水上光伏电站站址选择及总平面布置设计要点探讨

石 涛

(中国电力顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075)

0 引言

近年来，我国光伏产业得到了快速发展，光伏发电的装机容量突飞猛进。但由于地面光伏电站的能量密度较低且占用的土地面积较大，随着光伏发电装机容量持续攀升，受土地资源有限的制约，地面光伏电站的发展将会越来越受到限制。而我国的内陆水域面积较为宽广，约为1750万公顷(约为17.5万km2)，利用内陆水域如湖泊、水库等区域建设水上光伏电站，既不占用土地面积，同时又增加了光伏发电装机容量，是一种高效的光伏发电新形式。

水上光伏电站的站址选择和总平面布置对电站的经济效益具有决定性作用，是水上光伏电站设计中需重点研究的内容。本文依托工程设计经验，介绍了不同形式的水上光伏电站，并对水上光伏电站的站址选择和总平面布置的设计要点进行了探讨。

1 水上光伏电站的基本形式

根据建设场地条件的不同，水上光伏电站可分为固定式水上光伏电站和漂浮式水上光伏电站2大类[1]，下文将分别进行具体介绍。

1.1 固定式水上光伏电站

固定式水上光伏电站与传统的地面光伏电站采用的安装方式相同，都是将光伏组件支撑在光伏支架上，而光伏支架固定在桩基上。但固定式水上光伏电站与地面光伏电站的区别主要在于固定式水上光伏电站的桩基是布置在水中，增加了桩基成本及施工难度，但有利于光伏组件的清洗，并可以节约土地资源[1]。根据采用的桩基形式不同，固定式水上光伏电站可分为打桩式固定式水上光伏电站和架高式固定式水上光伏电站2种形式，具体如图1所示。

固定式水上光伏电站具有施工简便、适用性广泛、成本较低、结构稳定性好、施工速度快等优势；且固定式水上光伏电站所在水域可兼做鱼塘，有助于提高项目的整体经济效益等。但固定式水上光伏电站也存在船运维护困难、水深较大会导致电站的建设成本高等劣势。

图1 不同形式的固定式水上光伏电站Fig. 1 Different forms of fixed PV power station above water

通常，在最高洪水位时的水深小于5 m的水域，且站址区域为稳沉区时，可考虑优先建设固定式水上光伏电站[1]。

1.2 漂浮式水上光伏电站

漂浮式水上光伏电站一般建设在水域深度较大的区域，利用浮体的浮力承受光伏组件及相关设备的重量，并由锚固系统对浮体进行固定。根据浮体形式的不同，漂浮式水上光伏电站可分为浮管式(浮管+金属支架+光伏组件)漂浮式水上光伏电站和浮箱式(浮箱+光伏组件)漂浮式水上光伏电站2类，具体如图2所示。

图2 不同形式的漂浮式水上光伏电站Fig. 2 Different forms of floating PV power station above water

浮管式漂浮式水上光伏电站的优势在于光伏组件可以按最佳安装倾角进行布置，电站的整体发电量较大；但该形式的劣势是钢材及浮体的使用量都较大。而浮箱式漂浮式水上光伏电站具有用钢量少、浮体的整体重量小，且安装、维护方便等优势；但该形式的劣势在于受浮体形状的限制，光伏组件的安装倾角一般不超过20°[2]，无法达到最佳安装倾角，从而会影响电站整体的发电量。因此，对于漂浮式水上光伏电站具体形式的选择，应根据项目的实际情况而定。

通常，对于最高洪水位时的水深大于5 m且最低枯水位大于1 m的非稳沉区水域，可建设漂浮式水上光伏电站。

2 水上光伏电站的站址选择

2.1 基本原则

水上光伏电站的选址应在国家和地区层面针对可再生能源规划、城市及土地规划的基础上，根据规划选址区域的自然条件、太阳能资源、接入电网条件、项目建设装机规模、水文和地质条件、交通运输和施工条件、经济发展和环境保护要求等多方面因素进行综合考虑后确定。

