聶焱 王軍 林宇 吳忻一 張沖林

摘 要：光伏作為我國目前最重要的新能源發(fā)電形式之一，對實現(xiàn)我國雙碳戰(zhàn)略目標有著重要的作用?；陂_發(fā)水庫、內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站的各類影響因素及政策導向，分析了未來開發(fā)內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站，形成水光互補發(fā)電格局的挑戰(zhàn)與前景。對漂浮式光伏電站的技術(shù)方案進行了調(diào)查、研究與初步設(shè)計，形成了可供參考的內(nèi)陸漂浮式光伏開發(fā)初步方案。

關(guān)鍵詞：漂浮式光伏；光伏電站；電站開發(fā)分析；系泊系統(tǒng)；水光互補

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0 引 言

我國是一個能源消耗大國，作為發(fā)展中國家，面臨著經(jīng)濟穩(wěn)定增長和環(huán)境保護的雙重壓力。改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用清潔的可再生能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1-2]。光伏是新能源主要的發(fā)電方式。目前，國內(nèi)光伏電站以地面光伏為主。隨著擁有良好光資源的平整土地資源的消耗，地面光伏電站的規(guī)劃、建設(shè)面臨著環(huán)境條件差、施工困難等挑戰(zhàn)[3]。日益稀缺的土地資源對大型地面光伏電站的制約效應(yīng)已凸顯，西部地區(qū)可利用土地面積較大，但對電量的需求不大，限電現(xiàn)象時有發(fā)生，而有著較大耗電量的東部卻受限于稀缺的土地面積，無法大規(guī)模發(fā)展地面光伏項目。水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)目前在國內(nèi)光伏市場占有率較低。水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的特點是可以安裝在海洋、湖泊（包括咸水湖）、河流（包括季節(jié)性旱澇河流）、水庫、魚塘、灌溉池、蓄水池甚至廢水處理池等處，不占用耕地、林地；光伏組件置于水面之上，水體對組件有良好的冷卻效應(yīng)，可降低組件表面的溫度，提高組件發(fā)電量，相對于地面光伏電站光伏組件的發(fā)電量可增加5%～10％。因此，水面漂浮式光伏可以很好地解決土地稀缺、發(fā)電中心距離電能消耗中心過遠的問題[4-5]。

國內(nèi)水面漂浮式光伏代表性項目——三峽新能源安徽淮南水面漂浮式光伏電站項目已于2017年并網(wǎng)發(fā)電，該項目容量為15萬kW，實現(xiàn)了生態(tài)效益、社會效益、經(jīng)濟效益的產(chǎn)出，改善了采煤沉陷區(qū)水域水質(zhì)。但目前，我國水面漂浮式光伏電站發(fā)展仍受到生態(tài)、通航、政策、技術(shù)等多方面因素的限制，處于發(fā)展初期[6]。

為進一步分析開發(fā)內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站的限制因素，本文開展了相關(guān)政策、法規(guī)的調(diào)研與梳理，并對漂浮式光伏電站的技術(shù)方案進行了調(diào)查、研究與初步設(shè)計，形成了可供參考的開發(fā)內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站初步方案[7]。

1 內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站限制因素梳理

1.1 政策背景

2019年5月，國家發(fā)展改革委、國家能源局正式印發(fā)《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》（發(fā)改能源〔2019〕807號），要求對各省級行政區(qū)域設(shè)定可再生能源電力消納責任權(quán)重（包括總量消納責任權(quán)重和非水電消納責任權(quán)重）。各地區(qū)消納責任權(quán)重指標的確定，應(yīng)符合我國能源低碳轉(zhuǎn)型、西電東送等國家戰(zhàn)略，以及能源、電力、可再生能源等產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，推動可再生能源消納利用，促進可再生能源資源在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置。

同月，國家能源局發(fā)布《關(guān)于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設(shè)有關(guān)事項的通知》，在國家發(fā)展改革委國家能源局《關(guān)于積極推進風電、光伏發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》（發(fā)改能源〔2019〕

