海洋漂浮式光伏發電系統的發電成本降低方式分析

摘 要：海洋漂浮式光伏發電作為漂浮式光伏發電新的發展方向，對全球可再生能源發展具有推動作用，引起了全球眾多研究者的關注。目前，海洋漂浮式光伏發電仍處于發展階段，存在發電成本高、輸出功率不穩定等問題，難以實現大規模發展，因此，其僅占據新能源發電市場很小份額。從多源共生、產業聯動、部件功能優化3個方面出發，對降低海洋漂浮式光伏發電系統發電成本的方式進行了分析，并對其未來發展進行了展望。由于目前海洋漂浮式光伏發電系統尚缺乏統一的標準和規范，中國政府應加強相關政策的制定和產業規劃布局，通過協調企業間合作，推進市場培養，打造完整產業鏈，構建良性市場競爭環境。同時，相關研發機構也應加快推進海洋漂浮式光伏發電技術的研究，解決當前存在的發電成本高、能量損耗嚴重、電能供應不穩定等問題，推動海洋漂浮式光伏發電向大規模、大輸出功率的方向發展。

關鍵詞：海洋漂浮式光伏發電系統；光伏組件；發電成本；降本

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著電力需求的逐步增加和化石能源的日益枯竭，人類社會急需發展清潔的可再生能源[1-3]。太陽能作為一種分布廣泛、清潔的可再生能源，是人類目前直接和間接應用最廣泛的自然資源。光伏發電是太陽能的一種重要利用形式，其利用太陽電池的光生伏特效應將太陽能直接轉化為電能，是目前應用最廣泛的太陽能發電技術[4]。中國的水上漂浮式光伏發電項目起步于2016年。自“領跑者計劃”及“十三五”規劃出臺后，中國光伏電站的核心建設區域已從消納不足、限電嚴重的西部地區，轉向了人口及商業區密集、電力缺口較大的中部和東部地區[5]。其中，海洋漂浮式光伏發電憑借海面可利用面積大、日照資源穩定、土地利用沖突小、冷卻效果好等優勢脫穎而出，成為中國可再生能源發展戰略中的重要一環；且作為一種新型的光伏發電方式，一些國家已對其開展相關研究并投產了一定數量的項目。但由于海洋環境較為復雜、惡劣，導致此類光伏發電系統的建設成本較高，相應的發電成本也比陸上光伏發電系統的高。因此，如何在復雜、惡劣的海洋環境下提高海洋漂浮式光伏發電系統的經濟效益，降低其發電成本，成為光伏行業亟待解決的問題[6-8]。本文從多源共生、產業聯動、部件功能優化3個方面出發，對降低海洋漂浮式光伏發電系統發電成本的方式進行分析，為建設高效、低成本海洋漂浮式光伏發電系統提供新思路。

1" 多源共生

相較于陸上，海洋的天氣更加多變，且不可控，從長期來看具有不可預測性，從而影響了光伏發電系統的輸出功率，進而會影響其經濟效益。而多源共生方式是將其他發電方式與光伏發電相結合，在最大化利用可再生能源的同時，由于多種發電方式在共享基礎設施，降低了海洋漂浮式光伏發電系統的建設成本，最終使其發電成本也得到降低。目前，可與海洋漂浮式光伏發電相結合的發電方式主要有風電和波浪能發電。

1.1" 海洋漂浮式風光互補型電站

風電同樣存在輸出功率波動性大的問題，尤其是在氣象變化更為活躍的海洋，其受到的影響更大。目前，大部分大型海上風電場的風電機組間均有較大間隔，且通過分析海洋大部分區域的太陽輻照度-風速散點圖，發現太陽輻照度與風速之間呈弱負相關關系[9]，因此，在風電機組之間或附近鋪設海洋漂浮式光伏組件是一個很好的選擇。但由于需要同時輸送風電和光伏電力，因此需要對電纜進行改進，以便于輸送海洋漂浮式風光互補型電站產生的最大電力。采用風光互補型電站有助于降低輸出功率的波動性，可以最大限度利用可再生能源，提高風電機組和光伏發電系統的發電效率。對于海洋漂浮式風光互補型電站而言，風電機組和光伏發電系統可共享電纜、系泊系統、防風浪設施等其他基礎設施；雖然相較于任何單一發電方式而言，海洋漂浮式風光互補型電站的運維和建設成本都有所提高，但遠小于兩種發電方式獨立運行時的運維和建設成本之和。位于山東半島的某海洋漂浮式風光互補型電站照片如圖1所示。

