内陆水面漂浮式光伏开发分析与可行技术方案

聂焱 王军 林宇 吴忻一 张冲林

摘 要：光伏作为我国目前最重要的新能源发电形式之一，对实现我国双碳战略目标有着重要的作用。基于开发水库、内陆水面漂浮式光伏电站的各类影响因素及政策导向，分析了未来开发内陆水面漂浮式光伏电站，形成水光互补发电格局的挑战与前景。对漂浮式光伏电站的技术方案进行了调查、研究与初步设计，形成了可供参考的内陆漂浮式光伏开发初步方案。

关键词：漂浮式光伏；光伏电站；电站开发分析；系泊系统；水光互补

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0 引 言

我国是一个能源消耗大国，作为发展中国家，面临着经济稳定增长和环境保护的双重压力。改变现有能源结构、开发利用清洁的可再生能源是实现可持续发展的必由之路[1-2]。光伏是新能源主要的发电方式。目前，国内光伏电站以地面光伏为主。随着拥有良好光资源的平整土地资源的消耗，地面光伏电站的规划、建设面临着环境条件差、施工困难等挑战[3]。日益稀缺的土地资源对大型地面光伏电站的制约效应已凸显，西部地区可利用土地面积较大，但对电量的需求不大，限电现象时有发生，而有着较大耗电量的东部却受限于稀缺的土地面积，无法大规模发展地面光伏项目。水面漂浮式光伏发电系统目前在国内光伏市场占有率较低。水面漂浮式光伏发电系统最大的特点是可以安装在海洋、湖泊（包括咸水湖）、河流（包括季节性旱涝河流）、水库、鱼塘、灌溉池、蓄水池甚至废水处理池等处，不占用耕地、林地；光伏组件置于水面之上，水体对组件有良好的冷却效应，可降低组件表面的温度，提高组件发电量，相对于地面光伏电站光伏组件的发电量可增加5%～10％。因此，水面漂浮式光伏可以很好地解决土地稀缺、发电中心距离电能消耗中心过远的问题[4-5]。

国内水面漂浮式光伏代表性项目——三峡新能源安徽淮南水面漂浮式光伏电站项目已于2017年并网发电，该项目容量为15万kW，实现了生态效益、社会效益、经济效益的产出，改善了采煤沉陷区水域水质。但目前，我国水面漂浮式光伏电站发展仍受到生态、通航、政策、技术等多方面因素的限制，处于发展初期[6]。

为进一步分析开发内陆水面漂浮式光伏电站的限制因素，本文开展了相关政策、法规的调研与梳理，并对漂浮式光伏电站的技术方案进行了调查、研究与初步设计，形成了可供参考的开发内陆水面漂浮式光伏电站初步方案[7]。

1 内陆水面漂浮式光伏电站限制因素梳理

1.1 政策背景

2019年5月，国家发展改革委、国家能源局正式印发《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》（发改能源〔2019〕807号），要求对各省级行政区域设定可再生能源电力消纳责任权重（包括总量消纳责任权重和非水电消纳责任权重）。各地区消纳责任权重指标的确定，应符合我国能源低碳转型、西电东送等国家战略，以及能源、电力、可再生能源等产业发展规划，推动可再生能源消纳利用，促进可再生能源资源在全国范围内优化配置。

同月，国家能源局发布《关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项的通知》，在国家发展改革委国家能源局《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》（发改能源〔2019〕

19号）基础上，进一步加大竞争配置力度，并明确项目有关边界条件，通过市场化手段促进技术进步和成本下降。

2020年3月，国家能源局发布《关于发布〈2020年度风电投资监测预警结果〉和〈2019年度光伏发电市场环境监测评价结果〉的通知》（国能发新能〔2020〕24号）。自2016年以来，国家能源局每年定期发布风电预警和光伏发电监测评价信息，引导全国风电、光伏发电开发布局不断优化。

2020年9月，习近平总书记作出碳达峰、碳中和重大宣示，12月明确提出到2030年我国非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上。

2.2 法律法规

《中华人民共和国防洪法》第二十七条规定：建设跨河、穿河、穿堤、临河的桥梁、码头、道路、渡口、管道、缆线、取水、排水等工程设施，应当符合防洪标准、岸线规划、航运要求和其他技术要求，不得危害堤防安全、影响河势稳定、妨碍行洪畅通；其工程建设方案未经有关水行政主管部门根据前述防洪要求审查同意的，建设单位不得开工建设。

