中國近海風光同場用海方式下海上光伏發電的開發潛力分析

摘 要：2024年4月，國家主管部門下發首個國家級海上光伏發電用海政策，明確了支持核電溫排水區、鹽田鹽池、圍海養殖區、海上風光同場4類光伏發電用海方式。基于近海風光同場這一用海方式，首先分析了海上光伏發電的成本與經濟性，然后在對近海風能和太陽能資源的互補性進行分析的基礎上，對在近海已建風電場同場開發樁基固定式海上光伏發電項目的可行性和開發潛力進行了探討，并給出了相關建議。研究結果表明：1）近海海上光伏發電因具有緊鄰電力負荷中心、建設周期短、經濟性好等優勢，發展潛力巨大。2）中國近海的風能和太陽能資源豐富，從年數據和日數據來看，二者均具有較好的互補性，特別是風電可以在電力系統晚高峰時段發揮重要的支撐作用。3）在風光同場的實際工程開發建設時，應綜合考慮風電機組塔筒陰影遮擋和風電機組倒塔距離的雙重影響。4）經過估算，以江蘇省、山東省海域為例，與已建海上風電場同場建設海上光伏發電項目時，可用于海上光伏發電建設的面積約占該海上風電場外緣邊線包絡海域面積的45%～48%；浙江省以北海域近海，與已建海上風電場同場的樁基固定式海上光伏發電的潛在可開發總裝機容量約為11520萬kW，開發潛力巨大。開展風光同場研究有利于海洋空間多維度利用，拓展海上新能源開發建設的新路徑，并可有效解決中國中東部地區光伏用地稀缺的問題。

關鍵詞：海上光伏發電；風光同場；海上風電場；樁基固定式；開發潛力；系統設計；成本與經濟性

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

收稿日期：2024-07-30

通信作者：陳彬（1990—），男，碩士、工程師，主要從事新能源發電項目規劃與設計方面的研究。chenbin1233@163.com

0" 引言

在“雙碳”目標引領下，中國海上風電裝機容量持續快速增長。根據2024年中國電力企業聯合會發布的《中國電力行業年度發展報告2024》，截至2023 年12 月底，中國海上風電累計并網裝機容量達3729 萬kW，約占全國風電累計并網裝機容量的8.45%。在技術進步、主機價格和建設安裝成本下降，以及電網接入條件改善等多重因素推動下，海上風電的發展在經歷短暫的平價上網緩沖期后，重新展現出快速增長趨勢。根據行業公開信息統計，截至2023年12月底，中國在建的海上風電項目總裝機容量約為1200萬kW，規劃新增海上風電的總裝機容量約為6300萬kW，海上風電的發展潛力巨大。由于海上風電為點狀、線狀布置方式開發建設，前后兩排風電機組之間沿主風向約有1～3 km的風速恢復帶，而此處海域未得到充分利用，不利于海洋資源的高效開發和海洋經濟的高質量發展。因此，應該實施立體分層開發，充分發揮“海上風電+”融合發展的經濟效益和社會效益。

另外，中國中東部地區的新能源開發建設普遍存在“用地荒”的現象。而與陸地光伏發電相比，海上光伏發電具有單位千瓦裝機容量用地面積少、可利用海域面積廣闊、水面開闊無遮擋、日照時間長、空氣清潔度高、靠近中國用電負荷中心便于消納等優勢。近年來，海上光伏發電作為一種全新的海洋能源利用和資源開發方式，受到了業內的廣泛關注，發展潛力巨大。從各省公布的海上光伏發電發展規劃統計得出，近期（至2025年）、中期（至2030年）、遠期（至2035年）中國海上光伏發電新增裝機容量將分別達到4100萬、5000萬、6400萬kW，其中以山東省、江蘇省、福建省和廣東省規劃的新增裝機容量最大。目前，在已建成的集中式海上光伏發電項目中：浙江省象山縣長大涂灘涂光伏發電項目、溫州市泰瀚550 MW漁光互補發電項目為大型商業化項目，均位于沿海灘涂地區；龍港海上光伏發電項目試驗區工程、山東文登HG32場址海上光伏發電實證項目為試驗工程，均為離網發電且規模較小；煙臺招遠400 MW海上光伏發電項目（HG30）的首批工程于2024年7月2日并網，預計年底將全容量并網，可為中國非灘涂的海上光伏發電項目大規模建設和運維提供經驗。2024年4月，國家主管部門下發首個國家級海上光伏發電用海政策，明確了支持核電溫排水區、鹽田鹽池、圍海養殖區、海上風光同場4類光伏發電用海方式，而該政策勢必會影響各省發布的海上光伏發電規劃裝機容量，有必要重新評估新政策條件下海上光伏發電的開發潛力。

