近海FPV技術的應用現狀與成本分析

摘 要：近海浮式光伏發電（FPV）作為1種新興的可再生能源利用形式，具有廣闊的開發前景，有望成為未來光伏發電經濟發展的增長點。概述了國內外近海FPV技術的應用現狀，歸納了近海FPV現階段面臨的技術挑戰；然后，通過建立近海FPV成本分析模型及假定合理的財務參數，對山東省某近海FPV項目的盈利水平進行評估，并采用單一因素分析法分析了影響項目投資收益的敏感性因素。研究結果表明：近海FPV面臨的技術挑戰主要集中在浮體及錨泊系統的設計、光伏組件對海洋環境的適應性；近海FPV項目在全生命周期中后期盈利，初始建設成本、上網電價和有效發電量對項目收益的影響最為顯著；預測2030年全球FPV項目的平準化度電成本可降至0.012美元/kWh。

關鍵詞：近海浮式光伏發電；光伏發電技術；應用現狀；經濟性模型；成本分析

中圖分類號：P751/TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

作為1種綠色環保的可再生能源利用形式，光伏發電在未來新能源結構中占據重要位置。然而，隨著光伏發電項目快速擴張，陸地光伏電站可開發利用的土地資源日益短缺，為開拓光伏發電新市場，行業開始將目光投向浮式光伏發電（FPV），其中近海FPV是重要的解決方案之一。近海FPV電站作為光伏發電的新興應用場景，具備巨大的開發潛力，隨著相關技術不斷突破和資本投入的加大，其有望成為未來行業的新增長點。

目前運行的FPV項目主要集中于內陸淡水水域，僅有少量小規模近海示范性項目，這主要是由于與內陸淡水水域環境相比，海洋環境更復雜，近海FPV項目的開發成本居高不下。如何有效降低近海FPV項目的開發成本成為亟待解決的問題，這給光伏發電技術帶來了新的挑戰。基于此，本文對國內外近海FPV技術的應用現狀展開綜述，總結分析當前近海FPV面臨的技術挑戰；通過建立成本分析模型及假定財務參數，詳細評估某近海FPV項目案例的成本與收益水平，并對未來5年的近海FPV項目成本進行預測。

1" 國內外近海FPV技術應用現狀

1.1" 國外應用現狀

近海FPV技術的商用項目較少，當前仍處于初步探索階段。與內陸湖泊水面FPV項目相比，在海洋水域開發的FPV項目的技術路線存在顯著差異。國外在近海FPV技術領域一直保持積極發展態勢，其中：北歐地區處于領先地位，西歐及東南亞地區也相繼開發了多個小規模示范項目。國外典型近海FPV項目的現場圖如圖1所示。

荷蘭在近海FPV領域取得了顯著進展。2018年，Zon op Zee聯盟與Oceans of Energy公司合作啟動了Zon op Zee（Solar-at-Sea）項目[1]，該項目位于大西洋北海海域，距離海岸15 km，其光伏發電系統采用模塊化設計，浮體基于排水量調節，浮體模塊易于擴展，最大可承受13 m的巨浪。另外，SolarDuck公司于2021年4月提出了1種創新式三角形的FPV平臺，并在King Eider試點項目中首次應用[2]。該平臺由4個三角形單元浮體組成，可抵御風速為30 m/s的強颶風，這一設計獲得了法國船級社（BV）的原則上批準認證（AiP）。

馬爾代夫SwimSol公司開發的SolarSea示范項目位于近岸島礁水域[3]，整個光伏發電系統由12個FPV平臺組成，可在浪高1.5 m的淺水近海環境中穩定運行。

新加坡Sunseap公司開發的柔佛海峽5 MW FPV項目是全球規模最大的海上FPV系統[4]，該項目采用3萬個以上的浮體模塊，可支撐上千塊光伏組件，并配置有穩健的恒張力系泊系統，能夠承受變化的天氣條件，確保FPV平臺和各類設備的穩定運行。

挪威Ocean Sun公司開發了1種水彈性薄膜式FPV技術[5]，將光伏組件安裝在薄而柔性的增強膜環（薄膜固定在浮力環上）上，這種簡單結構類似于睡蓮底部上托的大葉片，可為其上部光伏組件提供較大的浮力，并可快速實現現場安裝。該技術在各項目應用的現場圖如圖2所示。此類柔性薄膜式浮體具有明顯的產品優勢，例如：浮體具備水彈性特性，能夠有效平滑波浪的直接沖擊；光伏組件與水直接接觸，有助于光伏組件快速冷卻散熱，從而提高其發電效率。