水上光伏电站站址选择的基本原则主要包括以下 5点[3]：

1)符合当地的整体规划要求；

2)不压覆矿产资源，不占用军事设施、文物保护区；

3)站址所在地的太阳能资源条件丰富，避免选择存在大范围阴影遮挡的位置；

4)具有良好的水文地质、接入电网、交通运输和施工等建设条件；

5)符合环境和生态保护的要求，避开水源点、国家级森林公园、环境保护区等敏感区域，尽量减少对居民点及动、植物的影响。

2.2 选址要点

在对水上光伏电站的站址进行选择时，除了需要注意光伏发电项目应考虑的常规选址要素外，还需要重点关注水上光伏电站特有的选址影响因素。比如水上光伏电站站址所在水域的径流流速(水流)、水深、水位的变化情况，结冰情况，是否位于水源地，是否位于航道上，是否位于行洪区、滞洪区、泄洪区，是否位于滩涂和盐场等区域。具体来说，水上光伏电站进行站址选择时应从太阳能资源、自然环境、生态环境、通航要求、建设条件等多方面进行考虑。

2.2.1 太阳能资源

水上光伏电站的站址一般选在具有丰富太阳能资源且面积广阔的内湖或水库中。根据最近几年在建和已建成的水上光伏电站的选址经验，拟选站址一般要求年总太阳辐射量要大于1300 kWh/m2，因此，我国北方地区的山东省，南方地区的江苏省、浙江省等地区最适合建设水上光伏电站。但水上光伏电站的最终站址还是要根据不同地区的政策、电价、建设成本等条件进行综合分析后确定。

2.2.2 自然环境

对于水上光伏电站的站址选择，从自然环境方面需要注意以下几点：

1)要求所选水域的径流稳定，以防止水流过大导致光伏电站的浮体在水流冲击作用下发生撞击，造成浮体损坏；

2)需选取多年平均风速及多年最大风速较小的区域，以防止风荷载作用下产生的不利影响，例如风荷载造成光伏支架产生偏移、浮体拉杆及锚链的受力过大等；

3)由于水位变化过大会造成电站的浮体倾斜、发电单元(即光伏子阵)间水平错位等情况的出现，因此应尽量选取水位变化小的区域；

4)选择无台风、少暴雨等恶劣天气的区域；

5)应尽量选取冬季时结冰较少的水域，以防止浮体被冰冻破坏；

6)腐蚀性较严重的水域(如盐场)及其周边水域不适合作为水上光伏电站的站址。

2.2.3 生态环境

对于水上光伏电站的站址选择，从生态环境方面需要注意以下几点：

1)拟选站址不能位于生态敏感区域，并且应尽可能减少对水中动、植物等产生的不利影响。

2)工程施工过程中将进行水下施工，包括光伏阵列基础施工、平台基础施工、电缆敷设施工等工程，施工会扰动水下淤泥及地表，对生态环境产生干扰，因此需要防止工程施工对水质产生污染，影响电站周边或下游的生产及生活用水，选址时应尽量避免对周围居民区或对水质要求较高的区域的影响。

3)由于水系的改变可能会对防洪、排洪产生非常大的影响，因此泄洪区、滞洪区、行洪区及海边滩涂不适合建设水上光伏电站。

2.2.4 通航要求

水上光伏电站的拟选站址若位于通航水域时，需从航道深度、宽度、转弯半径，水流的许可流速，规定的水上通航的外廊等角度综合考虑是否适合建设水上光伏电站。

2.2.5 建设条件

在建设条件方面，需要关注拟选站址附近是否具备光伏组件、电缆、箱式变压器、水泥、砂石料等设备和材料的运输条件，包括打桩船等水上施工设备的进场是否便利等；还需要考虑船上作业的平衡性和安全性；同时，水上光伏电站的站址区域应和水池、堤坝等设施保持一定距离。

