资源集约化条件下水面漂浮式光伏发电系统的研究及应用

詹永和，余智珩，刘萧何

(江西恒能电力工程有限公司，南昌 330001)

0 引言

过去，中国的光伏电站主要建设在青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省等西北地区，虽然这些地区拥有大量可利用的土地资源且光照资源充足，但这些地区的基础电力设施落后、工业产能不高。随着新能源市场的大力发展，新能源装机容量远超当地用电最大负荷，而外送通道的建设并未及时跟上，造成了西北地区存在严重的“弃光”现象[1]。中国用电负荷中心基本位于华北、华中、华东、华南等地区，此类地区经济发达，但土地资源相对短缺，可供光伏电站建设的用地量稀少，大多数光伏发电项目类型为山地光伏发电项目。而山地光伏发电项目的土地利用率较低、施工难度大、光伏发电系统效率低、建设成本较高，并且这些地区可用于建设山地光伏电站的土地资源也不充裕。

针对上述问题，水面漂浮式光伏发电技术应运而生。但早期建设的许多水面光伏电站受制于特定时段的技术、思想局限性等因素，存在着土地利用率低的问题。通过利用早期水面光伏电站的“边角余料”(即光伏方阵区域未利用的、剩余的水面)来实施水面漂浮式光伏发电的技术改造方案，将大幅提高土地利用率，并增加水面光伏电站收益。针对资源集约化条件下的水面漂浮式光伏发电系统，本文以利用泰和20 MW渔光互补光伏电站中鱼塘水面的剩余空间增补400 kW水面漂浮式光伏发电系统为例，从光伏组件布置、系统结构设计、建设成本等要点出发，对新增光伏发电系统分别采用水面漂浮式光伏发电系统和传统渔光互补光伏发电系统这两种方案的建设结果进行对比分析，可为今后类似工程的设计提供参考。

1 项目概述

泰和20 MW渔光互补光伏电站位于江西省吉安市泰和县万合镇前进农场，地理坐标为26.928°N、115.029°E。该项目场地全部为鱼塘，总占地面积约600亩(1亩≈666.67 m2)；项目采用固定式光伏支架，支架基础采用预应力PHC管桩，支架设计的最佳倾角为20°。

该渔光互补光伏电站已于2017年完成全部建设且并网发电，但鉴于当时的产品功能、设计思路等局限性，项目一期600多亩的水面只建设了20 MW的光伏发电单元，土地利用率较低，且一期建设时预留的捕鱼通道过宽(宽约65 m)。因此，针对泰和20 MW渔光互补光伏电站进行技术改造，主要考虑在此捕鱼通道内新增400 kW水面漂浮式光伏发电系统。

该渔光互补光伏电站所在地的卫星图片如图1所示，图中红线范围内为本期技术改造安装水面漂浮式光伏发电系统的范围。

图1 本渔光互补光伏电站所在地的卫星图片Fig. 1 Satellite image of location of fishery-PV complementary power station

2 不同方案的对比分析

对新增光伏发电系统分别采用水面漂浮式光伏发电系统和传统渔光互补光伏发电系统这两种不同方案时的光伏组件布置方式、系统结构设计、建设成本进行对比分析。

2.1 光伏组件布置分析

泰和20 MW渔光互补光伏电站一期项目采用320 Wp的多晶硅光伏组件，尺寸为1956 mm×992 mm×35 mm，光伏组件安装倾角为 20°；新增水面漂浮式光伏发电系统采用440 Wp的叠瓦光伏组件和220 Wp叠瓦光伏组件，尺寸分别为3560 mm×652 mm×35 mm 和 2115 mm×992 mm×35 mm；光伏组件安装倾角为 12°。

400 kW水面漂浮式光伏发电系统标准排布方式及400 kW传统渔光互补光伏发电系统的标准排布方式分别如图2、图3所示。

图2 400 kW水面漂浮式光伏发电系统的标准排布方式Fig. 2 Standard layout of 400 kW floating PV power generation system

图3 400 kW传统渔光互补光伏发电系统的标准排布方式Fig. 3 Standard layout of 400 kW traditional fishery-PV complementary power generation system

整个400 kW水面漂浮式光伏发电系统主要由浮体系统、光伏组件、锚固系统等组成，整个发电系统东西宽约32 m、南北长约130 m，放置在一期项目预留的65 m宽的捕鱼通道内时空间充裕，不影响捕鱼通道的正常使用。

