浅谈水面漂浮式光伏电站工程设计

徐淑师

【摘  要】水上漂浮式光伏电站主要是利用水塘、中小型湖泊、水库、蓄水池、采煤塌陷区形成的水上平台将光伏组件漂浮在水面进行发电。本文分析了水面光伏电站设计中的要点和难点，浮体、组件、逆变器及漂浮平台选型的特殊性，以及水面光伏电站建设各环节重点问题分析。

【关键词】水面漂浮光伏电站;浮体;设计.

水上漂浮式光伏电站主要是利用水塘、中小型湖泊、水库、蓄水池、采煤塌陷区形成的水上平台将光伏组件漂浮在水面进行发电。水上漂浮式光伏电站的组成部分主要为光伏面板、汇流箱、逆变设备、变压器、集电线路、聚乙烯浮体架台等。漂浮光伏电站的设计对EPC造价及电站的运行维护都起到重要的作用。

1、水面漂浮光伏电站前期设计所需资料

（1）厂区红线：确定水面范围，落实水面租赁情况。

（2）地形图：场址范围内比例尺不小于1：500的地形图。测量图包金地形图、水面外形图、水底地形图、水面标高等。

（3）岩土勘察资料：光伏发电工程站址区工程地质初步勘察资料（含水质分析、水、土壤腐蚀性分析等）。

（4）水文资料：当地河流分布情况及历年洪水情况、场址处50年一遇最高洪（潮）水位，水位变化情况等。收集场址相连河道水丈资料，调查分析河道各种水源可供水量和取水可靠性，并进行场址水源条件和极端水位分析评估。

（5）接入系统资料：已取得的接入电力系统设计及审查批复意见，以及本工程接入变电站的相关电气资料。

以上资料直接影响到项目的可行性、经济性和后期能否順利实施的关键前期文件。

2、水面漂浮光伏电站设计要点

2.1 漂浮系统

漂浮系统由光伏阵列漂浮系统和电气设备漂浮系统构成。设计需经过比选，考虑电站的使用寿命，选择满足要求的漂浮系统，并且设计应充分考虑电站运维检修的便利和成本。

2.1.1 光伏阵列漂浮系统

光伏阵列漂浮系统建设形式分为浮管式和浮箱式。浮箱式又可分为HDPE标准浮箱式、HDPE浮箱加支架式和高强复合混凝土浮箱式。浮管式、标准浮箱式和HDPE浮箱加支架式漂浮光伏系统均广泛适用于水深较深，塌陷区，具有防渗层的水库等水域。最低枯水位时，光伏阵列下水深小于0.5m时，不能采用此系统。

浮管式漂浮光伏系统优点为造价较低，浮管结构受力合理，组件可按照最佳倾角布置。缺点为连接节点多，施工困难，检修难度较大，结构稳定性较差。

标准浮箱式漂浮光伏系统优点为模块化，轻量，无支架连接节点少，施工方便，工期较短采用耳环连接，能较好的适应水面波动的影响。缺点为造价最高，浮箱连接耳环是其薄弱环节，需经过计算并采取加强措施，HDPE材料的耐久性需进一步提升，组件不能实现最佳倾角。

HDPE浮箱加支架式漂浮光伏系统优点为造价较低，结构合理，浮箱仅作为浮体，提供浮力，较大的水平力由支架承担，构造措的提升，更适应水面环境;缺点为连接节点多，施工难度大，HDPE材料的耐久性需进一步提升，结构稳定性较差。浮箱加支架形式较标准浮箱形式受力更合理，可有效解决节点强度低的问题。

高强复合混凝土浮箱漂浮系统优点为浮箱耐久性极高，造价较低，结构合理，构造措的提升，更适应水面环境，可实现任意倾角，结构稳定性强。缺点为浮箱自重大。高强复合混凝土浮箱加支架形式较标准浮箱形式受力更合理，有效解决浮箱耐久性差、节点强度低的问题。

2.1.2 电气设备漂浮系统

水面漂浮的光伏电站，若水面尺寸较大或塌陷区内，建议采用漂浮式电气设备平台。漂浮式电气设备平台可分为浮箱式钢结构平台、预制混凝土漂浮平台等。设计设备漂浮平台时，需计算最不利工况下的承载力、倾覆力、连接锚固力、吊装验算等，并考虑其耐久性和经济性。

2.2 锚固系统

锚固系统可分为配重锚固、专用锚锚固和桩锚固。锚固系统需根据水文资料及沉陷报告，设置相应的适应水位变化的措施。桩锚固系统是一种经济、安全可靠的一种锚固系统。光伏阵列在凤荷载、水流、波浪等的作用下，产生较大的水平力，配重锚固、专用锚锚固提供的锚固力校小，需要设置的锚固点数量较多。采用桩锚固的方式，可以提供更强的锚固力，减少锚固数量。沉陷区也能够采用锚固桩的方式，但是有防水层的水域，不能釆用。

锚固系统是“水面漂浮电站”设计的难点，也是漂浮系统、敷设系统、接地系统能否可靠工作的关键点。光伏阵列组装完成后，拖移至合适位置，进行初步的定位，待调整完好后再与锚固系统连接。

普通的混凝土配重锚固方式锚固力较小;专用锚造价较高;锚固桩锚固的方式，受水深、沉陷情况及施工工期的影响较大。

2.3 敷设系统

敷设系统有交、直流电缆敷设和集电线路敷设。交、直流电缆敷设在漂浮系统上能方便施工和检修;集电线路敷设应设置相应的适应水位变化的措施。光伏阵列区的直流、交流电缆宜通过浮箱固定，设置桥架的方式。高压交流线缆敷设优先釆用浮体上敷设方式，其次选用水下敷设方式，设计时应确保后期维护的便利性;线缆设计时应根据水位的变化充分考虑线缆长度的余量;此外还应根据水域的自然环境来确定电缆护套的材料。

2.4 接地系统

水面漂浮电站接地非常重要，根据不同的水面情况和组件选型等因素综合确定。水面漂浮部分的接地引下线应设置相应的适应水位变化的措施。选取合理的接地装置。对保护接地、工作接地和过电压保护接地采用一个总的接地网。其接地装置的接地电阻值要求不大于4Ω。水面漂浮部分的接地引下线应设置适应水位变化的措施及预留冗余。

2.5 开关站或升压站及送出线路

漂浮电站的环境多为高温、高湿，甚至盐雾环境。设备器件失效率高，设备应尽量减少易损件的使用，减少运维巡检困难。设备选择IP67防护等级。

在水面光伏电站，工作人员在水中作业，在抑制PID效应同时，需要防止人员触电风险，保律人生安全。具有残余电流检测RCD及电路切断功能。

若采用组串式逆变器，无需单独设置电气设备漂浮漂浮平台，造价能降低一部分，组串式逆变器建议采用立式安装。若采用集中式逆变器，需要与箱变一起设置单独的漂浮平台。

3 结语

设计方案的选择，直接关系到工程投资、EPC造价及商业运行后的日常维护，也能反应电站的安全运行及年发电产量。具体的设计方案应当与投资方的要求及电站厂址的自然环境相适应，不能盲目追求效益最大化而忽视环境制约影响。

参考文献：

[1]商长征."水面光伏电站设计要点分析." 电力勘测设计（2017）.

[2]蔡伟东，彭康.关于大型水上光伏电站的技术探究[J].现代信息科技，2019，（18）.

（作者单位：中国电建集团核电工程有限公司）