3 水上光伏电站的总平面布置

3.1 设计资料

水上光伏电站的设计资料和地面光伏电站的设计资料基本相同，仅在勘测资料方面有所差异。

水上光伏电站的勘测资料包括：

1)地形图需要包含水面外形图、水底地形图、水面标高等；

2)岩土勘测资料需要涵盖站址所在水域的水质分析内容；

3)水文资料或洪评报告中需要收集与站址相连的河道的水文资料，分析当地河流分布情况及历年洪水情况、站址处50年一遇最高洪(潮)水位、枯水期的最低水位、常年平均水位等水位变化情况等，并对站址区域的极端水位进行分析评估。

3.2 布置范围的确定

固定式水上光伏电站的布置范围一般为水面指定范围，多数情况下为项目确定的用地红线(即国土或规划部门对项目占地的批复范围)内的水面范围，基本不受水位的限制，只需满足洪(潮)水位要求即可。

漂浮式水上光伏电站的布置范围需要根据浮体厂家提出的浮体使用时的最小水深要求，并结合该类水上光伏电站所在区域的地形图和水文资料中枯水期最低水位，在用地范围内划定区域。

以江西省上饶市某漂浮式水上光伏电站为例，该漂浮式水上光伏电站建于湖上，其所在水域的湖底最低高程为12.91 m，最低水位为15.34 m，而浮体要求的最小水深为1 m，因此，湖底高程大于等于15.34‒1=14.34 m的区域无法布置浮体，即无法布置光伏阵列，即湖底高程小于14.34 m的区域为可布置光伏阵列的区域。通过地形分析，以湖底高程在12.91～14.34 m的区域作为可布置光伏阵列的区域，如图3所示，图中绿颜色填充的区域即为可布置光伏阵列的区域。

3.3 光伏组件的总平面布置

3.3.1 光伏组件的间距计算

无论光伏组件是采用固定式光伏支架还是采用平单轴跟踪光伏支架，水上光伏电站的东西向和南北向光伏组件间距计算基本和地面光伏电站的计算相同，区别仅在于水上光伏电站的光伏组件间距计算时的基准面可按照水平面来考虑，不需要考虑坡度。

图3 某漂浮式水上光伏电站的布置范围示意图Fig. 3 Schematic diagram of layout scope of a floating PV power station above water

以江西省上饶市某固定式水上光伏电站为例。该电站的光伏组件采用带微倾角的平单轴跟踪光伏支架，光伏阵列排布时主要考虑计算东西向的光伏组件间距，按照当地真太阳时09:00～15:00时东西向光伏组件不产生阴影遮挡进行计算，可以得到东西向的光伏组件间距为7.5 m；原则上南北向不需要考虑阴影遮挡距离，只需要留出1 m左右的人工检修净距即可。

需要注意的是，计算得出不产生阴影遮挡的光伏组件间距后应提交给光伏组件的生产厂家进行复核，得到对方的确认后方可由设计人员进行后续设计。

3.3.2 浮体的总平面布置

漂浮式水上光伏电站除光伏组件、逆变器、箱式变压器等常规设备以外，主要由漂浮系统、锚固系统、敷设系统和接地系统组成，光伏组件安装在浮体上。除了保证常规的不产生阴影遮挡的东西向光伏组件间距外，浮体的总平面布置还需要注意以下因素。

1)光伏阵列的每块光伏组件、每台逆变器、每台汇流箱及电缆均应有专门的检修运维通道。

2)应确保极端天气条件下，浮体方阵间在发生最大位移时不会产生碰撞。

3)综合布置范围的情况，浮体方阵优先采用大方阵，局部使用小方阵，互为补充。

4)浮体位置允许随水位变化，但应防止其碰到岸边，因此需根据浮体离岸距离、水深等因素确定浮体采用的固定方式。浮体的锚固系统可分为配重锚固、专用锚锚固和桩锚固3种形式，浮体的总平面布置需要结合锚固系统的形式进行综合考虑[4]。