從工程角度來劃分，一般認為水深大于50 m的海域為深海，場區中心離岸距離大于70 km的海域為遠海[1]。本文基于近海海上風電的風光同場這一用海方式，首先分析海上光伏發電的成本與經濟性，然后在分析近海的風能和太陽能資源的互補性的基礎上，對在近海已建風電場同場開發樁基固定式海上光伏發電項目的可行性和開發潛力進行探討。

1" 海上光伏發電的成本與經濟性分析

1.1" 成本構成分析

根據支撐方式不同，海上光伏發電可以分為樁基固定式海上光伏發電項目[2]和漂浮式海上光伏發電項目[3]。其中，樁基固定式海上光伏發電項目的建設方案內容主要包括光伏組件、逆變器、箱變、海纜、支架、樁基礎、電纜橋架、檢修通道、升壓站和送出線路，以及儲能系統等。漂浮式海上光伏發電項目的建設方案內容與樁基固定式項目的區別在于其是利用浮體結構為上部設備提供浮力和支持，再通過系泊系統和錨固系統進行固定；根據當前小規模漂浮式海上光伏發電示范項目建設方案的造價水平，其投資成本約為樁基固定式項目建設方案的2～5倍。由于樁基固定式海上光伏發電的建設可借鑒水面光伏發電和海上風電的樁基建設經驗，且成本更低、可靠性更高，因此，近期規模化開發的海上光伏發電項目均為近海樁基固定式海上光伏發電項目。

在不同海域（例如：山東省、江蘇省、河北省的海域）條件下，水深在12 m以內的樁基固定式海上光伏發電項目，光伏發電區的單瓦靜態投資在3.52～4.13元/W范圍內，其中光伏組件的銷售價格為1.0元/W；再考慮升壓站和送出線路、電化學儲能系統等的費用后，整個樁基固定式海上光伏發電項目的單瓦靜態投資在4.84～5.85元/W范圍內。

某典型樁基固定式海上光伏發電項目的成本構成示意圖如圖1所示。圖中：海上工程結構指海上光伏發電區所有土建工程。以各省市燃煤發電基準價作為海上光伏發電上網電價這一標準進行測算，該海上光伏發電項目的資本金財務內部收益率在6%～10%之間，具有較好的盈利能力。

1.2" 與跨省跨區外送電的經濟性比較

根據《中國電力行業年度發展報告2024》，截至2023 年底，中國火電裝機容量達到139099萬kW；年發電量為62657億kWh，同比增長6.4%，占全國所有電源年總發電量的66.3%。火電是中國主力電源，發揮著電力系統保供托底的“壓艙石”作用，但其調峰能力普遍只有50%左右，需要通過靈活性改造使煤電機組的最小發電輸出功率降至30%額定負荷以下[4]。截至2023年底，中國存量煤電機組裝機容量約為11.6億kW，其中約有2～4億kW仍需改造[5]。若以改造后的煤電調峰支撐跨省跨區新能源電力外送，按照煤電機組裝機容量與新能源電源裝機容量配置比例為1：3來配置，最多可增加12億kW的新能源電源裝機容量，但距離“2030年前實現碳達峰情景下的風光發電總裝機容量高達24億kW”仍有一定的發展空間[6]，而在電力負荷中心附近海域開發建設海上光伏發電是彌補這一空缺的有效措施。

一直以來，“西電東送”是維持中國電力平衡的重要策略。以西部地區沙戈荒風光大基地和特高壓柔性直流輸電通道（輸電距離約為1500 km）的輸電方式為例，綜合考慮送端電源上網電價、調峰電源容量電價、直流輸電通道電價后，初步估算得到跨省跨區輸電通道受端（不含受端網內的輸配電價）的落地電價約為0.44元/kWh，與沿海地區的燃煤發電基準價相比，僅低于廣東省的燃煤發電基準價。同時，受火電、水電等調峰電源限制，以及跨省跨區輸電通道建設周期的影響，整個輸電通道滿功率送電的建設周期通常需要8～10年，難以滿足近期沿海省市經濟發展對綠電的需求。而近海海上光伏發電因緊鄰電力負荷中心、建設周期短、經濟性好等優勢，發展潛力巨大。