19號）基礎(chǔ)上，進一步加大競爭配置力度，并明確項目有關(guān)邊界條件，通過市場化手段促進技術(shù)進步和成本下降。

2020年3月，國家能源局發(fā)布《關(guān)于發(fā)布〈2020年度風電投資監(jiān)測預(yù)警結(jié)果〉和〈2019年度光伏發(fā)電市場環(huán)境監(jiān)測評價結(jié)果〉的通知》（國能發(fā)新能〔2020〕24號）。自2016年以來，國家能源局每年定期發(fā)布風電預(yù)警和光伏發(fā)電監(jiān)測評價信息，引導全國風電、光伏發(fā)電開發(fā)布局不斷優(yōu)化。

2020年9月，習近平總書記作出碳達峰、碳中和重大宣示，12月明確提出到2030年我國非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億kW以上。

2.2 法律法規(guī)

《中華人民共和國防洪法》第二十七條規(guī)定：建設(shè)跨河、穿河、穿堤、臨河的橋梁、碼頭、道路、渡口、管道、纜線、取水、排水等工程設(shè)施，應(yīng)當符合防洪標準、岸線規(guī)劃、航運要求和其他技術(shù)要求，不得危害堤防安全、影響河勢穩(wěn)定、妨礙行洪暢通；其工程建設(shè)方案未經(jīng)有關(guān)水行政主管部門根據(jù)前述防洪要求審查同意的，建設(shè)單位不得開工建設(shè)。

第二十八條規(guī)定：對于河道、湖泊管理范圍內(nèi)依照本法規(guī)定建設(shè)的工程設(shè)施，水行政主管部門有權(quán)依法檢查；水行政主管部門檢查時，被檢查者應(yīng)當如實提供有關(guān)的情況和資料。前款規(guī)定的工程設(shè)施竣工驗收時，應(yīng)當有水行政主管部門參加。

2022年5月24日，水利部印發(fā)《水利部關(guān)于加強河湖水域岸線空間管控的指導意見》（以下簡稱《意見》），第三條第五項規(guī)定：光伏電站、風力發(fā)電等項目不得在河道、湖泊、水庫內(nèi)建設(shè)。在湖泊周邊、水庫庫汊建設(shè)光伏、風電項目的，要科學論證，嚴格管控，不得布設(shè)在具有防洪、供水功能和水生態(tài)、水環(huán)境保護需求的區(qū)域，不得妨礙行洪通暢，不得危害水庫大壩和堤防等水利工程設(shè)施安全，不得影響河勢穩(wěn)定和航運安全。但《意見》最后寫明，各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）可結(jié)合實際依法依規(guī)對各類水域岸線利用行為作出具體規(guī)定?？梢娋唧w的執(zhí)行細則需要省級細分政策的支持。對于湖泊周邊、水庫褲汊等區(qū)域建設(shè)需開展專題研究，并報當?shù)卣⑺姓鞴懿块T審批。

2.3 限制因素分析

目前，省級層面的法律法規(guī)及政策對開發(fā)內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站沒有限制性的規(guī)定，云南和四川省的十四五發(fā)展規(guī)劃都明確鼓勵光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。《意見》在明確禁止在河道、湖泊、水庫內(nèi)建設(shè)光伏電站的同時，也提到具體執(zhí)行細則由各省做出具體的規(guī)定?！兑庖姟纺壳笆墙鹕辰畮扉_發(fā)漂浮式光伏電站的主要政策限制性因素，未來內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站的開發(fā)應(yīng)持續(xù)跟蹤水利部可能發(fā)布的內(nèi)河水域建設(shè)光伏電站細分政策，研究推進內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站建設(shè)的可行性。

2 內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站初步方案

基于目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)情況，對水面漂浮式光伏系統(tǒng)的光伏組件、浮體和系泊系統(tǒng)進行調(diào)研、比選，形成可實施的內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站初步方案。