1.2" 國內應用現狀

近年來，國內正加快推進近海FPV項目的發展，政府相繼出臺了一系列利好政策，同時，光伏組件技術快速更迭，上游多晶硅原材料成本驟降[6]，為海上光伏發電項目發展提供了新的契機，也為近海FPV產品與技術的創新研發注入了強勁動力。2023年，自然資源局發布了《關于推進海域立體設權工作的通知（征求意見稿）》[7]，明確指出實施海域立體分層設權，鼓勵開展海上光伏發電、海上風電等海域開發活動。隨著海洋FPV技術場景化應用逐漸受到關注，以及國內海上光伏產業鏈進一步完善與成熟，光伏企業開始有針對性地開展近海FPV產品的相關技術研發，并已成功開發了一小批近海FPV試點項目。

浙江省舟山市普陀區白沙島海上漁光互補漂浮試驗方陣項目是國內最早探索近海FPV的示范項目之一，該項目主要用于科研示范研究[8]，其場地如圖3所示。項目規劃建設在白沙島和柴山島之間，計劃裝機容量為2.69 MW，占用海域面積為33333.3 m2。項目第1批試驗光伏方陣已于2021年12月11日下水，并隨后進行了實地海試，驗證了其技術可行性。

山東省煙臺海陽華能深遠海FPV 500 kW實證項目是國內首個海上風電、光伏發電融合項目[9]，已于2022年10月31日建成，其現場圖如圖4所示。項目離岸距離為30 km，水深為30 m，極端浪高可達10 m；光伏發電系統的浮體由2個250 kW的環形浮體單元組成，單個浮體單元的直徑達到53 m，面積相當于4個標準籃球場大小；該環形浮體采用了彈性薄膜技術，并通過3×4的錨鏈布置型式（共4組，每組3根錨鏈）錨纜錨固于海床。

山東省煙臺中集來福士海洋工程有限公司推出了新型半潛式FPV浮體平臺，這是國內首個半潛式FPV平臺，已于2023年11月份正式投入使用[10]。該平臺上配置了4個單浮體方陣，凈甲板總面積約為1900 m2，項目裝機總容量為400 kW，如圖5所示。平臺間采用獨特鏈接技術，能保證平臺在浪高6.5 m、風速34 m/s的海域中安全運行。

中國華能集團有限公司自主研發了類蜂巢型六邊形FPV浮體平臺[11]，并在“黃海一號”FPV項目中成功應用。該平臺基于50年一遇海況設計，并預留有足夠的安全氣隙，可以抵抗10 m的浪高。相比于傳統的四邊形或三角形結構，六邊形結構的浮體平臺可利用面積增加了13%或30%，從而增加了光伏組件鋪設量，可進一步提升光伏發電系統的發電量，如圖6所示。六邊形浮體平臺底部支撐采用桁架式結構，由均勻分布在底部框架上的64個塑料塊提供浮力，相比于傳統的浮體平臺，其重量可降低約25%。

1.3" 近海FPV技術挑戰

近海FPV技術雖然由內陸水域光伏發電技術發展而來，但由于海上環境的嚴苛性，其在實際應用中面臨諸多挑戰。為確保近海FPV系統能夠穩定、安全運行，并提高此類項目的投資收益，對近海FPV系統的結構設計、光伏組件性能、材料、浮體設計等方面均提出了新的要求，且目前仍有亟待解決的關鍵技術難題。

近海FPV系統大多部署在開闊或半開闊海域，直接暴露于強風巨浪的環境中，因此浮體需要具備良好的水動力性能。因此，近海FPV技術難點集中在浮體結構設計和錨泊系統設計兩方面。近海FPV電站一般以光伏陣列形式布置，浮體間通過鉸接連接，使浮體系統涉及多浮體運動，浮體間的水動力耦合效應明顯。為準確模擬多浮體運動響應和波浪載荷，一方面需要發展載荷計算理論，開發多浮體運動仿真工具；另一方面要搭建基于真實尺度的試驗平臺，以滿足真實海況下的原型測試需求。

