水上光伏電站站址選擇及總平面布置設計要點探討

石 濤

(中國電力顧問集團西北電力設計院有限公司，西安 710075)

0 引言

近年來，我國光伏產業得到了快速發展，光伏發電的裝機容量突飛猛進。但由于地面光伏電站的能量密度較低且占用的土地面積較大，隨著光伏發電裝機容量持續攀升，受土地資源有限的制約，地面光伏電站的發展將會越來越受到限制。而我國的內陸水域面積較為寬廣，約為1750萬公頃(約為17.5萬km2)，利用內陸水域如湖泊、水庫等區域建設水上光伏電站，既不占用土地面積，同時又增加了光伏發電裝機容量，是一種高效的光伏發電新形式。

水上光伏電站的站址選擇和總平面布置對電站的經濟效益具有決定性作用，是水上光伏電站設計中需重點研究的內容。本文依托工程設計經驗，介紹了不同形式的水上光伏電站，并對水上光伏電站的站址選擇和總平面布置的設計要點進行了探討。

1 水上光伏電站的基本形式

根據建設場地條件的不同，水上光伏電站可分為固定式水上光伏電站和漂浮式水上光伏電站2大類[1]，下文將分別進行具體介紹。

1.1 固定式水上光伏電站

固定式水上光伏電站與傳統的地面光伏電站采用的安裝方式相同，都是將光伏組件支撐在光伏支架上，而光伏支架固定在樁基上。但固定式水上光伏電站與地面光伏電站的區別主要在于固定式水上光伏電站的樁基是布置在水中，增加了樁基成本及施工難度，但有利于光伏組件的清洗，并可以節約土地資源[1]。根據采用的樁基形式不同，固定式水上光伏電站可分為打樁式固定式水上光伏電站和架高式固定式水上光伏電站2種形式，具體如圖1所示。

固定式水上光伏電站具有施工簡便、適用性廣泛、成本較低、結構穩定性好、施工速度快等優勢；且固定式水上光伏電站所在水域可兼做魚塘，有助于提高項目的整體經濟效益等。但固定式水上光伏電站也存在船運維護困難、水深較大會導致電站的建設成本高等劣勢。

圖1 不同形式的固定式水上光伏電站Fig. 1 Different forms of fixed PV power station above water

通常，在最高洪水位時的水深小于5 m的水域，且站址區域為穩沉區時，可考慮優先建設固定式水上光伏電站[1]。

1.2 漂浮式水上光伏電站

漂浮式水上光伏電站一般建設在水域深度較大的區域，利用浮體的浮力承受光伏組件及相關設備的重量，并由錨固系統對浮體進行固定。根據浮體形式的不同，漂浮式水上光伏電站可分為浮管式(浮管+金屬支架+光伏組件)漂浮式水上光伏電站和浮箱式(浮箱+光伏組件)漂浮式水上光伏電站2類，具體如圖2所示。

圖2 不同形式的漂浮式水上光伏電站Fig. 2 Different forms of floating PV power station above water

浮管式漂浮式水上光伏電站的優勢在于光伏組件可以按最佳安裝傾角進行布置，電站的整體發電量較大；但該形式的劣勢是鋼材及浮體的使用量都較大。而浮箱式漂浮式水上光伏電站具有用鋼量少、浮體的整體重量小，且安裝、維護方便等優勢；但該形式的劣勢在于受浮體形狀的限制，光伏組件的安裝傾角一般不超過20°[2]，無法達到最佳安裝傾角，從而會影響電站整體的發電量。因此，對于漂浮式水上光伏電站具體形式的選擇，應根據項目的實際情況而定。

通常，對于最高洪水位時的水深大于5 m且最低枯水位大于1 m的非穩沉區水域，可建設漂浮式水上光伏電站。

2 水上光伏電站的站址選擇

2.1 基本原則

水上光伏電站的選址應在國家和地區層面針對可再生能源規劃、城市及土地規劃的基礎上，根據規劃選址區域的自然條件、太陽能資源、接入電網條件、項目建設裝機規模、水文和地質條件、交通運輸和施工條件、經濟發展和環境保護要求等多方面因素進行綜合考慮后確定。