2.1 光伏組件

結(jié)合目前中國國內(nèi)光伏組件市場的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和產(chǎn)能情況，選取目前市場上主流的晶硅光伏組件進行性能技術(shù)比較。

2.1.1 性能比較

單晶硅與多晶硅在晶體品質(zhì)、電學性能、機械性能方面有顯著差異。單晶硅生產(chǎn)工藝比多晶硅復雜，成本比多晶硅高。但是，單晶硅具有很優(yōu)秀的性能，已有超過30年的應(yīng)用實踐。由于多晶硅排列無規(guī)律，電站在長期的高低溫交替中容易出現(xiàn)隱裂，因此，單晶晶體結(jié)構(gòu)具備比多晶更好的機械性能。

2.1.2 價格和市場占有率比較

2015年以前，單晶硅組件比多晶硅組件市場份額小。從2015年開始，光伏行業(yè)快速發(fā)展，人們對于光伏發(fā)電效率提升的愿望已經(jīng)遠遠大于晶硅價格低廉的訴求，越來越多的人更加關(guān)注光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率，對于單晶硅的訴求也快速擴展。

隨著全球光伏電站裝機容量的不斷擴大，光伏組件效率的進一步提升和大規(guī)模生產(chǎn)化的到來，多晶硅組件的低價優(yōu)勢已經(jīng)成為次要因素，再加上近兩年金剛線切割和PERC（發(fā)射極及背面鈍化）技術(shù)的發(fā)展，使單晶硅組件的成本大大降低，市場占有率進一步增大。

單晶硅組件在低工作溫度、弱光響應(yīng)、高效率、低衰減上具有優(yōu)勢，同時目前單晶硅組件防水性能滿足內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站項目開發(fā)需求，故現(xiàn)階段推薦選擇單晶硅組件。

2.2 浮體

對用于內(nèi)陸水面漂浮式光伏電站的浮體材料及浮體形式進行調(diào)研、比選。

2.2.1 浮體材料

目前內(nèi)陸漂浮式光伏浮體材料主要選擇有HDPE（高密度聚乙烯）和FRP（纖維增強塑料）兩種。

聚乙烯無臭，無毒，具有優(yōu)良的耐低溫性能，能耐大多數(shù)酸堿侵蝕。常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，電絕緣性優(yōu)良，耐沖擊性好。但易發(fā)生光氧化、熱氧化、臭氧分解，在紫外線作用下容易發(fā)生降解。因此需對聚乙烯改性，使其耐光氧化、熱氧化、抗紫外線等，增強上述防御性能，使浮體更耐用、使用壽命更長。針對25年耐候需要改進的耐紫外線和應(yīng)力開裂問題，采用創(chuàng)新的功能性母粒，通過和HDPE按1∶10的比例混合加工，可以解決HDPE材料的缺陷，使HDPE可以達到光伏電站25年使用壽命的要求，已成為浮體的主流材料。

漂浮式光伏浮體材料應(yīng)具備以下幾點特征：

（1）具有抗老化性。HDPE材料經(jīng)過耐候性改性，其耐候性大幅度提高，主要性能見表1，可確保在25年時限內(nèi)，材料的基本性能以及沖擊強度維持率大于70%，通過與浮體設(shè)計結(jié)合，在達到25年的紫外老化程度時，系統(tǒng)仍可保證可靠性。

（2）具有較好的抗腐蝕特性，避免在長期使用過程中，漂浮材料及其組件對水環(huán)境特別是水生動物、植物和水質(zhì)的潛在負面影響。

（3）具有較好的抗疲勞破壞能力和抗環(huán)境應(yīng)力開裂性能，有效降低施工過程以及長期使用過程中風浪沖擊對產(chǎn)品的破壞。建議浮體材料最小壁厚不應(yīng)小于2 mm。