近海FPV錨泊系統的設計應大致遵循以下4點原則：1）保證光伏發電系統的安全性及耐久性，滿足運營期內的功能要求及生產能力；2）與海底電纜之間保持安全距離，避免碰撞；3）系泊系統的剛度保持在合理范圍內，以適應場址水位的變化；4）考慮二階低頻波浪荷載的作用，結構的固有周期應避開共振周期[12]。

光伏組件是近海FPV系統的關鍵部件，其長期暴露在海洋環境中，面臨高濕度、海水腐蝕、強紫外線照射、海生生物附著等問題。紫外線照射和海水腐蝕會導致光伏組件的封裝材料降解，進而縮短光伏組件的使用壽命并降低其性能；海生生物附著會直接影響光伏組件的光照面積，大幅削減其發電效率。為了保證光伏組件能夠持續穩定發電，優先采用耐腐蝕、高防水性能的材料[13]，比如：不銹鋼、聚氟乙烯等。同時，需大力研發新型封裝材料，提升光伏組件封裝材料的抗海水侵蝕、抗鹽霧滲透的性能，以及耐磨損能力。針對強紫外線照射問題，可選擇具有良好耐紫外線性能的材料或在光伏組件表面涂覆防護涂層[14]，還可以采用合理的溫控設計，例如：采用具有良好散熱性能的材料、合理設計光伏組件結構、在光伏組件背部安裝散熱裝置等。針對海生生物附著問題，則需要現場運維人員定時維護和系統檢查。

2" 近海FPV成本分析

2.1" 建立近海FPV成本分析模型

2.1.1" "經濟評估模型

平準化度電成本（LCOE）是衡量光伏發電項目經濟性的關鍵指標，在近海FPV項目的全生命周期內，LCOE由3部分組成：初始投資成本、運營成本和服務期結束后的退役成本。初始投資成本主要包括設備費用、施工安裝費用、并網前調試費用等；運營成本包括設備維護及更換費用、稅費成本；退役成本主要為具有剩余價值的光伏組件的拆除成本。

對于近海FPV項目，LCOE的增加主要體現在初始投資成本和年度運維成本上。假設不考慮退役成本，且項目運營期為25年，年度運維成本通常為固定值，可根據初始投資成本與運維成本系數綜合計算得到該項目的平準化度電成本LCOE，其計算式為：

（1）

式中：En為項目運營第n年的年發電量，其可由光伏組件并網發電量計算得出；I為項目的初始投資成本；An為項目的年度運維成本；i為折現率；N為項目運營年限，取25年。

光伏組件并網發電量Ep的計算式為：

Ep=HASK1K2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：HA為水平面太陽總輻射量；S為光伏組件總面積；K1為綜合效率系數，取85%；K2為光伏組件的光電轉換效率，取26.1%。

2.1.2" 成本預測模型

未來成本可以用綜合學習曲線模型來預測，由單一因素引起的成本增加與學習率的關系式為：

（3）

式中：It為t時刻的投資成本；Qt為t時刻的累積產量；Q0為初始時刻的累積產量；ρ為學習率，即累積產量每增加1倍的成本降低百分比；b為學習曲線的斜率，一般為常數。

根據式（3），可推導出未來t時刻投資成本計算式為：

（4）

2.2" 項目案例分析

2.2.1" 經濟性評估

近海FPV項目成本通常含設備采購費、安裝費、運維費、逆變器更換費用、保險費用及其他雜項費用。近海FPV系統主要設備由光伏組件、浮體、系泊與錨固基礎、逆變器及電纜組成。本文以山東省某海域1 MW近海FPV項目為例進行分析[15]，該項目離岸距離為30 km，水深為30 m，其各項成本匯總如表1所示。

采用面積法估算該近海FPV項目的發電量。光伏組件總面積為5115 m2，采用2022年山東省太陽輻射量平均值（1467.4 kWh/m2），考慮光伏組件年衰減率為1.18%，則該項目運營期內的總發電量約為35.9 GWh。對該項目展開投資收益分析，考慮3%通貨膨脹率、8%的折現率，該項目總投資成本約為846萬元，單位投資成本為8.46元/W。根據項目運營期內總發電量，可得到該項目的LCOE為0.236元/kWh，相比于該地區的上網電價0.394元/kWh，存在盈利空間。