可在海洋漂浮式風光互補型電站中可引入智能調控和能源管理技術，從而實現風光資源的合理利用，避免發生“棄電”“限電”情況；此外，還可采用人工智能算法預測電網的電力需求，以及風電系統、光伏發電系統的發電情況，從而實現實時優化海洋漂浮式風光互補型電站的運行策略，提高電站整體發電量。

1.2" 海洋漂浮式光浪互補型電站

目前，海洋漂浮式光伏發電技術的前沿研究之一是薄膜型漂浮式光伏發電技術，該技術正逐漸成熟，并已在部分光伏發電相關項目投產，應用該技術的項目俯拍圖如圖2所示。

早期的海洋薄膜型漂浮式光伏發電裝置采用了通過離散模塊梁單元模擬波浪得到的非線性形變結構；同時，該裝置采用的光伏組件可以折疊裝箱，便于運輸和布置。在上述設計基礎上，目前的海洋薄膜型漂浮式光伏發電裝置加裝了波浪能發電裝置，其在利用太陽輻射發電的同時，還可以通過波浪產生的機械能推動波浪能發電裝置發電。在此類海洋漂浮式光浪互補型電站中，通過合理設計和布局，可以使海洋薄膜型漂浮式光伏發電裝置實現雙重發電功效，提高整體發電量和能源利用率。廣義的波浪能發電方式有浮標式、挖孔式、壓差式、補貨式4種，海洋薄膜型漂浮式光伏發電裝置加裝的波浪能發電裝置采用的是浮標式波浪能發電方式。

漂浮平臺是海洋漂浮式光伏發電系統的重要組成部分之一，其主要任務是防風浪，而加裝了波浪能發電裝置的海洋薄膜型漂浮式光伏發電裝置將被動抵御風能、波浪能轉化為主動利用風能、波浪能進行發電，實現了在增加光伏發電系統發電量的同時降低發電成本的目的。

2" 產業聯動

海洋漂浮式光伏發電系統的一個重要特點就是易與其他產業相結合，充分發揮“光伏+”模式的優勢，可將海洋漂浮式光伏發電系統與水產養殖業、海洋環境工程、化學工業等進行深度結合，增加單位海域復用率，在提升海洋漂浮式光伏發電系統的發電量及提高經濟效益的同時，降低其發電成本[10]。

2.1" 與水產養殖業的結合

當前的水產養殖業大部分都引進了現代化技術和設備，導致其電力需求較大。電力的穩定供應在保障養殖場正常運轉、提高養殖效益等方面起著至關重要的作用。海水養殖業是水產養殖業的一個重要組成部分，其電力供應需要建設大量的基礎設施，同時存在破壞養殖環境、污染海域的風險，因此其電力穩定供應較為困難。而小型的海洋漂浮式光伏發電系統能很好地解決此類問題，這是因為此類發電系統和與其配套的儲能設備足以支撐海水養殖場的電力供應[11]。

漁光互補光伏發電項目是中國海洋漂浮式光伏發電項目的主要開發模式之一，其利用水域的上下部資源進行發電、養殖一體化經營，項目照片如圖3所示。這種方式不僅可提高水域的利用效率，也可提升海洋漂浮式光伏發電系統的發電量，降低其發電成本。

2.2" 與海洋環境工程的結合

海洋漂浮式光伏發電系統對海洋環境最直接的影響是對水體溫度的影響。此類系統不僅減少了直接照射到水面的太陽輻射量，也保護了水體免受風力的影響，繼而影響水體的溫度和分層。實驗表明：大型水上漂浮式光伏發電系統有助于