（4）考慮環(huán)保性能，對環(huán)境不造成污染與破壞。

（5）具有一定的阻燃性能，防止運行期間因意外造成的漂浮單元大面積火災(zāi)危險。

總體來看，相較于FRP材料，高密度聚乙烯吸水性小、電絕緣性優(yōu)良、耐沖擊性好，且經(jīng)過改良后的高密度聚乙烯，具有抗氧化、抗紫外線、抗老化以及抗腐蝕等特點，能夠使浮體更耐用，使用壽命更長。因此，未來水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)浮體材質(zhì)推薦采用高密度聚乙烯。

2.2.2 浮體型式

水面漂浮光伏陣列由眾多光伏組件安裝在光伏浮體上形成的模塊組成，漂浮式光伏浮體形式選型主要有：

（1）浮管+支架系統(tǒng)（見圖1）。浮體采用高密度聚乙烯管連接成排，需要大量的浮管拼接工作，適用于水域較大但水位較穩(wěn)定的深水區(qū)，水深一般超過3 m，水位變化一般在±2.5 m以內(nèi)。支架系統(tǒng)可采用角鋼、圓鋼管、冷彎薄壁U型鋼等，所有鋼構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐，鍍鋅層最小厚度不小于85μm。光伏支架系統(tǒng)和光伏組件在岸上安裝好后整體入水，光伏組件安裝施工簡單快捷。

這種浮體型式的優(yōu)勢在于浮管用量少，可以按最佳傾角進行布置，提高發(fā)電量。劣勢在于浮體間采用剛性連接，水面波動較大時可能造成組件傷害，沒有運維通道，更換組件困難，浮管型號有限適配性不靈活等。

（2）浮筒+支架系統(tǒng)（見圖2）。浮體由高密度聚乙烯專用浮箱連接而成，組件和浮筒之間采用鋼結(jié)構(gòu)支架，傾角可調(diào)，適用于水域較大但水位較穩(wěn)定的深水區(qū)，水深可超過3 m，水位變化可在±2.5 m以內(nèi)，施工較便捷。組件安裝角度為12°，每塊組件下面使用一個浮筒，將支架直接固定在浮筒上面。組件之間可以直接利用組件自帶的線纜進行連接，22塊組件連成1串。

這種浮體型式的優(yōu)勢是可以按最佳傾角進行布置，提高發(fā)電量。劣勢是用鋼量大，防腐成本較高；剛性連接多，波浪起伏較大時可能造成組件傷害。

（3）浮筒一體化系統(tǒng)（見圖3）。浮體采用高密度聚乙烯專用浮箱，主浮模塊上布置一塊60/72片組件，在兩排主浮模塊之間布置副浮模塊連接，既可以實現(xiàn)排與排之間互相間隔，也可作為維護通道。適用于水域較大但水位較穩(wěn)定的深水區(qū)，施工便捷。

該浮體型式的優(yōu)勢在于剛性連接少，受波浪影響小；抗風性能好；安裝、維護方便；水域利用率高；用鋼量少。劣勢在于電池板傾角受浮體限制（一般不超過20°），無法達到最佳傾角，影響發(fā)電量。

三類浮體型式的主要區(qū)別在于浮體的形狀及組合連接方式，其中浮管+支架系統(tǒng)（第1種）以及浮筒+支架系統(tǒng)（第2種）均采用金屬框架將浮體連接在一起，包含大量的螺栓連接，由于水面是動態(tài)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，因此金屬框架時刻承受應(yīng)力變化，長期作用下會引起金屬連接點（螺栓連接點）的松脫甚至疲勞破壞。而浮體支架一體化方案（第3種）利用浮體間的耳板將所有浮體連接在一起，結(jié)構(gòu)本身具有柔性特點，當浮體隨水面波動變化時，耳板可以通過彎曲適應(yīng)水面波動，不會在連接點處造成大的應(yīng)力集中，對各類水面環(huán)境的適應(yīng)性較高。