在同等气象及地理位置条件下，水面漂浮式光伏发电系统的占地面积应大于传统的渔光互补光伏发电系统的占地面积，但本项目设计不予考虑。在不考虑其他外在因素的影响(即理想状态)下，本项目新增的水面漂浮式光伏发电系统的占地面积与一期传统渔光互补光伏发电系统的占地面积基本保持一致。理想情况下不同类型标准光伏发电系统的占地面积如表1所示。

表1 理想情况下不同类型标准光伏发电系统的占地面积Table 1 Floor area of different types of standard PV power generation systems under ideal condition

在实际项目中，对原有水面光伏发电系统增加新的水面漂浮式光伏发电系统时，光伏方阵的布置会受到诸多场地环境因素的影响，具体如表2所示。

表2 场地环境因素对不同类型光伏发电系统布置的影响Table 2 Influence of site environmental factors on the layout of different types of PV power generation systems

根据以上分析可以判断，本项目新增400 kW光伏发电系统的技术改造方案选用漂浮式光伏发电方案，在土地利用、施工条件等外部因素方面均具有优势。

2.2 不同方案下的系统结构设计分析

水面漂浮式光伏发电系统的浮体系统主要由光伏组件固定支架、主浮体、过道浮体等组成。浮体材质选用高密度聚乙烯，通过吹塑工艺成型，主浮体用于支撑光伏组件，过道浮体用于浮体连接、电缆槽盒铺设，以及作为运维通道等。锚固系统起到固定作用，用于保证水面漂浮式光伏发电系统在恒荷载、风荷载、雪荷载、水流、波浪等多种荷载组合下稳定运行[2]。锚固系统主要由锚绳、桩锚(或沉重锚块)等组成，通过锚绳将浮体与锚固件相连，并且具备一定的伸长空间以应对水位变化。

传统渔光互补光伏发电系统的支撑系统是由固定式光伏支架和桩基组成。其中，光伏支架包括檩条、斜梁、斜撑和立柱等。光伏组件通过螺栓或压块连接檩条，荷载通过“光伏组件—檩条—斜梁—斜撑—立柱”进行传递，斜撑与立柱之间通过抱箍与预制桩进行连接。

对两种方案下的系统结构形式进行比较后可以发现，水面漂浮式光伏发电系统的结构灵活性较好，而传统渔光互补光伏发电系统的结构在安全可靠性方面具有优势。

经过近几年的发展，水面漂浮式光伏发电系统演变出了几种不同类型，对目前市场上主流的不同结构形式的水面漂浮式光伏发电系统进行对比分析，具体如表3所示。

根据表3的对比分析，针对本研究项目所在地的情况，采用浮箱一体化结构形式时的防风、防浪能力强，安装完成后光伏组件的可靠性极高；施工方式更安全便捷；可节约占地面积。综上所述，新增的400 kW水面漂浮式光伏发电系统采用浮箱一体化结构形式为最优技术方案。

表3 不同结构形式的水面漂浮式光伏发电系统的对比分析Table 3 Comparison and analysis of floating PV power generation systems with different structures

由于新增400 kW水面漂浮式光伏发电系统的性质为技术改造，因此其设计、施工应在不对原本设备造成影响的前提下进行。水面漂浮式光伏发电系统的锚固系统可采用桩锚或沉重锚块，但若采用桩锚，则水面漂浮式光伏发电系统的结构形式将不具备施工便捷这一优势，从而与传统渔光互补光伏发电系统进行对比时的优势不明显，所以新增的水面漂浮式光伏发电系统采用沉重锚块。该沉重锚块采用C30的混凝土预制而成，通过运维船只运送到设计指定地点，再将其沉入水底。沉重锚块与浮体之间通过锚绳连接，整个水面漂浮式光伏发电系统在东、南、西、北4个方向均布置了若干个沉重锚块。因本项目位于鱼塘内，水位的变化基本可由人工控制，因此水位的变化对水面漂浮式光伏发电系统的影响较小。

水面漂浮式光伏发电系统的光伏组件布置局部示意图如图4所示，锚固系统的锚块位置示意图如图5所示，浮体系统实景图如图6所示。

图4 水面漂浮式光伏发电系统的光伏组件布置局部示意图Fig. 4 Partial schematic diagram of PV module layout of floating PV power generation system

图5 锚固系统的锚块位置示意图Fig. 5 Schematic diagram of anchor block location of anchoring system