5)浮体方阵的布置需要尽可能节省直流电缆，考虑到浮体由于温度产生的形变可自由释放，通过水动力计算确定浮体形变的最大尺度，并进行波浪力作用下浮体连接节点的疲劳分析。浮体厂家对浮体方阵的布置进行位移计算后，将浮体方阵(一整片浮体，不包含航道)布置好后直接提供给设计单位，然后再由设计单位向厂家提供遮挡及航道的相关要求。

3.4 航道的布置

水上光伏电站的总平面布置应兼顾航道的布置。航道是指供水上光伏电站的施工打桩船行驶和电站投产后检修船只进行检修时的通道，其布置要兼顾各光伏子阵中光伏组件的数量和电站施工、检修时的便利性。水上光伏电站的航道如图4所示。

图4 水上光伏电站的航道Fig. 4 Waterway of PV power station above water

光伏组件的维修和清洗是水上光伏电站应仔细考虑的问题，采用不同基础形式的固定式水上光伏电站的光伏组件维修与清洗方式大相径庭。若采用高桩承台式基础形式，由于其自身包括了钢平台(或钢筋混凝土平台)可供工作人员通行，因此可通过其自身的平台实现光伏组件的维修与清洗；若采用单桩式基础形式(无平台)，则最好通过行船来完成光伏组件的维修与清洗。因此在进行光伏子阵的布置时，应考虑行船所需的通道及行船掉头所需的空间。

航道布置前需要充分研读站址所在水域的水文气象报告或洪评报告，了解水上光伏电站所在水域的50年一遇洪水水位和重现期为50年一遇的低水位高度。要保证全年多数时间航道处的水深能满足船只的运行要求，尤其是距离岸边较近的航道。

同时，纵横的航道会将水上光伏电站的光伏站区划分为若干区块，应尽量保证各区块的光伏组件容量与电气专业发电单元一致，这样可有效减少电缆桥架跨越航道的情况出现，从而降低电缆桥架跨越航道对行船的影响，并减少电缆用量。

通过对已建成水上光伏电站的调研，一般主要航道间距不宜超过400 m，次要航道间距不宜超过300 m，即可保证施工和检修船只运行的通畅。航道的宽度一般应大于等于10 m，即可满足大部分施工和检修船型的要求。

3.5 光伏子阵的划分

光伏组件和航道布置完毕后，可进行光伏子阵(即发电单元)的划分。由于水域用地范围不规则，一般光伏子阵跨越航道的情况不可避免，如前文所述，光伏子阵跨越航道时会出现电缆影响船只通行、电缆工程量较大等问题。此时若仅考虑每个光伏子阵的容量配比和电缆连接的要求而对光伏子阵进行划分，会导致划分好的光伏子阵未考虑到航道跨越的合理性，出现1个光伏子阵跨越3个甚至4个航道的情况。此时应及时对光伏子阵的划分进行调整，对跨越航道较多的光伏子阵，应增补或删减光伏组件，从而尽量避免或减少光伏子阵跨越航道的情况出现。

3.6 箱式变压器平台的布置

箱式变压器平台在水上光伏电站中布置时应考虑以下因素：

1)原则上，箱式变压器平台的位置最好位于各个光伏子阵的中部或光伏子阵某一侧的中部，从而可以减少电缆长度。

2)箱式变压器平台应位于航道附近，一方面方便船只通行，另一方面可保证箱式变压器平台附近具有足够的水深，便于船只进行检修。箱式变压器平台附近需要预留独立的空间，但不可占用航道的宽度。

3)可将箱式变压器平台布置在2个光伏子阵之间，共用一条航道，有助于提高水面利用率，降低电站的建设成本。箱式变压器平台的布置位置示意图如图5所示。

图5 箱式变压器平台的布置位置示意图Fig. 5 Schematic diagram of layout position of box transformer platform

