漂浮式光伏應用及技術難點簡析

摘 要：闡述了漂浮式光伏系統產生的背景、自身優點以及使用的現實意義和社會意義，提出漂浮式光伏對于目前土地資源緊缺的情況下將得到越來越多的重視。并針對水位較深的水庫等環境，初步設計了一套漂浮式的結構方案，并指出該系統在得到大規模推廣前需要解決的問題和難點，對于該技術的應用推廣起到一定參考作用。

關鍵詞：漂浮式；光伏發電；太陽能

能源問題始終是倍受我國和世界各國關注的一個熱點和難點問題。可再生能源是我國重要的能源資源，在滿足能源需求、改善能源結構、減少環境污染、促進經濟發展等方面發揮了很大作用。而在全球能源安全和氣候變化問題日趨嚴峻的形勢下，太陽能發電日益受到世界各國的高度重視，戰略地位不斷提高。

太陽能資源儲量巨大、分布廣泛、無污染。而太陽能光伏發電系統正式利用光伏電池的光生電效應直接將太陽輻射能轉化成電能，并已在獨立及并網電力系統中得到了廣泛的應用[1]。

太陽能光伏發電系統一般都應用于陸地環境，但對于地面光伏，一方面，日益稀缺的土地資源對大型地面光伏電站的制約效應已日益凸顯[2]，西部地區可利用土地面積較大，但對電量的需求不大，限電現象時有發生，而有著相當程度耗電量的東部卻受限于稀缺的土地面積而無法大規模發展地面光伏項目；另一方面，屋頂資源的不確定性以及相關補貼不夠到位也使得分布式光伏項目的建設存在著各種不穩定因素。目前，越來越多的關注點放到了魚塘、湖泊等水面上，如能在水上進行光伏發電，同時水下進行漁業養殖，則不僅打破了原有光伏發電有關場地的發展瓶頸，而且能實現漁業經濟和能源發電效益的“雙贏”局面。

1 漂浮式光伏發展歷程

對于較淺的水面，一般最深水位小于5米，可采用樁基礎，可采用PHC樁，將樁打入底部持力層，樁頂高于水面一定距離，在樁頂部分采用支架連接布置光伏板，其原理與地面采用樁基礎的光伏發電系統差別不大。而文中提到的漂浮式主要是指布置于水位較深的水庫、湖面等情況下的光伏發電系統。

在水域之上進行光伏電池的布置安裝是一種比較新的概念。目前，全世界范圍內還沒出現大規模的運營商，但是卻已經陸續出現了一些試驗性的水上漂浮式光伏發電項目[3]。

2012年3月，以色列一家太陽能公司成功開發出水面太陽能發電系統，其光伏電池組合板可以漂浮在海洋及湖泊水面上，每塊發電功率達200kW，小于目前主流的310W、315W等，可根據需要組裝[4]。

2013年7月日本首個大規模太陽能發電站在 玉縣桶川市的調節池上竣工，調節池面積約5萬平方米，系統裝機容量1.18MW。該項目采用了法國公司Ciel et Terre的漂浮太陽能平臺技術，在1.3萬平方米的水面上用錨固定了木筏狀的基臺，基臺上鋪設約4500塊太陽能電池板[5]。

2015年4月，由日本京瓷株式會社和東京盛世利租賃株式會社共同投資建造的日本兵庫縣大型水上光伏電站投入運行。該水上光伏電站位于日本兵庫縣，電站所使用的光伏組件總安裝數量多達11256 塊，預計年發電量約達330萬千瓦時，相當于日本920戶普通家庭一年的用電量[6]。

2015年8月，我國首座水面漂浮式光伏發電站試驗項目在湖北省棗陽市興建，計劃年底建成投產。總裝機1200千瓦，為保證收益，計劃陸地裝機1000千瓦，占地23畝，水庫水面試驗性裝機200千瓦，占水面約3 畝[7]。

水上漂浮式光伏電站利用某種水上基臺將光伏組件漂浮在水面進行發電。區別于地面與屋頂光伏，其特點在于，離水面近，水體對光伏組件有冷卻效果，可以抑制組件表面溫度上升，能夠獲得更高的發電量。此外，將太陽能電池板覆蓋在水面上，可以減少水面蒸發量，還能防止藻類大量繁殖。

2 漂浮式光伏結構形式初步設計

我國水庫、湖泊等水域面積廣闊，但很多區域水位往往較深，如采用樁基礎，一方面存在施工難度，另一方面會極大增加工程造價，文章基于以上考慮提出一種漂浮式水上光伏的結構形式，即采用光伏組件通過錨塊固定、浮筒漂浮在水面上的形式，一來可以省去基礎的施工，二來可以適應水位的上下浮動，同時實現“水上發電、水下養魚”的“漁光互補”目標，具體連接見圖1。

