m，最低水深h=1.63 m，系泊半徑D=9 m，錨繩長度L =13 m，則最大漂移距離d =而光伏方陣距離錨塊水平距離為9 m，遠大于漂移距離，因此光伏方陣不會碰撞到錨塊。光伏方陣漂移距離如圖3 所示。

圖3 光伏方陣漂移距離示意圖

由前面計算結果可以得到漂浮光伏方陣承受極端環境載荷在5 個方位角（0毅、45毅、90毅，135毅、180毅）下x 和y 方向的投影載荷，環境載荷作用下南北與東西側錨固懸掛點水平力見表7。

表7 錨固懸掛點水平力計算結果

由計算可知，180毅工況對應南北側錨繩水平力最大，數值為6.144 kN，此時對應的錨繩最大張力90毅工況對應東西側錨繩水平力最大，數值為3.628 kN，此時對應的錨繩最大張力浮體抱耳強度最大不超過12 kN，因此能滿足設計要求。

1.3 集裝箱式漂浮防波堤結構

防波堤形式分為固定式和漂浮式兩種，固定式防波堤對水底土層結構有一定破壞且難以拆除，對水動力也有較大影響，故使用浮式防波堤。漂浮光伏方陣設置在圍堰內西北側，在方陣南側及東側設置防波堤，對方陣進行保護，防波堤長85 m，寬58.5 m，東南護角長度6.1 m。防波堤主體結構為集裝箱拼接結構，由多個消浪子單元串聯而成，子單元由集裝箱和錨固系統組成，集裝箱經過改裝、防冰、防腐處理。集裝箱式漂浮防波堤單元結構斷面及平面圖如圖4 所示。

圖4 集裝箱式漂浮防波堤單元結構斷面及平面圖

根據消浪原理可知，浮式消浪堤消波效果主要取決于浮箱的擋水面積和堤寬與波長的比值。浮堤的入水深度越深，浮體對波浪的反射作用越大，透射系數越小。防波堤堤寬越大，干擾其附近水體的區域越大，消浪效果越好，如圖5 所示。集裝箱經過結構改裝、防冰和防腐處理，內部填充浮體，沿防波堤長度方向將每個浮體單元用錨鏈首尾連接，最終形成一道浮式防波堤。

圖5 消浪原理

浮體利用錨鏈與海底重力錨塊體連接，每個浮體在其迎浪測和背浪測各布置2 根錨鏈，因要保證集裝箱浮式防波堤的漂移量在安全范圍，故每根錨鏈采用雙鏈形式，選用30 mm 高強度聚乙烯繩及AM2 級有檔錨鏈，錨鏈材質牌號為CM690。錨塊采用重力錨，錨塊重量10 t。

1.4 試驗地址

為驗證冰期海上漂浮式光伏正常運行的可行性，根據近50 年來天津濱海天氣與海洋環境信息，選擇在天津南港開展冰期海上光伏試驗。

如圖6 所示，該先導試驗項目的東側和南側分別建設了防波堤作為圍堰，在東南處有一處長約2 000 m 的圍堰入口。

圖6 波浪強度分區圖

為了達到試驗目的，試驗應選址在風浪較大位置。A 區處在強浪區，所受風浪最大，且A 區距離圍堰入口最遠，風生浪最大。故試驗選址設置在圍堰西北側A 區，試驗位置示意圖如圖7 所示。

圖7 試驗位置示意圖

2 結果與分析

試驗設計光伏方陣容量303.16 kW，占海面積5 032 m2。試驗周期3 個月（2021 年12 月中旬至2022 年3 月中旬）。試驗平面布置圖如圖8 所示，圖9 為無人機航拍試驗場景。

圖8 試驗平面布置圖

圖9 無人機航拍試驗場景

試驗整體情況良好，無歪斜損壞現象。組件表面無析出結晶的殘留物、浮體在冰期無破損、組件壓塊無松動、浮體抱耳無損傷，如圖10 所示。

圖10 光伏方陣整體情況

根據試驗現場提供的統計數據，最大風速9級，防波堤外浪高0.5 m，堤內0.2 m，平均消浪效果達到60%，防波堤消浪效果符合設計要求，能對海上光伏項目起到很好的保護作用。

經過數據統計分析發現，防波堤內海水存在冰凍現象10 天，冰凍厚度最厚為20 mm，防波堤內浮冰大多由防波堤外漂浮而來；浮冰對方陣未構成損害，不影響方陣正常運行。浮體表面存在冰凍現象19 天，浮體表面結冰最厚為20 mm，浮體表面冰凍物狀態多為顆粒狀小冰層。通過觀察分析防波堤內海冰情況（圖11）、浮體表面結冰厚度（圖12）和海上光伏先導試驗運行情況（圖13），可以看出光伏方陣在試驗周期內保持安全運行。

圖11 防波堤內結冰情況

圖12 浮體表面結冰厚度與天數

圖13 防波堤內外對比圖

試驗錨固半徑9 m，使用的纜繩長度為13 m，理論上的單側最大偏移量均為4.5 m，即單點存在最大9 m 的偏移量。根據現場每天漲落潮記錄的方陣四角坐標，用地圖軟件繪制方陣位置并計算漂移量，得出最大偏移量均不超過9 m，基本處在6耀7 m 范圍內。因此，錨固系統設計是有效的，方陣位移在可控范圍內，錨固系統能夠有效固定光伏方陣，如圖14 所示。

圖14 方陣位移分析

試驗著重驗證了304 不銹鋼在海洋環境中的腐蝕現象，與之做對比的是設計采用的316 不銹鋼（浮體廠家定制），以及高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）塑料連接螺栓（與浮體同材質，食品級）。現場發現304 不銹鋼普遍存在銹蝕現象，316 不銹鋼未發現銹蝕；受潮汐及海浪影響，金屬螺栓（304 不銹鋼、316 不銹鋼） 個別脫落，部分螺栓松動，通過螺栓上部齒紋余量，判斷一是螺栓未擰緊；二是設計存在缺陷所致。驗證結論為海上光伏項目設計時需采用抗腐蝕性能好的連接螺栓，HDPE 連接螺栓比金屬螺栓具有更好的穩定性。316 不銹鋼連接螺栓、304 不銹鋼連接螺栓如圖15 和圖16 所示。

圖15 316 不銹鋼連接螺栓

圖16 304 不銹鋼連接螺栓

3 結 論

本次試驗采集到海洋環境影響因素的相關數據，并對數據進行整理分析，得出以下結論：淤建設防波堤是必要的，防波堤的消浪效果能對海上光伏起到很好的保護作用；于錨固系統能夠有效固定光伏方陣，使方陣位移在可控范圍內；盂316 不銹鋼連接螺栓能夠更好地抵抗海上高鹽霧環境的影響；塑料螺栓不僅抗腐蝕，而且具有更好的穩定性。本試驗結果證明了在我國北方建設海上漂浮式光伏發電系統是可行的，對優化冰期海上漂浮式光伏發電技術方案具有重要的借鑒意義。