2.2.2" 成本敏感性因素分析

若沒有政府補貼，該項目運營期內的收益為566.37萬元，內部收益率為4.1%，且項目在第15年才開始實現收益，投資價值較低。然而，參照山東省財政部對小于10萬kW的近海FPV項目按1000元/kW進行補貼的補貼標準，該項目可獲得補貼100萬元，進而可在第13年實現收益，內部收益率為5.7%。由此可見，政府部分補貼對近海FPV項目建設具有一定推動作用，但補貼額度有限，項目的內部收益率仍較低，投資回報周期較長。因此，從近海FPV項目全生命周期的成本構成的角度出發，詳細分析不同因素對項目投資收益的影響程度，是實現降本增效的有效途徑。

采用單因素分析法對近海FPV項目的收益展開分析，通過挑選若干重要敏感因素及典型敏感倍數，定量分析各敏感因素對項目投資收益的影響程度。基于項目全生命周期內的成本和收入，可初步確定影響近海FPV項目投資收益的因素包括：初始投資成本、運維成本、有效發電量、上網電價、政府補貼；然后，分別計算單一因素下不同敏感倍數的項目收益率，分析結果如表2所示。

根據表2可以看出：不同敏感因素對近海FPV項目投資收益的影響程度存在差異性，初始建設成本是對項目投資收益影響最大的因素，其投資收益率與敏感倍數呈負相關，敏感倍數每降低0.1，相應的投資收益率最高值提高1.6%；上網電價和有效發電量對項目的投資收益的影響程度相同，兩者呈正相關的關系；兩者是項目投資收益的第2大影響因素，敏感倍數每降低0.1，相應的投資收益率提高約1.5%；影響項目收益的第3大因素是運維成本，敏感倍數每降低0.1，相應的投資收益率提高約0.3%；政府補貼由于額度有限，對項目投資收益的影響程度較小。

2.2.3" 成本預測

根據國際可再生能源署（IRENA）發布的《2024年可再生能源裝機容量統計年鑒》[16]及《2023年可再生能源發電成本》[6]，光伏發電項目成本隨著累計裝機容量的增加呈現出逐漸下降的趨勢。基于2013—2023年全球FPV的新增裝機容量、歷年安裝成本和式（3）、式（4），可計算得到學習曲線的斜率和學習率，平均學習率為34.5%，如表3所示。

根據SolarPower Europe發布的《浮式光伏市場報告》[17]，2022年全球FPV累計裝機容量為5.7 GW，預測得出未來5年光伏發電累計裝機容量將以年復合增長率接近34.5%的速度快速增長。據此，可預測到2030年全球FPV裝機容量將達到60 GW。基于2020—2025年全球FPV的LCOE和裝機容量數據，預測2026—2030年全球FPV累計裝機容量與LCOE的變化趨勢，如圖7所示。由圖7可知：隨著全球FPV累計裝機容量的增加，FPV項目的LCOE將顯著下降，預計到2030年FPV項目的LCOE可降至0.012美元/kWh。

3" 結論

本文概述了國內外近海FPV技術的應用現狀，歸納了近海FPV面臨的技術挑戰，并通過構建近海FPV成本分析模型并假定合理財務參數，以某近海FPV項目為例，對近海FPV的經濟性展開分析，并采用單一因素分析法評估了影響項目投資收益的敏感性因素。研究結果顯示：近海FPV面臨的技術挑戰主要集中在浮體及錨泊系統的設計、光伏組件對海洋環境的適應性。近海FPV項目在全生命周期中后期是盈利的，且項目投資收益受初始投資成本、上網電價和有效發電量的影響程度較大，其次是運維成本，影響程度最低的是政府補貼。預測2030年FPV項目的LCOE可降至0.012美元/kWh。

[參考文獻]

[1] Ocean of Energy. A world’s first：offshore floating solar farm installed at the Dutch North Sea[EB/OL]. （2019-12-11）. https：//oceansofenergy.blue/2019/12/11/a-worlds-first-offshore-floating-solar-farm-installed-at-the-dutch-north-sea/.

[2] BELLINI E. Dutch startup develops offshore floating PV platform[EB/OL]. （2021-03-05）. https：//www.pv-magazine.com/2021/03/05/dutch-startup-develops-offshore-floating-pv-platform/.