浮筒支架一體化漂浮系統(tǒng)解決方案能夠適用于大部分內(nèi)陸水面的環(huán)境條件，是目前國內(nèi)外的主流解決方案。

2.3 系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)起著限制漂浮式光伏陣列運動范圍的關(guān)鍵作用。內(nèi)陸水面環(huán)境條件較好，風、浪、流等環(huán)境載荷較小，系泊系統(tǒng)設(shè)計主要考慮經(jīng)濟性。水庫水面布置時，還需考慮水位變化[8]。

2.3.1 系泊系統(tǒng)設(shè)計準則

系泊分析包括系泊鏈的受力分析和陣列的位移分析。系泊系統(tǒng)設(shè)計中，通過受力系統(tǒng)模擬仿真計算來選擇適宜的系泊方案和錨點布置。一般使用海洋工程分析軟件建立漂浮光伏系統(tǒng)的系泊模型，計算不同方向在風、風浪聯(lián)合作用下系泊鏈的最大張力以及平臺的漂移值。根據(jù)漂浮式光伏方陣環(huán)境載荷、錨固數(shù)量、錨索布置角度、錨索余量等設(shè)計參數(shù)進行仿真模擬計算，確定光伏方陣的設(shè)計系泊力、方陣偏移量及偏轉(zhuǎn)角度等[9]。

系泊系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)考慮以下因素：①系泊系統(tǒng)應(yīng)滿足水位變化的要求。②系泊纜形式的選擇應(yīng)綜合考慮強度、腐蝕、老化等因素。錨固系統(tǒng)系泊纜可采用錨鏈、鋼繩及合成纖維纜繩。系泊纜外可增加保護套。③系泊纜破斷力大于設(shè)計系泊力的1.5倍。④系泊力計算應(yīng)復核浮筒抱耳、插銷及連接件的強度。

2.3.2 系泊系統(tǒng)方案選型

漂浮光伏陣列的系泊系統(tǒng)方案選型包括系泊系統(tǒng)型態(tài)、系泊材料、錨固方案以及系泊系統(tǒng)布置方案。

系泊系統(tǒng)型態(tài)包括張緊式系泊、半張緊式系泊及懸鏈線式系泊。各種系泊系統(tǒng)型態(tài)適用性及特點見表2。

內(nèi)陸水面漂浮式光伏的錨固方案主要有水底錨固和岸邊錨固兩種，錨有重力錨、樁錨等形式（見表4），系泊一般采用鋼絲繩將光伏陣列系泊在錨固點上。如果陣列離岸距離不遠，則多將錨安裝在岸邊，漂浮陣列通過位于四周的連接點將系泊纜連接至岸邊錨點，如果離岸距離較遠，則采用將陣列系泊安裝在水底的錨的方式[10]。

具體實踐中，需根據(jù)具體項目情況，結(jié)合場址條件、系泊及平臺工作量，綜合考慮內(nèi)陸漂浮式光伏電站系泊系統(tǒng)方案。

3 結(jié)束語

本文研究了目前在我國內(nèi)陸地區(qū)開發(fā)水面漂浮式光伏的政策導向與限制因素，對水面漂浮式光伏電站的設(shè)計方案進行了調(diào)研與比選，給出了可供參考的電站開發(fā)選型方案。

在目前禁止在水庫、內(nèi)陸湖泊、河道開發(fā)水面漂浮式光伏電站的政策背景下，采煤沉陷區(qū)成為主要可開發(fā)的水域。未來各地頒布地域化指導意見后，水庫等內(nèi)陸水域可能允許開發(fā)水面漂浮式光伏電站，屆時可根據(jù)項目具體情況，在不影響生態(tài)環(huán)境、通航的前提下，因地制宜地設(shè)計光伏電站開發(fā)方案，以形成水光互補、漁光互補等綜合開發(fā)格局。

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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

作者簡介：聶 焱，男，高級工程師，本科，主要研究方向為漂浮式水工和海工結(jié)構(gòu)。E-mail：ny@sidri.com