隨著海上光伏發電的大規模開發，將會帶動整個產業鏈的技術創新和進步；設備價格下降及海上工程技術的突破，將會使海上光伏發電項目的建設成本不斷降低；光伏組件光電轉換效率的提高及項目運營技術的提高，將會提升海上光伏發電項目的發電量，從而使項目的盈利能力進一步提升。預計樁基固定式海上光伏發電項目的開發方案最遠可以應用至水深為15 m左右的海域；另外，隨著漂浮式技術的發展，未來水深在15～50 m范圍內的海域將成為深水漂浮式海上光伏發電項目的發展藍海。

2" 風光同場的開發規模潛力分析

2.1" 并網海上風電的開發現狀

中國的海岸線長度達1.8萬km以上，有渤海、黃海、東海、南海4大海域，海洋資源非常豐富。截至2023年底，中國海上風電的累計并網裝機容量為3729萬kW，主要分布在江蘇省、廣東省、浙江省和山東省的省管海域，這些省份也是中國海上風電發展起步較早的省份，各省的占比情況如圖2所示。

根據并網海上風電項目所在海域的海洋水文條件，結合中國近海15 m水深等值線可以發現：渤海、黃海、東海（臺灣海峽以北）的近海的水深相對較淺，東海（臺灣海峽以南）及南海的近海的水深相對較深。其中，2021年底之前并網的海上風電項目，為滿足海上風電建設的“雙十”標準，大部分建設在水深10 m以外的海域，但基本仍在水深30 m的海域以內；2021年之后，并網的海上風電項目大多建設在水深30 m以外的海域。另外，廣東省并網海上風電的建設規模大，由于其沿海海域的水深較深，其并網海上風電項目基本建設在水深15 m以外的海域。

2.2" 近海風能和太陽能資源的互補性分析

受地理分布、季節變化、晝夜交替的影響，風能、太陽能資源的時空變化復雜，會直接影響風電、光伏發電的出力水平。在無太陽輻射的情況下，光伏發電不生產電力或輸出功率很小，特別是在陰雨天和夜晚，光伏發電的輸出功率基本為零。雖然風電的輸出功率波動比光伏發電的更大，但是風能在夜間也能持續轉換為電力，因此風電與光伏發電具有一定的互補性。基于此，風光同場展現出獨特的資源互補性。風電和光伏發電相結合的輸出功率比采用二者任意單一發電方式時的更大，可靠性更強，從而可以增強供電系統的穩定性。同時，根據項目所在地的風能和太陽能資源情況，可以對風光同場的風電項目與光伏發電項目的裝機容量配比進行優化，以實現資源與經濟的最優配置。

本文以中國各海域（每個海域選擇1～5個代表區域）近海的實測風速數據和Solargis數據庫中的太陽輻射數據為基礎，對風光同場的海上風能資源與太陽能資源的互補性進行分析。黃海和渤海近海、東海近海、南海近海的風速和太陽總輻射量的年變化及日變化曲線圖分別如圖3～圖8所示。圖中：“標幺值”代表風速或太陽輻射量的月平均值與月最大值的比值（或小時平均值與小時最大值的比值），為無量綱。

根據圖3、圖5、圖7的年變化曲線，按季節進行分析可以看出：1）黃海和渤海近海表現為冬季和春季風速大；東海和南海近海因臺風頻發，風速的季節性變化較大，通常秋季和冬季的風速較大。2）江蘇省南通市以北海域近海，廣西壯族自治區北海市、海南省樂東黎族自治縣所在的南海北部灣海域近海表現為春季和夏季的太陽總輻射量大；浙江省舟山市以南海域近海表現為夏季和秋季的太陽總輻射量大。3）整體而言，各海域近海的風能、太陽能資源在年內基本具有較好的互補性，特別是夏季和冬季的互補性更加明顯。

從圖4、圖6、圖8的日變化曲線可以看出：1）各海域近海的風速表現為上午至午間時段相對較小、下午至夜間時段相對較大的特點，風速峰值大部分出現在17：00至凌晨時段。2）各海域近海的太陽總輻射量均表現為午間大、白天其他時段小、夜間均為零的特點。3）整體而言，太陽總輻射量與風速具有非常明顯的互補性，與文獻[7]的研究結論一致，且風電可以在晚高峰時段發揮重要的電力系統支持作用。

2.3" 近海風光同場的開發潛力分析

筆者對已并網海上風電項目的數據進行統計得知：浙江省以北海域近海的并網海上風電項目（水深15 m以內）的累計裝機容量約為1450萬kW。根據樁基固定式海上光伏發電的發展趨勢，結合前文分析的近海風能和太陽能資源的互補性，考慮在水深15 m以內的已建海上風電場內建設海上光伏發電系統。

