漂浮式光伏发电系统在采煤塌陷区的应用

梁甜，吴继亮，糜文杰，周敏

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙410014）

1 引言

煤炭资源开采犹如一把双刃剑，在适应国家能源需求的同时，造成矿区内大量土地塌陷。在采煤塌陷水域开发光伏发电站，具有得天独厚的优势，不仅可以有效利用采煤塌陷区闲置废弃水域资源、解除光伏项目开发土地因素的束缚，拓宽光伏发电的应用，同时，还可以提高发电量、保护水资源、节约煤炭资源、改善塌陷区生态环境，实现综合效益最大化。然而，采煤塌陷区地形地貌、水文地质情况复杂，给光伏发电项目的开发带来了新的问题。本文结合采煤塌陷区水域的特点，从结构设计角度分析了漂浮式光伏电站在采煤塌陷区水域应用的可行性及设计要点，为采煤塌陷水域漂浮式光伏电系统设计提供借鉴。

2 漂浮式光伏电站概述

水上漂浮式光伏发电系统是指在水塘、小型湖泊、水库、堰塞湖等水域环境建设的光伏电站，以解决地面光伏发电用地紧张的问题，该技术在国外发展较早，据统计[1]，目前，日本、印度、韩国、新加坡、英国、美国、挪威、巴西、澳大利亚等国家均发展了水上漂浮式光伏电站。相较日本、英国、韩国等国家已经陆续有漂浮式光伏电站落户。我国起步较晚，2016 年才开始大规模兴起，项目可借鉴经验少。与传统地面光伏电站相比，水上漂浮式光伏电站具有节约用地、提高系统发电效率、运营维护方便、环保等优点[2]。

3 漂浮式光伏电站在采煤塌陷区水域的应用

3.1 采煤塌陷区水域特殊性分析

所谓采煤塌陷区，是指当煤炭资源开采后，采空区域的上部岩土层原始应力平衡受到破坏而发生的断裂、弯曲、冒落等移动后升至地表，在采空区上方形成的下沉盆地。当下沉区域地下水位较高时，极易形成常年积水区域，与常规水塘、小型湖泊、水库相比，采煤塌陷区水域具有更为复杂的环境。首先，采煤塌陷形成的水域，其水下地形地貌、工程地质条件极为复杂，受原始地形地貌、地下岩层分布、开采方式、开采范围、开采时间等因素影响，塌陷形成的水域，其地形及地质条件发生的变化难以预测，且塌陷形成是由岩体力学平衡破坏引起的，具有持续性，导致水下地形及地质条件处于长期变化状态，通常，塌陷基本稳定需要超过5a 时间；其次，塌陷具有复活性，随着时间推移，塌陷趋于基本稳定，但一旦受到外力影响和扰动后，如地震、暴雨、复采等，采空区将再次被激活，再次形成灾害。

由此可见，与常规水塘、小型湖泊、水库上的漂浮式光伏电站相比，在采煤塌陷区水域开发漂浮式光伏电站，不仅要通过荷载组合计算自重、风、雪、波浪、覆冰等[3]荷载作用下漂浮系统的稳定性和锚固基础的承载能力及稳定性，还需要考虑地基土塌陷这一特殊因素对漂浮系统所产生的特殊影响。

3.2 漂浮式光伏电站漂浮系统选型分析

水上光伏电站包括固定式和漂浮式2 类，其中，固定式与传统地面光伏电站类似，即光伏组件安装于光伏支架上，支架安装于固定式基础上，如桩基础；漂浮式光伏电站一般用于水深较深的区域。目前，常用的漂浮式光伏电站漂浮系统，按形式分为2 类：浮体+支架；一体化浮筒。

1）浮体+支架（见图1）：采用浮体与金属支架构成的水面漂浮系统，通过设计合理的浮体，将光伏组件安装于支架上，支架固定于浮体上，浮体漂浮于水面上。主要包括浮体、固定支架、浮动平台系泊系统等。该结构可按最佳倾角进行布置，发电量得到提高，但系统受风荷载作用较大，上部支架结构设计需考虑波浪荷载，支架及浮体用钢量大。

2）一体化浮筒（见图2）：通过设计合理的浮体，将光伏组件用螺栓直接安装于浮体上，浮体漂浮于水上，主要包括组件浮体、过道浮体和漂浮平台系泊系统等。该系统组件支撑系统与浮体系统是同一系统，根据组件倾角制作成相应的角度，无须设计钢支架，减轻了平台重量，但该系统连接耳环需要经过详细的内力计算和力学试验，若不满足受力要求，需要进行局部节点加强。

综上，一体化浮筒结构形式简单，安装、维护便捷，同时，基于漂浮码头的经验和行业的发展，其质量和产能得到了较大提升，造价下降明显，目前，越来越得到行业内认可，已大量运用于水面漂浮式光伏电站。

