高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统布置影响因素研究

张顺 丁红 刘爽 刘一亮 赵作飞 张清华

摘要：为研究漂浮式水上光伏在高寒高海拔地区的应用，保证高寒高海拔环境下光伏阵列系泊系统的有效性、安全性与可靠性，基于理论分析并结合实际工程，初步分析了高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统布置影响因素，并结合工程实践结果，提出了初步解决措施。结果表明：冰层、冰脊、浮冰及冰水分离均会对高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统的布置产生不利影响;优化锚绳裕量、增设弹性装置、考虑附加质量、加强水位监测等措施可有效缓解以上因素对高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统的影响。

关键词：漂浮式水上光伏; 系泊系统; 冰脊; 高寒高海拔地区

中图法分类号：TM615 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.014

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0084 - 06

0 引 言

漂浮式水上光伏是指在水塘、湖泊、水库、蓄水池、河流、海洋等水面建立漂浮式光伏电站（图1），一般利用浮体使光伏板“漂浮”于水面上，以解决传统光伏发电占地面积大的问题[1]。同时，由于水体的有效冷却作用，在同等条件下，漂浮式水上光伏电站的发电量要高于传统地面光伏电站。随着技术逐渐趋于成熟，目前漂浮式水上光伏已进入快速发展的时期，截至2020年8月，全球累计装机容量已达到2.6 GW[2]。

当前漂浮式水上光伏电站多建设于南方地区，在气候条件相对恶劣的北方区域，由于受气温低、冰冻时间长、积雪厚度大等因素影响，漂浮式水面光伏电站一直未能大规模实施，使得北方寒冷地区许多湖泊、水库等水面资源闲置浪费，未能有效充分地利用。据中科院2011年测算结果，东北平原与山区湖区共425个湖泊，面积合计4 699.7 km2[3];基于2018年统计数据，北方六区（淮河区、黄河区、西北诸河区、海河区、辽河区、松花江区）的水库总数量为19 535座，总库容为2 965亿m3[4]。据此推算，高寒高海拔地区水库水面潜在漂浮式水上光伏装机容量约为200 GW。

高寒高海拔地区漂浮式水上光伏设计中必须要重点解决的问题是雪和冰[5-6]，其中，对系泊系统影响较大的要素之一是冰，主要影响为：① 厚冰会影响系泊系统施工过程中的系泊缆长度与余量设置，带来一定的安全隐患;② 冰在形成过程中易形成冰脊，冰脊可能会破坏系泊缆与阵列连接处，进而破坏系泊系统有效性;③ 冰在融化过程中易形成冰排，流速较大的冰排撞击阵列会产生较大的冲击力，既会造成浮体破损，又会使系泊缆承受较大的瞬时冲击荷载，威胁阵列安全;④ 冰排与阵列结合在一起，会增大阵列的流荷载，可能超过系泊系统的设计荷载值，引起系泊系统损坏或失效等;⑤ 水面表层结冰后，冰下水位下降，出现冰水分离现象，使得光伏阵列悬空，而化冰时由于融化不均匀，导致阵列部分悬空，部分落至水面，产生一定的弯折，破坏阵列完整性。高寒高海拔地区漂浮式水上光伏电站见图2。

本文研究了高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统布置影响因素，旨在解决高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统易失效、稳定性较差的问题，进而提升高寒高海拔地区漂浮式水上光伏电站的安全性，推进漂浮式水上光伏电站在高寒高海拔地区的发展。清洁能源的应用，既能为附近的牧民提供经济、便捷的电能资源，又有助于当地的绿色发展，推进碳达峰、碳中和目标的实现，经济效益和社会效益巨大[7]。

1 影响因素分析

1.1 冰 层

考虑到施工的便利性，高寒高海拔地区漂浮式水上光伏通常会在结冰后进行施工，其施工步骤可概括为：根据施工图纸锚块的定位，在冰面上凿相应的孔洞，将锚块竖直抛入水中;在冰面设计定位区域组装好浮体阵列，并安装好光伏组件，再将浮体阵列与系泊系统连接。通过这样的施工操作，可使阵列在春季冰融化后直接漂浮在水面上。系泊系统施工俯视图、侧视图见图3～4。

由图3～4可以看出，锚块抛至指定位置后，由于冰层的阻挡作用，锚绳需留出大量的余量以便能与阵列连接，这部分余量可能达到实际所需值的2倍或以上。当冰层消失，阵列会由于锚绳余量过大，在风浪流的作用下，产生较大的水平位移以及偏转，如图5所示。阵列发生过大的水平位移可能会导致阵列之间相互碰撞或阵列与岸边碰撞，阵列发生过大的偏转会使光伏组件偏离最佳发电倾角，影响漂浮式水上光伏电站的发电量。

1.2 冰 脊

冰脊（图6）是冰在风、流、浪等环境动力作用下发生破碎后由于重叠、挤压等作用，而由大小不同、形状各异的冰块在冰上下表面形成的隆起部分，主要由脊帆和龙骨组成。冰脊在高寒高海拔地区出现的频率较高且对阵列的影响较大。冰脊帆高主要与冰厚以及冰弯曲强度有关[8-9]。