图6 浮体系统实景图Fig. 6 Photo of floating body system

2.3 不同方案下的建设成本分析

建设成本主要包括基础材料费、基础安装费、设备成本、设备安装费。由于两种方案的设备安装费差异不大，因此未进行详细分析。

1)水面漂浮式光伏发电系统的基础材料费主要由锚绳、沉重锚块的混凝土和钢筋的费用组成；传统渔光互补光伏发电系统的基础材料费主要为预制桩的费用。

2)水面漂浮式光伏发电系统的基础安装费主要由沉重锚的制作费用、安装费用，以及混凝土抗压试验费用组成；传统渔光互补光伏发电系统的基础安装费主要由预制桩施工费用、桩基检测费用组成。安装费均按照市场价进行计算。

3)水面漂浮式光伏发电系统的设备成本主要由浮体、光伏组件固定支架、线缆等的费用组成；传统渔光互补光伏发电系统的设备成本主要由固定式光伏支架、线缆、线缆槽盒等的费用组成。

对两种方案下的基础材料费、基础安装费、设备成本进行对比分析可以发现：在基础材料费和基础安装费方面，水面漂浮式光伏发电系统与传统渔光互补光伏发电系统相比具有较大优势；在设备成本方面，传统渔光互补光伏发电系统与水面漂浮式光伏发电系统相比具有较大优势。

建设成本分析时，本新增水面漂浮式光伏发电系统的浮箱一体化结构形式中的浮体和光伏组件固定支架的采购成本(包括基础材料费、设备成本费)按照2020年时的市场价0.7元/W计算；锚固系统采购成本按照0.1元/W计算；两种方案的光伏组件的采购成本相同，因此不计入对比计算。

装机容量为400 kW时，两种方案下系统的建设成本对比具体如表4所示。

表4 装机容量为400 kW时，两种方案下系统的建设成本对比Table 4 Comparison of construction cost of system under two schemes when installed capacity is 400 kW

通过表4可以看出：经过综合对比，本项目新增的400 kW项目的技术改造方案采用水面漂浮式光伏发电系统比采用传统渔光互补光伏发电系统可节约建设成本约40.03万元。

400 kW水面漂浮式光伏发电系统完工后的实景图如图7所示。

图7 400 kW水面漂浮式光伏发电系统完工后的实景图Fig. 7 Photo of 400 kW floating PV power generation system after completion

光伏行业发展日趋成熟，随着太阳电池尺寸为210 mm的光伏组件的推广，水面漂浮式光伏发电系统的浮体成本也在不断下降，因此水面漂浮式光伏发电系统在建设成本方面与传统渔光互补光伏发电系统将进一步拉开距离。

3 水面漂浮式光伏发电系统的应用前景

2021年10月，国务院新闻办公室发表了《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书，指出实现碳达峰、碳中和是中国深思熟虑作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺[3]。光伏发电作为低碳能源发电形式，是中国能源结构中的重要组成部分，无疑将成为实现碳达峰、碳中和的强劲引擎。目前，水面漂浮式光伏发电技术已日趋成熟，在安徽省淮南市、山东省德州市等地均建设有百兆瓦级别的大型水面漂浮式光伏电站。

新建光伏电站日趋增多，而老旧的光伏电站同样潜力巨大。截至2018年底，全国具备技术改造空间的光伏电站装机容量约为16.3 GW，其中包含部分水面光伏电站。过去的水面光伏电站基本上都采用“固定式光伏支架+预应力PHC管桩”的结构形式，对其进行增容改造的成本较高、施工难度较大，而水面漂浮式光伏发电系统的运用可以有效解决上述问题。

4 结论

本文针对泰和20 MW渔光互补光伏电站进行技术改造，利用鱼塘水面的剩余空间，增补了400 kW水面漂浮式光伏发电系统，从光伏组件布置、系统结构设计、建设成本分析3个方面对新增系统分别采用水面漂浮式光伏发电系统和传统渔光互补光伏发电系统这两种方案的建设结果进了行对比分析。结果表明：采用水面漂浮式光伏发电系统可减少建设成本，增加土地利用率。

在过去10多年的时间内，中国光伏产业蓬勃发展，目前部分光伏电站的运行时间已超过10年，巨大的光伏市场促进了光伏发电系统效率提升、系统成本下降，给技术改造创造了空间。随着土地资源越发紧俏，水面光伏电站的技术改造将成为未来的一个新的经济增长点，而水面漂浮式光伏发电技术的研究与应用将使这一目标成为可能。