漂浮式水面光伏电站关键技术研发与应用分析

耿跃虎

摘要：本文结合笔者工作经验，重点论述了水面光伏电站在建设中使用的新技术、新材料和新工艺，即光伏组件倾角的设计、浮体材料的选择及锚固技术的实施。对浮体使用的新材料进行了翔实的介绍和材料比选，展示了沉锚施工方案，并介绍了整个施工过程，为漂浮式水面光伏电站关键技术研发与应用提供了参考。

关键词：关键技术，光伏电站，漂浮式

引言：我国在“十四五”计划中明确提出，将新能源行业作为未来重点发展的新领域，这标志着对清洁能源的高度重视。通过提高新能源发电的消纳和储存水平，我国积极应对能源挑战，推动清洁能源的可持续发展。此外，明确提出“碳达峰、碳中和”的新定义，意味着我国在减缓气候变化、应对环境问题方面有着更为明确的目标和计划。这一战略性目标不仅树立了低超临界值CO2排放量标准，也为2030年碳达峰、2060年碳中和的总体目标设定了清晰的方向。这为我国清洁能源发展制定了明确的时间表，推动我国成为全球绿色能源领域的引领者。

1 中国水面光伏发电的应用前景

太阳能作为清洁能源的代表之一，尽管其能量密度较低，却在光伏发电领域展现出了巨大的潜力。传统的光伏发电系统在建设过程中需要占用大量土地资源，而在人口密度较大、土地面积较少的中国，这带来了一定的挑战。随着光伏发电装机容量不断增加，地面光伏电站的发展面临日益严峻的限制。目前，我国大型光伏电站主要分布在远离负荷中心的西北地区，而城市负荷中心则主要通过在厂房屋顶建设分布式光伏电站来满足能源需求。

在此背景下，分布式光伏发电在城市负荷中心得到了推广。国家能源局发布的通知中提到，利用废弃土地、荒山荒坡、农业大棚等资源建设分布式光伏电站是应对当前挑战的一项举措，同时也鼓励与农户扶贫、新农村建设、农业设施相结合，促进农村居民生活改善和农业、农村发展。另一方面，水面光伏电站作为一种新型发展趋势，建设在鱼塘、湖泊、水库等水域上，为克服土地资源依赖提供了可行性方案。特别是在人口稠密、土地资源稀缺的东南部地区，水面光伏电站成为一个备受关注的选项。这种项目不仅可以有效利用现有基础设施，还有助于减少对自然水体和生态系统的负面影响。然而，漂浮式水面光伏电站在解决土地资源依赖的同时，也面临着一系列技术难题和环境问题。其复杂性要求我们克服技术挑战，确保项目的环保性和可持续性。只有通过不断创新和解决技术难题，漂浮式水面光伏电站才能更广泛地应用，为我国清洁能源发展提供更多可能性。

2 光伏阵列方位角及倾角的选择

2.1 方位角的选择

在方位角选择上应当认真比对，以确保发电量最大为最优设计。光伏元件支架主要采用固定式，其特征为无法调整。光伏阵列主要以正南角度作为朝向，位置角为0°，在这种情况下发电量最大。

2.2 倾角的选择

倾角即是太阳能组件方阵平面与水平场地间的角度。选择光伏阵列倾角时应将天气因素考虑进来，并应当综合考虑多方位的因素。通常情况下倾角有20°及12°两种方案。目前12°倾斜度方案主要使用在水上光伏工程中。由T/CPIA0017—2019《水上光伏发电系统工程设计技术规范》可知，光伏组件倾斜度越大，其影响范围便会越大，并且组件也需要承载较大的风荷载，这就极有可能导致设备翻沉情况，所以针对当前开工的水上光伏电站工程，需要依照组件布置方式的差异性选择差异化的设计方案。倾角设计方案主要有三种，分别是5°、10°及12°。风载荷计算式为

W=KWkA                             （1）

式中，W为风荷载的设计值；A为计算面积；Wk为风荷载标准值；K为方阵修正系数。仿真建模工作采用PVsyst软件系统完成，除此之外，还需要考虑雪雨冰霜以及风荷载等因素。

