采煤沉陷区水面光伏：环保高效型水面漂浮系统的应用

顾森

一、引言背景

我国90%以上的煤炭产量产于井工开采，因开采强度与规模的加大使采煤区地面塌陷严重。平均每采出10kt原煤其土地沉陷面积为0.2hm;沉陷面积已达135万hm，并以7万hm/a的速度递增。采煤沉陷后陆地生态环境变为水生生态环境,形成大面积采煤沉陷积水区,导致耕地减少，建(构)筑物损坏、植被破坏、水土流失及水气污染等问题。而贯彻落实采煤沉陷综合治理是解决当前生态环境与景观破坏问题的重要途径。采煤沉陷区综合治理是一项复杂而重要的任务，其中岸线治理配合水面漂浮式光伏发电是有效且绿色的治理方案。

在采煤沉陷区，水面漂浮式光伏可以利用沉陷形成的水体，充分利用废弃矿坑、水塘等水域资源，建设光伏电站，实现清洁能源发电。

这种技术不仅能够充分利用沉陷区域的水资源，还可以减少土地利用压力，保护沉陷区的生态环境。此外，水面漂浮式光伏还具有降低水面蒸发、改善水体生态环境等附加效益，有助于综合治理采煤沉陷区的水资源和生态环境问题。

综合来看，岸线治理和水面漂浮式光伏技术可以相互配合，共同应用于采煤沉陷区的综合治理中，以实现水资源的有效利用、生态环境的改善和清洁能源的发展。

二、项目简介

采煤沉陷区综合治理是省委、省政府部署的煤炭供给侧结构性改革、全面建成小康社会中一项重要的德政工程、民生工程、民心工程。为了进一步做好这项工作，切实改善人民群众的居住生活环境，提高采煤沉陷区生态环境质量,加快建设美丽城市步伐,淮河能源集团基于淮南市凤台县丁集矿西部采煤沉陷区打造首个“水面光伏+采煤沉陷区综合治理”一体化示范项目，历时355天全容量并网，该水面光伏项目预计运行寿命25年，全部上网电量约552740万度，全寿命周期内相当于节约标准煤约164.93万吨，减少二氧化碳排放约428.78万吨，减少二氧化硫排放约3.96万吨，减少氮氧化物排放约1.15万吨，对落实国家碳达峰、碳中和目标任务，推进生态文明建设和能源结构转型发挥积极作用。

三、环保高效型水面漂浮系统的应用

该水面光伏项目地处安徽凤台丁集矿采煤沉陷区，属于在采煤沉陷区水面上建设漂浮式光伏，沉陷区水质低于自然湖泊水质，大面积覆盖水域，如果水体表层流动、通风、透氧不良，很可能使得水质在原有基础上更加恶劣。

水面漂浮电站单体发电单元装机容量越来越大，单块组件尺寸也越做越大，使得单体发电单元系统上部载荷越来越大，对漂浮系统强度的指标要求也越来越高，漂浮系统需要应对风浪、冰冻、消融、水位发生变化等情况。因此浮体应拥有足够的强度及韧性，能够经受自然环境日晒、气温及风压的变化和影响，抗老化、抗冻、耐酸碱腐蚀、耐冲击、不受化学品、药剂、油脂及水生物的侵蚀。浮体要保证各向应受力均匀，不发生组件碰撞，以及水面上冻及消融循环导致浮体破损、组件挤压破坏等情况。

环保高效型水面漂浮系统采用浮体+杆件漂浮系统布置形式，承载系统内连接件由传统的HDPE塑料件全部更换为金属件，以增加抗剪切力，保留柔性特性，同时加入了金属铰接的高强度连接方式，显著提高了给连接点强度。浮力集中式布置，大大降低了系统内部的水面覆盖率，对水体的友好性显著提升。同时，超高的单个浮体浮力，给运维人员带来了实实在在的好处：浮体上行走如履平地。组件背面与水面之间再无遮挡物，而且东西向通透，水冷、通风双重因素下，组件背面散热更好，组件发电效率得到了提高，使得夏天高温时段发电曲线一直昂扬向上不再是奢望。

环保高效型水面漂浮系统同时为了应对加入金属材料带来的锈蚀问题，浮体耳板连接件、其他连接件或者支撑件采用防锈金属材料。（镀锌镁铝材料或满足C5防腐性能要求且强度不低于设计使用要求的其他金属材料）

四、环保高效型水面漂浮系统的优势特点

（一）浮力优化分配，载荷能力增强，提高安全性

环保高效型水面漂浮系统取消以往传统组件背面的浮体，将这个浮体的浮力分配到两侧的运维通道上，实现整体浮力基本不变的情况下浮力重新优化分配。使得运维通道浮体浮力由传统的80kg提升到222kg/个，运维人员踩踏的浮体浮力大行走起来更稳。

图1  运维通道稳定性对比

（二）高效环保，降低水面覆盖率

降低漂浮系统内部与水面直接接触部分的水面覆盖率。覆盖率由传统浮体系统的60%，降低到不高于30%。

图2  传统浮体形式：浮体水面覆盖率≥60%

 

图3  浮体+杆件系统：浮体水面覆盖率≤30%

（三）减少损失，降低更换成本

传统浮体形式，其系统各连接为同材质（HDPE）的抱耳通过塑料螺栓和螺母进行紧固和连接。HDPE的塑料材质决定了其力学性能特征值较小，从以往事故电站可以看出，失效点正是这些连接点处，特别是塑料的螺栓/母会最先失效。

浮体+杆件漂浮系统，在保留浮体连接基础上，再镶嵌一层网状金属加强筋，引入金属铰接的连接方式，大大提高系统各连接点的连接强度。同时用多组防锈金属材料螺栓/母代替塑料螺栓栓/母，解决了塑料螺栓/母抗剪力弱的问题。

杆件的引入使得系统整体强度提高，在抗碰撞、隆起，防掀翻、撕裂方面的性能更强。

图4  传统浮体系统

图5 杆件浮体系统

（四）水冷降温，发电效率增益

浮体+杆件形式的漂浮系统，取消组件背面遮挡物使其背面东西向通透，通风良好，且水面无遮挡水冷效应更佳，组件工作温度低，可以有效利用开阔水域的较高风速以及水的蒸发冷却效果，使组件表面平均温度降低约20%（平均温度从45℃降低为35℃）；同时组件不仅可以正面发电，还可以利用水面反射光背面发电，为项目带来约3%的发电增益。

图6 组件表面温度对比

五、结论与展望

我们深入探讨了环保高效型水面漂浮系统在采煤沉陷区水面漂浮式光伏项目的应用潜力。该系统具有显著的环保效益、安全效益和经济效益，为解决水面资源利用、环境保护和实现双碳目标提供了新的思路和技术支持。然而，环保高效型水面漂浮系统系统继续在优化设计（更大角度及间距的可行性），从而降低成本以及LCOE。我们也意识到仍有许多挑战和机遇需要进一步研究和探索。

未来，我们将继续深化研究、优化设计，提高系统的性能和稳定性。我们相信，通过不懈努力和合作，环保高效型水面漂浮系统将在未来发挥更加重要的作用，为构建清洁美丽的世界贡献力量。