第二十八条规定：对于河道、湖泊管理范围内依照本法规定建设的工程设施，水行政主管部门有权依法检查；水行政主管部门检查时，被检查者应当如实提供有关的情况和资料。前款规定的工程设施竣工验收时，应当有水行政主管部门参加。

2022年5月24日，水利部印发《水利部关于加强河湖水域岸线空间管控的指导意见》（以下简称《意见》），第三条第五项规定：光伏电站、风力发电等项目不得在河道、湖泊、水库内建设。在湖泊周边、水库库汊建设光伏、风电项目的，要科学论证，严格管控，不得布设在具有防洪、供水功能和水生态、水环境保护需求的区域，不得妨碍行洪通畅，不得危害水库大坝和堤防等水利工程设施安全，不得影响河势稳定和航运安全。但《意见》最后写明，各省（自治区、直辖市）可结合实际依法依规对各类水域岸线利用行为作出具体规定。可见具体的执行细则需要省级细分政策的支持。对于湖泊周边、水库裤汊等区域建设需开展专题研究，并报当地政府、水行政主管部门审批。

2.3 限制因素分析

目前，省级层面的法律法规及政策对开发内陆水面漂浮式光伏电站没有限制性的规定，云南和四川省的十四五发展规划都明确鼓励光伏等新能源产业的发展。《意见》在明确禁止在河道、湖泊、水库内建设光伏电站的同时，也提到具体执行细则由各省做出具体的规定。《意见》目前是金沙江水库开发漂浮式光伏电站的主要政策限制性因素，未来内陆水面漂浮式光伏电站的开发应持续跟踪水利部可能发布的内河水域建设光伏电站细分政策，研究推进内陆水面漂浮式光伏电站建设的可行性。

2 内陆水面漂浮式光伏电站初步方案

基于目前国内相关技术情况，对水面漂浮式光伏系统的光伏组件、浮体和系泊系统进行调研、比选，形成可实施的内陆水面漂浮式光伏电站初步方案。

2.1 光伏组件

结合目前中国国内光伏组件市场的产业现状和产能情况，选取目前市场上主流的晶硅光伏组件进行性能技术比较。

2.1.1 性能比较

单晶硅与多晶硅在晶体品质、电学性能、机械性能方面有显著差异。单晶硅生产工艺比多晶硅复杂，成本比多晶硅高。但是，单晶硅具有很优秀的性能，已有超过30年的应用实践。由于多晶硅排列无规律，电站在长期的高低温交替中容易出现隐裂，因此，单晶晶体结构具备比多晶更好的机械性能。

2.1.2 价格和市场占有率比较

2015年以前，单晶硅组件比多晶硅组件市场份额小。从2015年开始，光伏行业快速发展，人们对于光伏发电效率提升的愿望已经远远大于晶硅价格低廉的诉求，越来越多的人更加关注光伏组件光电转换效率，对于单晶硅的诉求也快速扩展。

随着全球光伏电站装机容量的不断扩大，光伏组件效率的进一步提升和大规模生产化的到来，多晶硅组件的低价优势已经成为次要因素，再加上近两年金刚线切割和PERC（发射极及背面钝化）技术的发展，使单晶硅组件的成本大大降低，市场占有率进一步增大。

单晶硅组件在低工作温度、弱光响应、高效率、低衰减上具有优势，同时目前单晶硅组件防水性能满足内陆水面漂浮式光伏电站项目开发需求，故现阶段推荐选择单晶硅组件。

2.2 浮体

对用于内陆水面漂浮式光伏电站的浮体材料及浮体形式进行调研、比选。

2.2.1 浮体材料

目前内陆漂浮式光伏浮体材料主要选择有HDPE（高密度聚乙烯）和FRP（纤维增强塑料）两种。

聚乙烯无臭，无毒，具有优良的耐低温性能，能耐大多数酸碱侵蚀。常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性优良，耐冲击性好。但易发生光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易发生降解。因此需对聚乙烯改性，使其耐光氧化、热氧化、抗紫外线等，增强上述防御性能，使浮体更耐用、使用寿命更长。针对25年耐候需要改进的耐紫外线和应力开裂问题，采用创新的功能性母粒，通过和HDPE按1∶10的比例混合加工，可以解决HDPE材料的缺陷，使HDPE可以达到光伏电站25年使用寿命的要求，已成为浮体的主流材料。