工程设计以20°倾角设计方式为主，具体原因是：一方面，使倾角值和PVsyst的模拟核算的数值相符，也就是最佳的倾角值，这样组件对太阳光照射量的承受度就会大幅度增加，对应的单位年发电量也会进一步加大；另一方面，由气象环境部分数据可知，开源区域属于季风性大陆性环境气候，春夏西南风较多，而秋冬西风比较多，通常风力在2.2～4.2 m/s之间，最高风力不大于5 m/s（除去极度自然气候条件状况）。该项目体积小、部件重量小，设计专家经由很多试验以及风载试验后得出结论：该项目部件没有倾覆的风险。为比较不同倾角的效果，选用了12°和20°两个倾角做了比较试验，经过1个冬季以后，可以看出二者发电量明显不同。

3 浮体

3.1 浮体型式

漂浮体是支撑整个漂浮式水上光伏电站的基础，而悬浮固体的类型和应用材料则在不断演变和调整，随着漂浮式水上光伏电站的发展呈现出多样化的趋势。在选择漂浮系统时，考虑到项目体量、成本要求以及实施难度等因素，采用HDPE浮箱+支架的漂浮体技术是一种合理而可行的选择。

3.2 浮体材料

浮体系统的设计寿命直接关系到材质特性的选择。HDPE作为一种超长耐候材质，在我国得到广泛采用。其抗老化和耐腐蚀的特性使其成为理想的浮体材料。不同原材料提供方的生产工艺有所差异，而该项目选择采用新款HDPE产品并对其进行改性，以提升性能。这不仅在很大程度上改善了结构的稳定性和耐久性，也为浮体系统的可靠运行提供了更好的保障。浮体的使用寿命直接受材料特性的影响。考虑到光伏发电产品的工作寿命通常为25年，浮体结构的使用寿命不能低于这个标准。通过选择新型HDPE材料，并进行改性处理，项目不仅提高了浮体系统的耐候性和抗腐蚀性，还增加了其整体的可靠性。这对于光伏电站的长期运行、资金利用效率、维修保养以及工作的正常性和安全性都至关重要。

4 锚固系统

4.1 锚固系统的作用和组成

锚固控制系统在水面漂浮设计中扮演着至关重要的角色，不仅是确保漂浮和接地以及敷设等控制系统安全运作的关键，而且直接影响漂浮光伏阵列是否能够在外部环境负荷下稳定工作。锚固系统的主要功能包括限制漂移区域、明确组件方向以及规避悬浮固体的翻倾和倾覆等风险，从而使得漂浮光伏阵列能够有效地抵抗外部环境的各种挑战。

4.2 锚固方案选择

应考虑项目所在的水库周边状况、库底地质和建设效益等多种因素，有针对性地制定锚固措施。通过比较多种锚固方法，该项目采用重力锚。

4.3 沉重力锚方案

设计方案的制定是整个工程实施的关键，考虑到风力、水流和海浪等多重因素的作用，制定了一套具有机动性且易于安全实施的沉锚方案。这个方案不仅建立在先前的研制成果基础上，而且充分考虑了水域环境的复杂性，以确保在各种条件下都能够稳定运行。在作业流程方面，由于安装过程发生在冬季水面结冰状态下，按照冰上作业的流程进行了详细阐述。首先，运送车在冰封的工地岸边完成运输并做好锚固定位。随后，拖车将锚固定位块放置在冰船上。考虑到锚定长度的总重量为1.5t，而冰层厚度不均匀可能导致断裂，为确保施工现场的安全，采用了拉绳牵引方式。具体而言，首先在指定点标记冰，然后在标记点进行破冰。由于锚定长度较重，可能导致冰层断裂，为了确保安全，施工人员采用拉绳的方式，站在岸边，用绳子牵引锚固定位冰车到桩锚位置。这一过程中，使用弦拖拽钢筋进行定位，确保了施工人员的安全。

4.4 工程造价的控制

以浮筒在漂浮式系统中的角色为例，浮筒在光伏板的承载框架和水上管道之间发挥着至关重要的作用。通常情况下，浮筒是通过工厂定制大批量生产的，虽然费用相对较高，但在水面光伏电站中，这样的成本是可以接受的。特别是考虑到水面光伏电站免去了征地费用，浮筒的费用并没有成为整体造价的负担。

参考文献

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