降低局部水域的水溫，這對于近幾年部分水溫上升較快的海域來說無疑是有益的。與此同時，海洋水體還可為光伏組件降溫，提高其發電效率，降低發電成本。

竹基海洋漂浮式光伏發電系統（如圖4所示）是中國2023年投產的海洋漂浮式光伏發電項目。該發電系統的漂浮平臺采用以竹子為基礎的建筑材料制作，在增加漂浮平臺浮力的同時，排除了傳統漂浮平臺采用不可降解材料給區域海洋環境帶來的不可逆轉的巨大傷害。此外，海洋漂浮式光伏發電系統的建設也會促進關于海洋生態的研究，比如：若要建設和運營海洋漂浮式光伏發電系統，需要對海洋生態環境進行深入研究和監測，以確保該發電系統的建設與生態保護相協調，有助于促進對區域海洋生物、海洋生態系統的科學認識和研究[12]。此類系統的應用在保護海洋環境的同時，還提升了自身發電量，降低了系統的發電成本。

2.3" 與化學工業的結合

得益于海洋漂浮式光伏發電系統的使用環境，其光伏組件發電時產生的廢熱問題得到了很好的解決。因此對于廢熱產生較多、耗電量較大的化學工業來說，海洋漂浮式光伏發電系統是優質的供電來源。

光伏發電制氫技術路線是利用光伏發電系統所發直流電為制氫系統提供電力。電解水制氫是一種通過電解水來生成氫氣和氧氣的方法，是一種成熟的制氫技術。將海洋漂浮式光伏發電系統和電解水制氫系統相結合，不但可以充分利用太陽輻射進行發電，還可以利用海水制氫和為光伏組件散熱。二者相結合不但有效提高了海洋漂浮式光伏發電系統的效能和附加值，還充分利用氫氣儲存電能；此外，二者還可以共享漂浮平臺、控制系統等基礎設施。

雖然海洋漂浮式光伏發電系統與化學工業結合可以發揮其優勢產生清潔電力，但仍需要注意廢熱過多對海洋生態造成的影響[13]。

3" 部件功能優化

對海洋漂浮式光伏發電系統的部件進行功能優化，也有助于提高系統的發電量，降低發電成本。下文從減少能源消耗、穩定能源供應和抵抗波浪破壞這3個方面對海洋漂浮式光伏發電系統的部件功能優化進行分析。

3.1" 減少能源消耗

海洋漂浮式光伏發電系統減少電力消耗的方法之一就是減少其存儲和運輸過程中的電力消耗。由于海洋環境復雜，漂浮式光伏發電系統對其所采用電纜的要求很高。目前，大多數海洋漂浮式光伏發電系統使用的電纜是對陸上電纜改進后的電纜，此種電纜的機械強度較高、抗海水腐蝕能力強、使用壽命長，且其在防水性能、電氣性能和高溫性能上均能夠滿足在海底使用的要求。

此外，由于光伏組件在工作過程中會產生熱量導致其發電量降低，可通過處理光伏組件發電過程中的熱量來提高光伏組件的發電量，以降低其發電成本。浸入式冷卻技術能很好地解決光伏組件產生的廢熱問題，通過將光伏組件浸入水體中，從而達到某種程度的散熱或減少風浪沖擊影響的效果，利用高比熱容的海水來代替常用的蒸發冷卻器對光伏組件降溫[14]。浸入式冷卻技術的冷卻效率較高，使海洋漂浮式光伏發電系統的發電量比陸地光伏發電系統的高，但也對采用此技術的光伏發電系統的結構和光伏組件材料的抗腐蝕性提出了更高要求。采用浸入式冷卻技術的海洋漂浮式光伏發電系統如圖5所示。

3.2" 穩定能源供應

穩定的能源供應是海洋漂浮式光伏發電系統大規模應用的條件之一。由于一天內太陽高度角一直在變化，若光伏組件保持固定，會導致其在一天內不同時刻接收到的太陽輻射量有很大不同。因此，光伏發電項目通常采用有一定傾角的光伏組件布置方式或采用跟蹤式光伏支架。而海洋漂浮式光伏發電系統與陸上光伏發電系統的不同之處在于其會受到波浪的影響，且目前的減震技術也不足以完全消除波浪影響。由于海洋環境較為復雜，波浪的大小難以預測和模擬，因此，“時均傾角”概念的提出有助于解決海洋漂浮式光伏發電系統中光伏組件安裝傾角問題。時均傾角?是指在規則波浪作用下，光伏組件的平均傾斜角度[15]。此外，當光伏組件以一定傾角布置時，也對安裝光伏支架的漂浮平臺的抗波浪性能提出了更高要求。