漂浮式光伏浮体材料应具备以下几点特征：

（1）具有抗老化性。HDPE材料经过耐候性改性，其耐候性大幅度提高，主要性能见表1，可确保在25年时限内，材料的基本性能以及冲击强度维持率大于70%，通过与浮体设计结合，在达到25年的紫外老化程度时，系统仍可保证可靠性。

（2）具有较好的抗腐蚀特性，避免在长期使用过程中，漂浮材料及其组件对水环境特别是水生动物、植物和水质的潜在负面影响。

（3）具有较好的抗疲劳破坏能力和抗环境应力开裂性能，有效降低施工过程以及长期使用过程中风浪冲击对产品的破坏。建议浮体材料最小壁厚不应小于2 mm。

（4）考虑环保性能，对环境不造成污染与破坏。

（5）具有一定的阻燃性能，防止运行期间因意外造成的漂浮单元大面积火灾危险。

总体来看，相较于FRP材料，高密度聚乙烯吸水性小、电绝缘性优良、耐冲击性好，且经过改良后的高密度聚乙烯，具有抗氧化、抗紫外线、抗老化以及抗腐蚀等特点，能够使浮体更耐用，使用寿命更长。因此，未来水面漂浮式光伏发电系统浮体材质推荐采用高密度聚乙烯。

2.2.2 浮体型式

水面漂浮光伏阵列由众多光伏组件安装在光伏浮体上形成的模块组成，漂浮式光伏浮体形式选型主要有：

（1）浮管+支架系统（见图1）。浮体采用高密度聚乙烯管连接成排，需要大量的浮管拼接工作，适用于水域较大但水位较稳定的深水区，水深一般超过3 m，水位变化一般在±2.5 m以内。支架系统可采用角钢、圆钢管、冷弯薄壁U型钢等，所有钢构件采用热镀锌防腐，镀锌层最小厚度不小于85μm。光伏支架系统和光伏组件在岸上安装好后整体入水，光伏组件安装施工简单快捷。

这种浮体型式的优势在于浮管用量少，可以按最佳倾角进行布置，提高发电量。劣势在于浮体间采用刚性连接，水面波动较大时可能造成组件伤害，没有运维通道，更换组件困难，浮管型号有限适配性不灵活等。

（2）浮筒+支架系统（见图2）。浮体由高密度聚乙烯专用浮箱连接而成，组件和浮筒之间采用钢结构支架，倾角可调，适用于水域较大但水位较稳定的深水区，水深可超过3 m，水位变化可在±2.5 m以内，施工较便捷。组件安装角度为12°，每块组件下面使用一个浮筒，将支架直接固定在浮筒上面。组件之间可以直接利用组件自带的线缆进行连接，22块组件连成1串。

这种浮体型式的优势是可以按最佳倾角进行布置，提高发电量。劣势是用钢量大，防腐成本较高；刚性连接多，波浪起伏较大时可能造成组件伤害。

（3）浮筒一体化系统（见图3）。浮体采用高密度聚乙烯专用浮箱，主浮模块上布置一块60/72片组件，在两排主浮模块之间布置副浮模块连接，既可以实现排与排之间互相间隔，也可作为维护通道。适用于水域较大但水位较稳定的深水区，施工便捷。

该浮体型式的优势在于刚性连接少，受波浪影响小；抗风性能好；安装、维护方便；水域利用率高；用钢量少。劣势在于电池板倾角受浮体限制（一般不超过20°），无法达到最佳倾角，影响发电量。

三类浮体型式的主要区别在于浮体的形状及组合连接方式，其中浮管+支架系统（第1种）以及浮筒+支架系统（第2种）均采用金属框架将浮体连接在一起，包含大量的螺栓连接，由于水面是动态不稳定的系统，因此金属框架时刻承受应力变化，长期作用下会引起金属连接点（螺栓连接点）的松脱甚至疲劳破坏。而浮体支架一体化方案（第3种）利用浮体间的耳板将所有浮体连接在一起，结构本身具有柔性特点，当浮体随水面波动变化时，耳板可以通过弯曲适应水面波动，不会在连接点处造成大的应力集中，对各类水面环境的适应性较高。