風光同場的海上光伏發電系統建設時，需要考慮風電機組塔筒會對光伏組件造成局部的陰影遮擋影響，導致光伏組件中的太陽電池發熱，產生“熱斑”效應[8]。當熱斑效應積累到一定程度后，會導致整個光伏組件損壞，進而嚴重影響海上光伏發電系統的整體發電量。另外，還需要考慮風電機組倒塔、甩冰等潛在安全風險。下文對風電機組塔筒的陰影遮擋和風電機組倒塔距離進行詳細分析，以評估與已建海上風電場同場的海上光伏發電的開發潛力。

2.3.1" 風電機組塔筒陰影遮擋的影響

選擇黃海海域的江蘇省南通市所轄近海、山東省青島市所轄近海（山東半島南）、遼寧省大連市所轄近海作為代表，計算在不同海域分別采用型號為WTG140m-4000kW-H95m的風電機組（下文簡稱為“4000 kW風電機組”）和型號為WTG230m-8500kW-H126m的風電機組（下文簡稱為“8500 kW風電機組”）時塔筒的陰影遮擋影響范圍。不同海域的風電機組塔筒陰影最大長度和垂直長度的分布示意圖分別如圖9～圖12所示，塔筒陰影長度與其高度的比值統計結果如表1所示。

從圖9～圖12和表1可以看出：1）從地理位置來看，相同高度的風電機組塔筒的陰影長度自南向北逐漸增大。2） 同一海域相同位置處，不同高度的風電機組塔筒的陰影長度與其高度的比值是一致的。

2.3.2nbsp; 風電機組倒塔距離的影響

從安全角度考慮，為了保障風電機組周邊的建（構）筑物、活動人員的安全，需要預留安全距離。風電機組倒塔距離L的經驗計算式為：

L=1.5（R+H）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：R為風輪半徑；H為輪轂高度。

經過計算可知：4000 kW風電機組的倒塔距離與塔筒高度的比值為2.61；8500 kW風電機組的倒塔距離與塔筒高度的比值為2.87。

通過對比可以看出：3個代表海域的風電機組塔筒陰影的最大長度均大于風電機組倒塔距離，風電機組塔筒陰影的最大垂直長度均小于或接近風電機組倒塔距離。因此，在實際工程建設中，應綜合考慮風電機組倒塔距離與塔筒陰影遮擋的雙重影響。

2.3.3" 與已建風電場同場的海上光伏發電開發潛力分析

基于前文分析結果，在線狀布置的已建海上風電場中建設海上光伏發電項目時，避讓距離設置為“風電機組倒塔距離+100 m的安全距離”、海底電纜兩側各避讓100 m。以江蘇省某已建海上風電場為例，其采用4000 kW風電機組，風光同場用海方式下，可用于海上光伏發電建設的面積約占該海上風電場外緣邊線包絡海域面積的48%；以山東省某已建海上風電場為例，其采用8500 kW風電機組，風光同場用海方式下，可用于海上光伏發電建設的面積約占該海上風電場外緣邊線包絡海域面積的45%，二者的示意圖如圖13所示。

單個海上風電場外緣邊線包絡海域面積原則上按照每10萬kW風電裝機容量控制在16 km2這一標準進行估算。1）在2021年底前并網的、浙江省以北海域近海的海上風電場（水深15 m以內）內同場建設海上光伏發電系統，其潛在可利用海域面積約為960 km2；按照單位平方千米可安裝10萬kW海上光伏發電裝機容量這一系數進行估算，得出海上光伏發電的潛在可開發裝機容量約為9600萬kW。2）在2021年后并網的、浙江省以北海域近海的海上風電場（水深15 m以內）內同場建設海上光伏發電系統，其潛在可利用海域面積約為192 km2，潛在可開發裝機容量約為1920萬kW。

綜上分析，浙江省以北海域近海，與已建海上風電場同場的樁基固定式海上光伏發電的潛在可開發總裝機容量約為11520萬kW，開發潛力巨大。

3" 建議

在近海風光同場項目的建設中，需要創新開發思路，探索“海上風光同場+”多產業融合、海洋資源綜合利用、集約空間用海、海上光伏發電與海上風電共用輸電通道、海上光伏發電系統結構與海上風電系統結構的共生共用、海上風電與海上光伏發電協同運維等發展模式。通過對海上光伏發電項目的工程設計、施工、運維進行全生命周期的優化及發展產業協同，深度挖掘海上光伏發電的開發潛力，提升海上光伏發電項目的經濟性。