图1 浮体+支架示意图

图2 一体化浮筒示意图

3.3 漂浮式光伏电站在采煤塌陷水域的应用优势分析

光伏发电站建构筑物的正确设计与否，直接影响光伏电站安全与经济性效益，而光伏组件的支撑构件更是重中之重。如前文所述，采煤塌陷区水域具有水下地形复杂、塌陷易复活等特点，因此，在采煤塌陷区水域开发光伏项目具有其特殊性。受塌陷的影响，水面固定式支架在塌陷区的使用存在较多问题，相较于固定支架式而言，漂浮式光伏电站在采煤塌陷区水域运用具有其独特的优势。本节结合济宁市微山县塌陷区某光伏基地项目，对固定支架式和漂浮式光伏电站进行了详细对比。由表1 可知，固定支架式虽在经济性方面稍有优势，但在安全性、便捷性和环保性方面较漂浮式缺陷明显。

表1 不同型式支撑系统分析

3.4 采煤塌陷水域漂浮式光伏电站设计要点分析

由前述可见，漂浮式光伏电站在采煤塌陷区水域具有其独特的优势，但由于塌陷区水域具有其特殊性，在进行漂浮式系统设计时，除应考虑常规水域漂浮式电站设计所考虑的因素外，还应考虑地层塌陷、洪水位等因素对系泊系统、平台布置的影响。

3.4.1 系泊系统锚链长度

常规水域漂浮式光伏电站系泊系统锚链长度设置仅考虑水位变化范围，满足漂浮平台能够适应高水位与低水位之间的变化幅度即可，但塌陷区水域还需考虑塌陷对锚链长度的影响。当按正常情况考虑时，地层塌陷后，将出现高水位情况下漂浮平台不能满足浮动空间的情况（见图3），假定：（1）地层塌陷前设计最高水位情况下，设计抛锚距离为X，锚链顶端与最高水位间高差为H1，锚链顶端与最低水位间高差为H3，锚链需要长度为L1，方阵单侧可活动位移为Y1；（2）地层塌陷距离为H2，地层塌陷不影响设计抛锚距离X，锚链需要长度为L2，地层塌陷后方阵单侧可活动位移为Y2，则根据三角几何关系可得：

根据上述表达式可知，L2＞L1，即在采煤塌陷区水域设计锚链未考虑塌陷的影响时，将导致塌陷后高水位时系泊系统被破坏或者漂浮平台被破坏，造成严重的安全性问题。

3.4.2 平台布置间距

如前文所述，当仅考虑常规情况时，漂浮方阵的水平位移为2Y1，当考虑地层塌陷时，漂浮方阵的水平位移为2Y2。由图3 可知，Y2＞Y1，即漂浮平台具有更大的水平位移空间。因此，在采煤塌陷区水域布置漂浮平台时，应充分考虑地层塌陷所要求的额外空间，以避免漂浮平台与其他设备平台发生碰撞，造成设备损坏及安全问题。

图3 锚链长度计算示意

3.4.3 塌陷分析

鉴于采煤塌陷区水域具有其特殊的复杂性，在设计前，需要获取详细的场址塌陷稳定性分析报告，并进行详细分析，以进行合理判断并开展布置。此外，由于采煤塌陷区具有复活性，需要详细调查场址区域开采规划，及时了解煤矿开采动向并进行塌陷预测分析，依据塌陷分析情况，对预测塌陷较为严重的区域进行重点检查，同时，对基础的标高、垂直度等参数进行定期复核。

3.4.4 安全监测

由于地层塌陷为不可控因素且对系泊系统基础稳定性及安全性影响极大，在系泊系统基础设计时，应设置相应监测点，如锚固桩顶部、锚固桩与水底泥面交界处。同时，施工过程中严格控制每一个锚桩基础的埋置深度、基础顶标高及垂直度等，并做好记录，当运行监测时发现锚链、锚桩下沉深度或倾斜程度超过设计允许值时，应及时采取相关措施。

4 结语

在采煤塌陷区水域开发漂浮式光伏电站具有其独特的优势，可有效利用采煤塌陷区水域、避免塌陷对组件支撑系统产生直接破坏，同时，能够改善塌陷区水域生态环境，实现综合效益最大化。但采煤塌陷区水域地形地貌、工程地质情况复杂，在进行漂浮式光伏电站设计时，应充分考虑地层塌陷稳定性、洪水位及地层情况等因素的影响，在充分分析场址特殊条件的情况下，选择合适的场址方阵布置形式及系泊系统锚链长度，同时，应针对塌陷区特殊条件设置监测点，确保项目长期运行的安全可靠性。