水上光伏電站站址選擇的基本原則主要包括以下 5點[3]：

1)符合當地的整體規劃要求；

2)不壓覆礦產資源，不占用軍事設施、文物保護區；

3)站址所在地的太陽能資源條件豐富，避免選擇存在大范圍陰影遮擋的位置；

4)具有良好的水文地質、接入電網、交通運輸和施工等建設條件；

5)符合環境和生態保護的要求，避開水源點、國家級森林公園、環境保護區等敏感區域，盡量減少對居民點及動、植物的影響。

2.2 選址要點

在對水上光伏電站的站址進行選擇時，除了需要注意光伏發電項目應考慮的常規選址要素外，還需要重點關注水上光伏電站特有的選址影響因素。比如水上光伏電站站址所在水域的徑流流速(水流)、水深、水位的變化情況，結冰情況，是否位于水源地，是否位于航道上，是否位于行洪區、滯洪區、泄洪區，是否位于灘涂和鹽場等區域。具體來說，水上光伏電站進行站址選擇時應從太陽能資源、自然環境、生態環境、通航要求、建設條件等多方面進行考慮。

2.2.1 太陽能資源

水上光伏電站的站址一般選在具有豐富太陽能資源且面積廣闊的內湖或水庫中。根據最近幾年在建和已建成的水上光伏電站的選址經驗，擬選站址一般要求年總太陽輻射量要大于1300 kWh/m2，因此，我國北方地區的山東省，南方地區的江蘇省、浙江省等地區最適合建設水上光伏電站。但水上光伏電站的最終站址還是要根據不同地區的政策、電價、建設成本等條件進行綜合分析后確定。

2.2.2 自然環境

對于水上光伏電站的站址選擇，從自然環境方面需要注意以下幾點：

1)要求所選水域的徑流穩定，以防止水流過大導致光伏電站的浮體在水流沖擊作用下發生撞擊，造成浮體損壞；

2)需選取多年平均風速及多年最大風速較小的區域，以防止風荷載作用下產生的不利影響，例如風荷載造成光伏支架產生偏移、浮體拉桿及錨鏈的受力過大等；

3)由于水位變化過大會造成電站的浮體傾斜、發電單元(即光伏子陣)間水平錯位等情況的出現，因此應盡量選取水位變化小的區域；

4)選擇無臺風、少暴雨等惡劣天氣的區域；

5)應盡量選取冬季時結冰較少的水域，以防止浮體被冰凍破壞；

6)腐蝕性較嚴重的水域(如鹽場)及其周邊水域不適合作為水上光伏電站的站址。

2.2.3 生態環境

對于水上光伏電站的站址選擇，從生態環境方面需要注意以下幾點：

1)擬選站址不能位于生態敏感區域，并且應盡可能減少對水中動、植物等產生的不利影響。

2)工程施工過程中將進行水下施工，包括光伏陣列基礎施工、平臺基礎施工、電纜敷設施工等工程，施工會擾動水下淤泥及地表，對生態環境產生干擾，因此需要防止工程施工對水質產生污染，影響電站周邊或下游的生產及生活用水，選址時應盡量避免對周圍居民區或對水質要求較高的區域的影響。

3)由于水系的改變可能會對防洪、排洪產生非常大的影響，因此泄洪區、滯洪區、行洪區及海邊灘涂不適合建設水上光伏電站。

2.2.4 通航要求

水上光伏電站的擬選站址若位于通航水域時，需從航道深度、寬度、轉彎半徑，水流的許可流速，規定的水上通航的外廊等角度綜合考慮是否適合建設水上光伏電站。

2.2.5 建設條件

在建設條件方面，需要關注擬選站址附近是否具備光伏組件、電纜、箱式變壓器、水泥、砂石料等設備和材料的運輸條件，包括打樁船等水上施工設備的進場是否便利等；還需要考慮船上作業的平衡性和安全性；同時，水上光伏電站的站址區域應和水池、堤壩等設施保持一定距離。

3 水上光伏電站的總平面布置

3.1 設計資料

水上光伏電站的設計資料和地面光伏電站的設計資料基本相同，僅在勘測資料方面有所差異。

水上光伏電站的勘測資料包括：

1)地形圖需要包含水面外形圖、水底地形圖、水面標高等；

2)巖土勘測資料需要涵蓋站址所在水域的水質分析內容；

3)水文資料或洪評報告中需要收集與站址相連的河道的水文資料，分析當地河流分布情況及歷年洪水情況、站址處50年一遇最高洪(潮)水位、枯水期的最低水位、常年平均水位等水位變化情況等，并對站址區域的極端水位進行分析評估。