3.3" 抵抗波浪破壞

若要實現海洋漂浮式光伏發電系統的大規模建設，需先解決波浪對其造成的影響，包括海水對光伏設備的侵蝕和波浪能對漂浮平臺和錨固系統的破壞等。目前，雖然針對海水對光伏設備侵蝕問題的解決方案較少，但較為有效的措施是將儲電設備和其他控制設備密封在漂浮平臺內；同時，采用可適應高濕度環境的光伏組件也是較為直接有效的措施。

傳統的海洋漂浮式光伏發電系統的錨固系統主要是采用較輕的漂浮平臺和強度較高的固定用纜繩來降低波浪對其造成的影響。而最新的海洋漂浮式光伏發電系統則采用小型的光伏發電模塊，且各模塊間相互獨立，從而降低了波浪對錨固系統的影響。此外，研發抵抗波浪影響的高效光伏組件也是之后海洋漂浮式光伏發電系統的研發方向。

4" 展望

受到土地資源匱乏等因素的制約，陸上光伏發電的發展遇到瓶頸，漂浮式光伏發電是目前光伏產業的主要發展方向。海洋漂浮式光伏發電作為漂浮式光伏發電的新領域、新開發模式，發展前景廣闊、大有可為，但目前此技術鄰域尚缺乏統一的標準和規范。中國擁有綿延狹長的海岸線，遼闊的海域，海洋漂浮式光伏發電企業應積極把握光伏產業新的發展機遇，充分發揮光伏發電技術、成本和海域優勢，深入參與全球光伏發電市場競爭環境。中國政府應加強相關政策引導和規劃布局，通過協調企業間合作，推進市場培養，打造完整產業鏈，構建良性市場競爭環境。同時，相關研發機構也應加快推進海洋漂浮式光伏發電技術的研究，解決當前存在的發電方式單一、發電效率低、附加值低、能量損耗嚴重、電能供應不穩定等問題，推動海洋漂浮式光伏發電向大規模、大輸出功率的方向發展。

5" 結論

本文從多源共生、產業聯動、部件功能優化3個方面出發，對降低海洋漂浮式光伏發電系統發電成本的方式進行了分析，并對其未來發展進行了展望。由于目前海洋漂浮式光伏發電系統尚缺乏統一的標準和規范，中國政府應加強相關政策的制定和產業規劃布局，通過協調企業間合作，推進市場培養，打造完整產業鏈，構建良性市場競爭環境。同時，相關研發機構也應加快推進海洋漂浮式光伏發電技術的研究，解決當前存在的發電成本高、能量損耗嚴重、電能供應不穩定等問題，推動海洋漂浮式光伏發電向大規模、大輸出功率的方向發展。

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Analysis of POWER GENERATION cost reduction methods for ocean floating PV power generation systems

Zhang Yu1，Gao Tangming2，Peng Liying2，Liu Tonghao3

（1. School of Microelectronics and Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China；

2. School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China；

3. School of Architecture and Urban Planning，Chongqing University，Chongqing 400045，China）

Abstract：Ocean floating PV power generation，as a new development direction of floating PV power generation，has a driving effect on the global development of renewable energy and has attracted the attention of many researchers worldwide. At present，ocean floating PV power generation is still in the development stage，with problems such as high power generation costs and unstable output power，making it difficult to achieve large-scale development. Therefore，it only occupies a small share of the new energy power generation market. This paper analyzes the ways to reduce the power generation cost of ocean floating PV power generation systems from three aspects： multi-source symbiosis，industrial linkage，and component function optimization，and looks forward to its future development. Due to the lack of unified standards and specifications for ocean floating PV power generation systems，the Chinese government should strengthen the formulation of relevant policies and industrial planning layout，promote market cultivation through coordinated cooperation between enterprises，create a complete industrial chain，and build a healthy market competition environment. At the same time，relevant research and development institutions should accelerate the research on ocean floating PV power generation technology，solve existing problems such as high power generation costs，serious energy loss，and unstable power supply，and promote the development of ocean floating PV power generation towards large-scale and high output power.

Keywords：ocean floating PV power generation system；PV modules；power generation cost；reduce costs