东北寒冷地区水面漂浮式光伏电站关键技术综述

常 颖，马建军，陈 博，师小小，白雪松

（1．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林省长春市 130021；2．松原市哈达山发电有限公司，吉林省松原市 131599）

0 引言

国家在“十四五”规划中提出，继续将新能源产业列为战略新兴产业，提升新能源消纳和存储能力，并提出“碳达峰，碳中和”的新概念，树立二氧化碳排放量力争于2030年达到峰值，2060年前实现碳中和的目标[1]。这一战略性目标给新能源的发展带来了前所未有的机遇，特别是以太阳能、风能等绿色能源为动力的低碳环保的发电事业，将随着国家政策的东风进一步发展壮大[2]。本文所介绍的关门山水库水上光伏发电工程就是响应国家产业政策应运而生的，作为科研试点项目，在东北寒冷地区众多水上光伏项目中别具一格。

本站位于辽宁省开原市关门山水库，为辽宁大唐沈东热电公司建设的50kW光伏发电科研示范项目工程，属于纯离网项目。实验性项目研究成果主要解决了寒区水面漂浮式光伏电站的几个关键技术问题，主要包括：

（1）光伏组件方位角和倾角的选择。

（2）适合东北寒冷地区水域的水面漂浮式光伏发电浮体型式的研究。

（3）适合东北寒冷地区水域的水面漂浮式光伏的锚固系统的研究。

1 基本设计方案

1.1 光伏阵列

本站选择晶科单晶光伏发电组件，组件单片功率460Wp，尺寸为2182mm×1029mm×35mm，组件数量为112块，光伏阵列总容量为51.52kW。每块组件重量为25.0kg，组件总重量为2800kg。现场目前安装1个光伏子阵，共7排，每排布置16块光伏组件。

1.2 浮体和支架

本站采用漂浮的安装方式，浮体布置型式为浮体加金属杆件的组合型式。浮体与浮体通过抱耳相互连接形成东西运维通道，各运维通道之间通过南北向金属杆件相互铰接形成一个浮动的安装基础，再将光伏组件通过金属支架安装在这个浮动的基础上。为保证组件良好的通风及水冷降温效应从而带来发电量的最大提升，组件正下方不布置浮体。现场光伏子阵排列现场如图1所示。

图1 光伏子阵排列现场Figure 1 Array of photovoltaic cells

1.3 逆变器选择

选用离并网储能逆变器一体机，额定功率5kW，额定工作直流电压360V，最大直流电压600V，2路MPPT（最大功率点跟踪）输入回路。逆变器接入2个组串支路，每个组串支路为8块光伏组件串联，2个组串支路共16块组件。

1.4 锚固系统

结合本次试验项目体量小、投资少、冬季水下施工不便的特性，选用沉锚的形式进行施工。锚块尺寸1.1m×1.1m×0.5m，单个干重约1.5t，共22个。锚固绳索系泊半径20m，单根绳长25m，最大偏移量3.6m。

2 关键技术问题研究

2.1 光伏阵列方位角及倾角的选择

2.1.1 方位角的选择

方位角是太阳能组件方阵的垂直面与正南方向的夹角。本站光伏组件支架采用固定式不可调运行方式，光伏阵列朝向正南方向，方位角为0°，此时发电量是最大的[3]。

2.1.2 倾角的选择

倾斜角是太阳能组件方阵平面与水平地面的夹角。选择光伏阵列的倾角，需考虑当地气象条件、组件支架的运行方式、阵列的排布方式等多个因素之间的制约关系[8]，另外，PVsyst是目前光伏系统设计领域比较常用的软件之一，可以作为计算光伏方阵倾斜角的辅助工具[4]。

本站选择的倾角有12°和20°两种。其中，12°倾角目前被广泛地应用于水上光伏工程，主要原因是考虑水域面积广阔，没有构筑物及植被的遮挡，由T/CPIA 0017—2019《水上光伏发电系统设计规范》附录A.2公式可知，倾角越大，计算面积越大，组件上承受的风荷载越大，越容易造成设备倾覆，因此目前已经投建的水上光伏项目，根据组件排列的距离不同，多选用5°、10°或12°的小倾角设计方案。

式中：W——风荷载设计值；

A——计算面积，光伏组件在正北侧竖直方向的投影面积；

Wk——风荷载标准值；

K——方阵修正系数。

通过PVsyst软件进行模拟，并考虑风荷载、雪雨冰霜等影响，设计方提出使用20°倾角的方案，理由如下：

（1）令倾角接近PVsyst软件模拟计算值，即最佳倾角，大大提高了组件接收的太阳辐照量，从而提高了单位面积年发电量。

（2）有利于加快组件上的融雪速度和冰雪滑落。

（3）由气象部门统计数据得知，开源地区属于季风性大陆性气候，春夏多西南风，秋冬多西北风，平均风速在2.2～4.2m/s之间，最大风速不超过5m/s（排除极端天气情况）。

本站是科研试点项目，工程体量小，组件数量少，经过风载计算和大量水上实验，设计人员得出结论，本项目组件不存在倾覆的危险。

为了对比不同倾角的效果，本站选择了12°和20°两种角度作对比试验，在冬季降雪之后，可直观地看到两者发电量的显著差别。

2.2 浮体

2.2.1 浮体型式

水上光伏有多种建设型式，国内外已建项目普遍使用的建设型式见表1。浮体是漂浮式水面光伏漂浮系统的基础，浮体的型式及使用材料也多种多样，并随着漂浮式水上光伏的发展在不断地更新图调整。