入冬时，水变成冰会发生体积膨胀，消耗水域四周土壤可压缩裕度，土壤很难被进一步压缩。不同位置的冰盖温升情况并不相同，热胀冷缩情况也不一致，因此冰面会产生很多裂缝，冰盖之间也会因此形成狭长的大裂缝，这些裂缝就是冰脊的潜在生长点。在温升冰膨胀时，冰盖之间的挤压就会在裂缝处产生冰脊，以释放应力。由此可以发现，冰脊通常产生在冰层比较薄弱的区域，也就是冰厚交替处，但这个位置对光伏阵列来说是具有不确定性的，可能发生在阵列的任何方位，但主要可分为两种情况：① 冰脊发生在阵列中间;② 冰脊发生在阵列边缘。

冰脊在阵列内部生成，会对冰脊周边的锚绳产生较大的影响。如图7所示，当冰脊顶起阵列时，露在冰层表面的锚绳由于冰层的固定作用，无法正常释放有效余量，导致锚绳与阵列之间拉力过大，可能会导致部分锚点失效，影响阵列的安全性。针对这类工況，对一组应用于霍林河水库漂浮式水上光伏项目的2×2的光伏阵列进行建模计算，分析其受力情况。图8为2×2的光伏阵列模型，表1为应力计算结果。

由计算结果可知，冰脊在光伏阵列内部生成，在此种输入条件下，阵列局部应力约为17.855 N/mm2，在进行支架结构设计时，应在选型中充分考虑应力问题。

1.3 浮 冰

厚度较大的冰层在春季融化时，会形成体积较大的浮冰[10]。浮冰对阵列的影响主要分为两种情况。

1.3.1 浮冰撞击

在速度较大的水流条件下，浮冰具有较大的速度，其撞击浮体时产生的集中荷载较大，由于浮体材料为高密度聚乙烯，硬度相对较小，浮冰可能会对浮体造成变形、破损等不可逆转的损伤;由于冰块一般具有锋利的棱角，当冰块足够大的时候，将对浮体造成较大影响。在工程中应尽量避免这种情况发生。浮冰对浮体的撞击力没有相关的行业规范，可参考GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》中的相关规定：

[F=0.07υδAfc]                           （1）

式中：F为撞击力，MN;υ为冰块速度，m/s;δ为流冰厚度，m;A为冰块面积，m2;fc为冰的抗压强度，MPa。

1.3.2 冰附加力

当大片冰块附着在阵列上与浮体阵列形成整体时（图9），由于整体受到水流荷载的影响以及冰撞击和冰膨胀的影响，阵列可能会受到较大的额外水平荷载。

当冰块体积较大时，整体所受荷载会远超设计值，甚至超过系泊系统极限荷载，从而导致系泊系统损坏或者失效的情况，给阵列带来很大的安全隐患。

1.4 冰水分离

冰水分离是指由于在冬季结冰之后，冰层下的水不断流向其他地方，导致冰下的水位不断降低，从而导致冰悬空的现象（图10）。

当春季冰不断融化时，如果此时水面离冰面较远，则可能由于融化不均匀，出现阵列部分区域悬空的情况，导致阵列中钢支架及组件等受到损坏。因此在运维过程中需对冰下水位进行监测，且当冰结到一定厚度时，可在阵列周边采取切割冰块等方式，让阵列整体始终随着水位上下浮动，避免出现冰水分离过大的情形。

2 处理措施

综合考虑以上影响因素，在设计高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统时，建议采取以下措施，防止高寒高海拔地区严苛环境条件对系泊系统稳定性产生不利影响，保证漂浮式水上光伏电站的安全运行。

（1） 针对冰层影响，优先选择在结冰前进行锚固施工，避开冰层对锚绳的阻挡;若结冰后进行锚固施工，需考虑化冰后锚绳的实际余量，预测阵列最大位移，在做总布置时需留出此位移，防止阵列碰撞;同时，在冰快要化完前，需要通过人工运维的方式将多余的锚绳余量收回，防止阵列出现较大偏转。

（2） 针对冰脊的影响，可在锚绳和阵列之间加浮球和高强弹性绳装置，如图11所示。由于浮球的作用，可保证弹性绳始终处于冰面以上，当阵列被冰脊顶起时，可通过弹性绳自身的可伸缩特性，保护阵列及锚点不受损坏。同时，在相关结构选型时，应结合建模计算结果判断是否满足应力计算要求（图11）。

（3） 针对浮冰撞击的影响，由于浮冰碰撞荷载中冰块大小不可控，撞击力也是不可控的，而浮体相对比较脆弱，因此高寒高海拔地区漂浮式水上光伏工程中，应尽量避免将阵列布置在水流流速较大的区域，或者在阵列上游设置相关的防冰措施，避免此类情况发生。另一方面，针对冰附加力的影响，可考虑附加质量和附加吃水面积，假设阵列整体质量为M、阵列吃水面积为A，阵列在有附着冰后发生如下变化：