根據初步設計，該水上光伏組件連接裝置包括支架和光伏板，所述光伏板安裝在支架上，其結構特點在于：還包括底座、浮筒、帶有拉簧的纜繩、錨塊和用于漁業養殖的漁網，所述支架固定在底座上，所述底座安裝在浮筒上，所述纜繩的一端連接在浮筒上，該纜繩的另一端連接在錨塊上，所述漁網和浮筒連接，該漁網位于底座的下方。

連接裝置包括光伏板及支架（1）、次H型鋼（2）、主H型鋼（3）、浮筒基礎（4）、拉簧與纜繩（5）、水下錨塊（6）及漁網（7）。其中，浮筒基礎可直接采購、拼裝連接，拉簧纜繩通過與水下重錨塊連接，當水位發生變化時起到緩沖作用。

具體連接方式如下：光伏板及支架與次H型鋼焊接，次H型鋼與主H型鋼螺栓連接，主H型鋼與浮筒耳部圍成孔隙（8）中內插的金屬支架焊接，浮筒漂浮在水面，浮筒內插的金屬支架下端預留孔洞，孔洞一方面與漁網連接，漁網內養殖魚類等，另一方面與拉簧纜繩的彎鉤連接，拉簧纜繩另一端通過預埋鋼環與水下沉底的混凝土錨塊相連。浮筒之間通過組合連接形成水上檢修通道。

3 漂浮式光伏存在的問題

盡管漂浮式光伏的出現可以大大緩解目前光伏項目對于土地資源的需求，存在著較多無可比擬的優勢，但同時也存在著一些亟待解決的技術問題，水面之上的環境變化往往比地面更為復雜，只有真正解決技術難點才能使新結構形式得到大規模的推廣。

3.1 電纜敷設方式

漂浮式項目中電纜無法像地面光伏一樣，采用地埋等方式連接，如若采用水下電纜的形式又會對浮筒之上的光伏板存在較大的下拉作用力，不利于光伏組件于水上的漂浮，對整體的穩定性有著不利影響；另一方面，水下電纜對施工技術要求很高，同時會增加工程的整體造價。因此，電纜從光伏板到匯流箱之間的連接方式需要做針對性的方案調整。

3.2 水位變化下的電纜連接方式

以水庫為例，在泄洪期間，水面高度會發生改變，且最高水位與最低水位之間的差值往往較大，有幾十米之多，這就必然帶來一個新的問題，即水位下降時，由于光伏結構向下移動的拉力作用，電纜將會向水面部分移動，反之，則向岸邊方向移動。如果水面上升下降的速度較大，這種移動會更加明顯。為了應對水面高低起伏對于電纜線路的影響，岸邊逆變器與水上光伏板間的電纜連接方式以及節點連接形式需要做針對性的設計。

3.3 工程造價的控制

以如上所設計的漂浮式結構為例，浮筒作為光伏板的承重結構以及水上通道，起著重要作用。從目前市場情況來看，浮筒只能通過廠家定制大批采購，但造價略高，一般情況下的單位千瓦造價為光伏板的一半，這將增加投資回報年限甚至可能無法保證收益。因此，工程造價將會是影響類似項目能否開展的重要原因之一。

不過針對水電站，這一情況將得到解決。一方面，漂浮式光伏利用既有水面可以省去一大筆征地費用；另一方面，可以考慮使用水電站原有的升壓站，因此升壓站的建設可以省去，這也將減少一大筆建筑工程費用，從而彌補浮筒較為高昂的價格對總造價產生的影響。

4 結束語

隨著土地資源的緊缺，水域之上安裝光伏發電系統得到了越來越多的重視，漂浮式光伏系統有一系列的優點，如能夠減少土地使用成本，同時利用水體對光伏陣列進行冷卻，不僅可以提高輸出電量，還可以減少風冷、水冷等額外散熱裝置的成本。

但在大規模推廣之前，需要解決電纜敷設方式、水面上電纜與岸上逆變器間連接方式以及控制造價這三個難題，做針對性方案設計。從目前的情況來看，對于水電站，由于省去征地費用及升壓站建設費用，具有較大的優勢，具備相關條件，可以考慮作為漂浮式光伏系統推廣的試點。

參考文獻

[1]王斯成.我國光伏發電有關問題研究[J].中國能源，2009（2）：7-10.

[2]魏政，于冰清.我國光伏產業發展現狀與對策[J].中外能源，2013（6）：15-24.

[3]何嘯，李國富，葛霞，等.漂浮式光伏發電裝置在海浪影響下的光照性能研究[J].工程設計學報，2014（6）：545-549.

[4]以色列研發成功水面太陽能電站[J].農村電工，2012（3）：48.

[5]日本1.18MW水上漂浮光伏電站竣工[J].可再生能源，2013（10）：33.

[6]日本兵庫縣水上光伏項目投入運行[N].中國有色金屬報，2015.

[7]我省首試“水上漂”光伏電站[N].湖北日報，2015.