表1 水面光伏普遍使用的建设型式Table 1 Water surface photovoltaic commonly used construction patterns

各建设型式都有其适用范围和优缺点，各种漂浮系统的适用范围、优缺点对照见表2。

表2 水面光伏的几种建设型式的优缺点比较[7]Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of several construction types of surface photovoltaic

考虑工程体量、预算指标、施工难度等因素,本站选用HDPE浮箱+支架式漂浮光伏系统。浮箱+支架形式较标准浮箱形式受力更合理，造价低，可有效解决节点强度低的问题。但在设计过程中，要考虑波浪对漂浮系统的影响，合理设置构造连接措施。

2.2.2 浮体材料

材料性能直接关系到浮体设计使用寿命。HDPE（高密度聚乙烯）是现阶段国内外普遍使用的浮体材料，是一款具备抗衰老、抗老化的超长耐候材料[5]。

制作浮体的原材料有多项性能指标，如溶指（决定原料的加工性）、密度、ESCR（即耐环境应力开裂，决定了浮体在水中长期浸泡和应力共同作用下的抗开裂性能，劣质或低ESCR材料使用在浮体中会留下长期隐患，导致浮体开裂漏水）和拉伸性能（老化前后的重要判断依据）。不同原料供应厂家生产工艺不尽相同，市面上的HDPE原料质量良莠不齐，本站选用了水面光伏设备新材料研发实验室（CNAS认证实验室）研制加入了改性材料的新型HDPE产品，性能优于同类产品，在耐久性和结构稳定性方面都有了很大提高。在母料方面，通过了实验室的包括HDPE材料19项基本性能测试、耐化学试剂+拉伸测试、主成分定性分析、HDPE盐雾测试、六阶段紫外线老化性能测试等30余项系统性试验。

材料性能直接关系到浮体设计使用寿命。现代工艺生产的光伏发电组件的运行寿命为25年，则浮体材料应满足至少25年的正常使用寿命。新材料的使用对电站的长期正常稳定运行、检修维护、投资的回收都起着至关重要的作用。

2.3 锚固系统

2.3.1 锚固系统的作用和组成

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、接地系统能够可靠工作的关键点。锚固系统的作用有：控制漂移范围、保证组件朝向、防止浮体掀翻倾覆，使漂浮光伏阵列具备抵抗外界环境（如大风，暴雨及其他恶劣天气）荷载的能力。

一般锚固系统由锚固基础、系泊缆、锚固桁架三部分组成[6]，安装示意图见图2，常用的几种锚固方式见图3。图2中，1为锚固基础，约束漂浮方阵，一般有混凝土重力锚、桩锚、地锚、船锚；2为系泊缆，连接水底锚固基础与光伏阵列，一般有钢丝绳、弹性绳、锚链等；3为锚固桁架，连接系泊缆，一般为金属焊接件。

图2 锚固系统安装示意图Figure 2 Installation diagram of anchoring system

图3 常用的几种锚固方式Figure 3 Some common anchoring methods

2.3.2 锚固方案选择

由于每个工程都有其唯一性和特殊性，并结合水库周边情况、库底土质、施工成本等多个因素进行考虑，因地制宜地制定出具体的锚固方案。将几种可行的锚固方案进行比选后,本站选用重力锚方案，锚固方案比选见表3。

表3 几种锚固方案的比选Table 3 Comparison and selection of several anchorage scheme

2.3.3 沉重力锚方案

（1）设计方案。

根据之前的设计成果，考虑光伏阵列所受的风荷载、水流、波浪等作用，制定出一个可操作性强、利于安全施工的沉锚方案。锚固系统方案布置示意见图4，锚固系统设计数据输入、输出见表3。

图4 沉锚系统方案布置示意图（单位：m）Figure 4 Schematic diagram of anchor system layout（unit：m）

表4 锚固系统设计数据输入、输出表Table 4 Anchor system design data input and output table

（2）作业流程。

1）运输锚固块的托运车将锚固块运输到现场岸边吊车作业半径内，吊车将锚固块放在倒运冰车上。

2）锚固定位人员先将定位点冰面做好标记，再将标记处冰面破开。

3）由于锚固块重量高达1.5t，冰面冻层厚度不均匀，局部有可能出现冰面断裂现象。为了保障施工安全，采用绳索牵引的方法，施工人员钢丝拉线固定在锚固块上，然后站在岸边用绳索牵引运输冰车，将冰车牵引到锚固块定位处。

4）将锚固块用绳索牵引投入水底。

3 结束语

本站属于科研示范项目，其建设目的在于对新技术、新材料、新工艺的探索，本文共论述了水上光伏的三个关键技术问题：

（1）东北寒冷地区水面光伏的组件倾角的设计（新技术），首次使用20°倾角设计，在系统保持稳定的基础上，大幅度提供了发电率。

（2）新型浮体材料的应用（新材料），使用HDPE+改型材料作为浮体材料，大大提高浮体性能，增长使用年限。

（3）东北寒冷地区沉锚技术的实施（新工艺），充分考虑安全性、可靠性、可操作性，合理制定施工方案，达到人材机的最优配置。

本站已于2021年2月投入生产，实现独立运行。施工顺利，运行良好，各方面优越性均得以体现，建议可将本站的创新成果应用在即将建设的具有类似条件的水上光伏电站中。