但是，在不影響已建海上風電場的發電量或對其發電量及安全影響最小的情況下，如何合理避讓或共用已建海上風電場的基礎設施（例如：基礎、海纜、升壓站、運維通道）、海上升壓站擴建的可行性、海上匯集與登陸后送出工程的征地、風光同場時不同開發業主的用海權屬，以及同場的風電、光伏發電項目在不同運行期后退役等相關問題需要更進一步的技術論證工作和配套政策支撐。

4" 結論

本文基于近海風光同場這一用海方式，首先分析了海上光伏發電的成本與經濟性，然后在對近海風能和太陽能資源的互補性進行分析的基礎上，對在近海已建風電場同場開發樁基固定式海上光伏發電項目的可行性和開發潛力進行了探討，并給出了相關建議。得出以下結論：

1）近海海上光伏發電因具有緊鄰電力負荷中心、建設周期短、經濟性好等優勢，發展潛力巨大。

2）中國近海的風能和太陽能資源，從年數據來看，二者具有較好的互補性，特別是夏季和冬季的互補性更加明顯；從日數據來看，二者具有非常明顯的互補性，特別是風電可以在電力系統晚高峰時段發揮重要的支撐作用。

3）在風光同場的實際工程開發建設時，應綜合考慮風電機組塔筒陰影遮擋和風電機組倒塔距離的雙重影響。黃海海域的江蘇省南通市所轄近海至黃海海域的遼寧省大連市所轄近海的風電機組塔筒陰影最大長度大于風電機組倒塔距離，風電機組塔筒的陰影最大垂直長度均小于或接近風電機組倒塔距離。

4）以江蘇省、山東省海域為例，與已建海上風電場同場建設海上光伏發電項目時，可用于海上光伏發電建設的面積約占該海上風電場外緣邊線包絡海域面積的45%～48%。經過估算得出，浙江省以北海域近海，與已建海上風電場同場的樁基固定式海上光伏發電的潛在可開發總裝機容量約為11520萬kW，開發潛力巨大。

目前中國尚無在建和已建近海風光同場項目，開展在已建海上風電場同場開發建設海上光伏發電的研究或示范項目，便于海洋空間多維度利用，拓展海上新能源開發建設的新路徑，且可有效解決中國中東部地區光伏用地稀缺的問題。利用已建成的海上風電場的電力通道余量、風電機組間的風速恢復帶，實現風光同場、風光同運和風光同送，為中國海上新能源的新場景、新應用開發探索新模式。

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ANALYSIS OF EXPLOITATION POTENTIAL OF OFFSHORE PV POWER GENERATION UNDER MODE OF WIND-PV

CONSTRUCTION ON THE SAME SITE IN CHINA'S

COASTAL AREAS

Li Pujian，Chen Bin，Hui Xing，Tian Weihui

（PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited，Xi'an 710065，China）

Abstract：In April 2024，the national regulatory authorities issued the first national level policy for offshore PV power generation using the sea，clarifying the support for four types of PV power generation using sea methods： nuclear power thermal drainage zones，salt fields and salt ponds，mariculture zones，offshore wind-PV construction on the same site. Based on the mode of wind-PV construction on the same site，the cost and economy of offshore PV power generation are first analyzed. Then，based on the analysis of the complementarity of wind energy and solar energy resources in the offshore area，the feasibility and development potential of developing pile-based fixed offshore PV power generation projects in the same field as existing offshore wind farms are discussed，and relevant suggestions are given. The research results show that： 1） Offshore PV power generation has enormous development potential due to its proximity to power load centers，short construction period，and good economic viability. 2） China's offshore wind energy and solar energy resources are abundant. From annual and daily data，both have good complementarity，especially wind power can play an important supporting role in the evening peak period of the power system. 3） In the actual engineering development and construction of wind-PV construction on the same site，the dual effects of wind turbine tower shadow occlusion and wind turbine tower overturning distance should be comprehensively considered. 4） After estimation，taking the sea areas of Jiangsu Province and Shandong Province as examples，when constructing offshore PV power generation projects on the same site as existing offshore wind farms，the area available for offshore PV power generation construction accounts for about 45%～48% of the surrounding sea area of the outer edge of the offshore wind farm. The potential exploitable total installed capacity of pile-based fixed offshore PV power generation in the waters north of Zhejiang Province，which is located on the same site as the existing offshore wind farm，is approximately 115.2 GW，with enormous development potential. Conducting research on the wind-PV construction on the same site is beneficial for the multi-dimensional utilization of marine space，expanding new paths for the development and construction of offshore new energy，and effectively solving the problem of scarce PV land in the central and eastern regions of China.

Keywords：offshore PV power generation；wind-PV construction on the same site；offshore wind farms；pile-based fixed；exploitation potential；system design；cost and economy