[3] 能源界. 全球最大的漂浮式太陽能發電系統在馬爾代夫落成[EB/OL]. （2019-09-05）. https：//www.nengyuanjie.net/article/30121.html.

[4] GARANOVIC A. Sunseap installs one of world’s largest offshore floating solar farms in Singapore[EB/OL]. （2021-03-24）. https：//www.offshore-energy.biz/sunseap-installs-one-of-worlds-largest-offshore-floating-solar-farms-in-singapore/.

[5] Ocean Sun. The innovation[EB/OL]. （2023-04-01）. https：//oceansun.no/the-innovation/.

[6] IRENA. Renewable power generation costs in 2023 [R/OL]. （2024-10-01）. https：//www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Presentations/Technology/2024/Oct/IRENAInsights_RPGC2023.pdf.

[7] 曹恩惠，趙嘉璐. 百吉瓦海上光伏盛宴：蛋糕美味 還在烘焙 [N]. 21世紀經濟報道，2023-07-28 （011）.

[8] 定海新聞網.白沙島海上漂浮式光伏項目完成第一階段試驗 發電站未來將“漂”在洋面上 [EB/OL]. （2022-04-20）. https：//dhnews.zjol.com.cn/xinwenzonglan/zhoushanxinwen/202204/t20220420_5959353.shtml.

[9] 陳繼平，李剛，劉博，等. 薄膜型海上漂浮式光伏技術現狀及展望[J]. 南方能源建設，2023，10（2）：1-10.

[10] 逄苗，房欣第.國內首個半潛式海上光伏發電平臺交付 [N].煙臺日報，2023-04-10（002）.

[11] 國內首個風光融合浮式光伏平臺“黃海一號”下線[J]. 中國船檢，2024（8）：14.

[12] 耿寶磊，唐旭，金瑞佳. 海上浮式光伏結構及其水動力問題研究展望[J]. 海洋工程，2024，42（3）：190-208.

[13] 馬月，呂永剛，溫友超，等. 海上光伏電站基礎結構的綜述[J]. 科技與創新，2023（20）： 92-95.

[14] RABHA J，DAS M，SARKAR D. Layer dependent pyro-phototronic effect in Al/nanostructured porous silicon multi-layer （PS-ML） UV sensing Schottky photovoltaic device[J]. Materials letters，2023，347：134602.

[15] 袁繼巧，劉陽陽，翟鋼軍. 近海浮式光伏成本分析與預測[J]. 東北電力技術，2024，45（6）：17-20，26.

[16] IRENA. Renewable capacity statistics 2024[R/OL]. （2024-03-01）. https：//www.irena.org/Publications/2024/Mar/Renewable-capacity-statistics-2024.

[17] SolarPower Europe. Floating PV best practice guidelines version 1.0[EB/OL]. （2023-07-12）. https：//www.solarpowereurope. org/insights/thematic-reports/floating-pv-best-practice-guidelines-version-1-2.

APPLICATION STATUS AND COST ANALYSIS OF OFFSHORE FPV

Kang Xinlong，Wu Di，Han Ronggui

（Hainan Mingyang Smart Energy Co.，LTD，Sanya 572025，China）

Abstract：Offshore floating PV power generation（FPV），as an emerging form of renewable energy utilization，boasts broad development prospects and is expected to become a growth driver for the future economic development of PV power generation. This paper first provides an overview of the current application status of offshore FPV technology both domestically and internationally，and summarizes the technical challenges faced by offshore FPVs at this stage. Then，by establishing a cost analysis model for offshore FPV and assuming reasonable financial parameters，the profitability level of a offshore FPV project in Shandong Province is evaluated，and the sensitivity factors affecting project investment returns are analyzed using single factor analysis. The research results show that the technical challenges faced by offshore FPV mainly focus on the design of floating bodies and anchoring systems，as well as the adaptability of PV modules to the marine environment. The offshore FPV project is profitable at the end of its entire lifecycle，and the initial construction cost and effective power generation have the most significant impact on project investment returns. It is predicted that the LCOE of global offshore FPV projects will decrease to 0.012 USD/kWh by 2030.

Keywords：FPV；PV power generation technology；application status；economic model；cost analysis