4)箱式变压器平台上除了集中式箱式变压器，还有逆变器，因此应和水上光伏电站全站的集电线路规划进行统一考虑。箱式变压器平台的位置应尽量位于水上光伏电站出线方向的一侧，以减小出线线路的长度。

5)固定式水上光伏电站一般采用打桩式箱式变压器平台。

6)若漂浮式水上光伏电站的水面面积较大或电站位于塌陷区内，建议采用漂浮式箱式变压器平台。漂浮式箱式变压器平台分为2种，分别为钢结构浮箱式箱式变压器平台、预制混凝土漂浮式箱式变压器平台，具体如图6所示。

图6 不同形式的漂浮式箱式变压器平台Fig. 6 Different forms of floating box transformer platforms

3.7 敷设系统的布置

光伏阵列区的直流、交流电缆宜采用浮箱固定、设置桥架的方式。高压交流电缆敷设优先采用水面漂浮敷设方式，其次选用水下敷设的方式；进行电缆敷设设计时应确保便于后期维护。

在水位变化较大或非稳沉区的水上光伏电站中，其电缆敷设及接地系统敷设需充分考虑水位的变化及光伏阵列的水平位移情况，电缆敷设可采用水面漂浮敷设方式，并设置冗余的“S”弯布置，如图7所示。

图7 采用水面漂浮敷设方式的电缆Fig. 7 Cable laid with floating laying method on water surface

3.8 水上光伏电站总平面布置中的其他要素

3.8.1 站址周边因素的影响

应注意水域附近的线路杆塔对水上光伏电站中光伏组件产生的阴影遮挡影响，避免线路穿越光伏站区；若无法避免，应在线路两侧预留一定的宽度，以保证光伏组件不受阴影遮挡，并预留线路杆塔的检修通道。

若水上光伏电站站址内或站址周围存在坝体、高堤等设施，在布置光伏组件时应注意避让，光伏组件需要与坝顶、坝脚之间留出一定的安全距离，并需考虑坝体对光伏组件产生的阴影遮挡的影响。

漂浮式水上光伏电站若采用岸边锚固方式进行固定，光伏组件与坝顶、坝脚之间的安全距离应结合锚固长度进行综合考虑。

3.8.2 围栅设计

1)当水上光伏电站的光伏站区的征地范围位于水位线(指年平均水位覆盖的范围线)以外时，可参考地面光伏电站布置围栅，在光伏站区周围设置高度不低于1.8 m的铁丝网围栅。

2)当光伏站区的征地范围位于水位线以内或水位变化幅度较大时，针对漂浮式水上光伏电站而言，若光伏站区的光伏组件距离岸边较远时，可不设置铁丝网围栅；若光伏组件距离岸边或人群聚集地(如村庄)较近时，可采用浮球、警示标，以及加装水网等形式对光伏站区进行围护。

针对固定式水上光伏电站而言，其围栅设计可采用支架管桩加装钢丝网围栅的形式，围栅的高度应大于所在水域的最高水位和最低水位差。针对所有水上光伏电站而言，为了保证船只的航行要求，航道出入口处采用可拆卸的简易浮体进行围合。支架管桩加装钢丝网围栅的立面、平面示意图如图8所示。

图8 支架管桩加装钢丝网围栅的立面、平面示意图Fig. 8 Elevation and plane diagram of fence with installing steel wire mesh on bracket pipe pile

4 结论

本文针对不同形式的水上光伏电站，阐述了水上光伏电站站址选择的基本原则和选址要点，并对水上光伏电站总平面布置的设计要点进行了探讨。与传统地面光伏电站的站址选择和总平面布置相比，由于水上光伏电站的光伏组件是布置在水域中，因此其在站址选择和总平面布置等方面有独特的设计特点。随着“光伏领跑者”计划的实施，很多水上光伏电站已建成投运，但仍有多项工程正在实施或开展前期工作，以期通过本文探讨的研究结果为业内相关人员提供参考借鉴。