浮筒支架一体化漂浮系统解决方案能够适用于大部分内陆水面的环境条件，是目前国内外的主流解决方案。

2.3 系泊系统

系泊系统起着限制漂浮式光伏阵列运动范围的关键作用。内陆水面环境条件较好，风、浪、流等环境载荷较小，系泊系统设计主要考虑经济性。水库水面布置时，还需考虑水位变化[8]。

2.3.1 系泊系统设计准则

系泊分析包括系泊链的受力分析和阵列的位移分析。系泊系统设计中，通过受力系统模拟仿真计算来选择适宜的系泊方案和锚点布置。一般使用海洋工程分析软件建立漂浮光伏系统的系泊模型，计算不同方向在风、风浪联合作用下系泊链的最大张力以及平台的漂移值。根据漂浮式光伏方阵环境载荷、锚固数量、锚索布置角度、锚索余量等设计参数进行仿真模拟计算，确定光伏方阵的设计系泊力、方阵偏移量及偏转角度等[9]。

系泊系统设计中，应考虑以下因素：①系泊系统应满足水位变化的要求。②系泊缆形式的选择应综合考虑强度、腐蚀、老化等因素。锚固系统系泊缆可采用锚链、钢绳及合成纤维缆绳。系泊缆外可增加保护套。③系泊缆破断力大于设计系泊力的1.5倍。④系泊力计算应复核浮筒抱耳、插销及连接件的强度。

2.3.2 系泊系统方案选型

漂浮光伏阵列的系泊系统方案选型包括系泊系统型态、系泊材料、锚固方案以及系泊系统布置方案。

系泊系统型态包括张紧式系泊、半张紧式系泊及悬链线式系泊。各种系泊系统型态适用性及特点见表2。

内陆水面漂浮式光伏的锚固方案主要有水底锚固和岸边锚固两种，锚有重力锚、桩锚等形式（见表4），系泊一般采用钢丝绳将光伏阵列系泊在锚固点上。如果阵列离岸距离不远，则多将锚安装在岸边，漂浮阵列通过位于四周的连接点将系泊缆连接至岸边锚点，如果离岸距离较远，则采用将阵列系泊安装在水底的锚的方式[10]。

具体实践中，需根据具体项目情况，结合场址条件、系泊及平台工作量，综合考虑内陆漂浮式光伏电站系泊系统方案。

3 结束语

本文研究了目前在我国内陆地区开发水面漂浮式光伏的政策导向与限制因素，对水面漂浮式光伏电站的设计方案进行了调研与比选，给出了可供参考的电站开发选型方案。

在目前禁止在水库、内陆湖泊、河道开发水面漂浮式光伏电站的政策背景下，采煤沉陷区成为主要可开发的水域。未来各地颁布地域化指导意见后，水库等内陆水域可能允许开发水面漂浮式光伏电站，届时可根据项目具体情况，在不影响生态环境、通航的前提下，因地制宜地设计光伏电站开发方案，以形成水光互补、渔光互补等综合开发格局。

参考文献：

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[9]糜文杰，吴继亮，梁甜，等.漂浮光伏电站系泊系统设计及分析计算[J].电力勘测设计，2019（11）：6-11.

[10]肖福勤，孔耀华，余德海，等.漂浮式光伏电站漂浮方阵多点系泊特性研究[J].人民长江，2020，51（4）：168-173.

Development Analysis and Feasible Technical Solutions for Floating Photovoltaic System on Inland Water Bodies

NIE Yan1，WANG Jun2，LIN Yu3，WU Xinyi1，ZHANG Chonglin2

（1. Shanghai Investigation，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China；2. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3. Sino-Portuguese Centre for New Energy Technologies （Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China）

Abstract：As one of the most crucial renewable energy sources in China，photovoltaic （PV）technology plays a vital role in the endeavor to achieve China's carbon peaking and carbon neutrality goals. This paper provides a comprehensive overview of the diverse influencing factors and policy guidance for developing power plants with floating PV on reservoirs and inland lakes. On this basis，we analyze the challenges and prospects in developing water-solar complementary power generation. Additionally，we investigate，examine and initially design the technical solutions for floating PV power plants，providing a preliminary reference for future development of inland floating PV.

Key words：floating photovoltaic；PV power plant；analysis of power plant development；mooring system；hydro-solar complementary

作者简介：聂 焱，男，高级工程师，本科，主要研究方向为漂浮式水工和海工结构。E-mail：ny@sidri.com