M=m1+m2                                              （2）

A=A1+A2                                                （3）

式中：m1为阵列质量;m2为附着冰的质量;A1为阵列吃水面积;A2为附着冰的吃水面积。因此在设计过程中需要结合阵列的尺寸以及实际冰块尺寸观测结果等，在设计系泊系统时应合理充分考虑附着冰带来的额外载荷。首先，在进行锚点布置时，合理增加锚点数量，加大锚块质量，提高系泊系统整体系泊能力;其次在锚绳选型时，应选用强度较高、自重较轻的钢丝绳，根据环境荷载计算结果选择所用型号，最小破断拉力大于锚绳设计极限应力;在锚固支架设计上，以保护浮体耳板效果为衡量指标，设计简单、轻便、保护性强的刚支架。图12为某项目应用的钢支架结构，通过结构计算分析，结合系泊系统系泊力分析结果，此钢支架受力满足项目受力要求，可最大程度保护光伏阵列。

（4） 针对冰水分离的问题，主要采用运维手段进行解决。在运维过程中对冰下水位进行监测，且当冰结到一定厚度或水位下降到一定高度时，可在阵列周围采取破冰方式（图13，14），使阵列作为整体进入水中，防止由于局部冰厚过薄产生局部下陷而导致阵列支架或组件损坏的情况发生。

（5） 除上述措施外，为保证系泊系统的有效性，适应高寒高海拔地区环境条件的不确定性，应选择相对较大的安全系数，确保阵列安全。以上技术已成功应用于北方地区霍林河水库漂浮式水上光伏项目（图 15），且已取得较好的工程效果，为后续高寒高海拔地区漂浮式水上光伏大规模应用积累了宝贵经验和先进技术，具有一定的示范效应。

3 结 语

本文针对高寒高海拔地区漂浮式水上光伏环境复杂的难題，初步分析了冰层、冰脊及浮冰对漂浮式水上光伏系泊系统的影响因素，并提出了设计及施工过程中的解决措施，且成功应用于北方地区霍林河水库漂浮式水上光伏项目。经实际工程检验，该研究在一定程度上填补了高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统设计与研究空白，可为后续高寒高海拔地区漂浮式水上光伏系泊系统设计提供参考，具有一定的社会经济效益。

參考文献：

[1] World Bank Group，ESMAP，SERIS. Where Sun Meets Water： Floating Solar Market Report[R/OL]. [2020-10-03].https：//www.esmap.org/where_sun_meets_water_ floating_solar_market_report.

[2] 国际能源小数据.“碳中和”不可缺少水上可再生能源[J]. 新能源科技，2021（9）：24-25.

[3] 马荣华，杨桂山，段洪涛，等. 中国湖泊的数量、面积与空间分布[J]. 中国科学（地球科学），2011，41（3）：394-401.

[4] 郭晓雅，李思远. 我国水库工程分布特点分析[J]. 工程技术研究，2021，6（2）：252-254.

[5] 马宁，王炳楠.积雪覆盖对光伏阵列辐照度的影响[J].理化检验（物理分册），2019，55（2）：93-96.

[6] 陈东坡. 我国漂浮式水上光伏电站的新机遇、新发展和新挑战[J].电子产品世界， 2017， 24（5）：3-5.

[7] 樊志勇，牛海霞，董正茂， 等.光伏组件表面积雪对其发电量影响的实验研究[J].内蒙古科技与经济，2016（11）：100-101.

[8] 季顺迎，聂建新，李锋， 等.渤海冰脊分析及其设计参数[J].中国海洋平台，2000，15（6）：1-5.

[9] 孔飞. 漂浮式水上光伏系统用支架. CN204993207U [P]. 2015-09-23.

[10] 张丽敏. 冰对码头水工结构作用力的物理模拟试验研究[D]. 大连：大连理工大学， 2006.

（编辑：江 文）

Research on influence factors of mooring system layout of floating photovoltaic in high altitude and cold area

ZHANG Shun1， DING Hong2， LIU Shuang1， LIU Yiliang1 ， ZHAO Zuofei2， ZHANG Qinghua2

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design， and Research， Wuhan 430010， China; 2.Spic Nei Mongol Energy Co.，Ltd.，Hohhot 010000， China）

Abstract： In order to study the application of floating photovoltaic in high altitude and cold regions， ensure the effectiveness， safety and reliability of mooring system of floating photovoltaic，this paper analyzed influence factors of mooring system layout of floating photovoltaic in high altitude and cold area on the basis of theoretical analysis and practical engineering，and then corresponding settlement measures were put forward. The results showed that the ice layer， ice ridge and floating ice and ice-water separation would have adverse impact on the layout of water photovoltaic mooring system in high altitude and cold area. Optimizing the anchoring rope margin， adding additional elastic devices， considering added mass and strengthening water level monitoring could effectively reduce the impact of the above factors on mooring system of water photovoltaic in high altitude and cold area.

Key words： floating photovoltaic; mooring system; ice ridges; high altitude and cold regions