3.2 布置范圍的確定

固定式水上光伏電站的布置范圍一般為水面指定范圍，多數情況下為項目確定的用地紅線(即國土或規劃部門對項目占地的批復范圍)內的水面范圍，基本不受水位的限制，只需滿足洪(潮)水位要求即可。

漂浮式水上光伏電站的布置范圍需要根據浮體廠家提出的浮體使用時的最小水深要求，并結合該類水上光伏電站所在區域的地形圖和水文資料中枯水期最低水位，在用地范圍內劃定區域。

以江西省上饒市某漂浮式水上光伏電站為例，該漂浮式水上光伏電站建于湖上，其所在水域的湖底最低高程為12.91 m，最低水位為15.34 m，而浮體要求的最小水深為1 m，因此，湖底高程大于等于15.34?1=14.34 m的區域無法布置浮體，即無法布置光伏陣列，即湖底高程小于14.34 m的區域為可布置光伏陣列的區域。通過地形分析，以湖底高程在12.91～14.34 m的區域作為可布置光伏陣列的區域，如圖3所示，圖中綠顏色填充的區域即為可布置光伏陣列的區域。

3.3 光伏組件的總平面布置

3.3.1 光伏組件的間距計算

無論光伏組件是采用固定式光伏支架還是采用平單軸跟蹤光伏支架，水上光伏電站的東西向和南北向光伏組件間距計算基本和地面光伏電站的計算相同，區別僅在于水上光伏電站的光伏組件間距計算時的基準面可按照水平面來考慮，不需要考慮坡度。

圖3 某漂浮式水上光伏電站的布置范圍示意圖Fig. 3 Schematic diagram of layout scope of a floating PV power station above water

以江西省上饒市某固定式水上光伏電站為例。該電站的光伏組件采用帶微傾角的平單軸跟蹤光伏支架，光伏陣列排布時主要考慮計算東西向的光伏組件間距，按照當地真太陽時09:00～15:00時東西向光伏組件不產生陰影遮擋進行計算，可以得到東西向的光伏組件間距為7.5 m；原則上南北向不需要考慮陰影遮擋距離，只需要留出1 m左右的人工檢修凈距即可。

需要注意的是，計算得出不產生陰影遮擋的光伏組件間距后應提交給光伏組件的生產廠家進行復核，得到對方的確認后方可由設計人員進行后續設計。

3.3.2 浮體的總平面布置

漂浮式水上光伏電站除光伏組件、逆變器、箱式變壓器等常規設備以外，主要由漂浮系統、錨固系統、敷設系統和接地系統組成，光伏組件安裝在浮體上。除了保證常規的不產生陰影遮擋的東西向光伏組件間距外，浮體的總平面布置還需要注意以下因素。

1)光伏陣列的每塊光伏組件、每臺逆變器、每臺匯流箱及電纜均應有專門的檢修運維通道。

2)應確保極端天氣條件下，浮體方陣間在發生最大位移時不會產生碰撞。

3)綜合布置范圍的情況，浮體方陣優先采用大方陣，局部使用小方陣，互為補充。

4)浮體位置允許隨水位變化，但應防止其碰到岸邊，因此需根據浮體離岸距離、水深等因素確定浮體采用的固定方式。浮體的錨固系統可分為配重錨固、專用錨錨固和樁錨固3種形式，浮體的總平面布置需要結合錨固系統的形式進行綜合考慮[4]。

5)浮體方陣的布置需要盡可能節省直流電纜，考慮到浮體由于溫度產生的形變可自由釋放，通過水動力計算確定浮體形變的最大尺度，并進行波浪力作用下浮體連接節點的疲勞分析。浮體廠家對浮體方陣的布置進行位移計算后，將浮體方陣(一整片浮體，不包含航道)布置好后直接提供給設計單位，然后再由設計單位向廠家提供遮擋及航道的相關要求。

3.4 航道的布置

水上光伏電站的總平面布置應兼顧航道的布置。航道是指供水上光伏電站的施工打樁船行駛和電站投產后檢修船只進行檢修時的通道，其布置要兼顧各光伏子陣中光伏組件的數量和電站施工、檢修時的便利性。水上光伏電站的航道如圖4所示。

圖4 水上光伏電站的航道Fig. 4 Waterway of PV power station above water

光伏組件的維修和清洗是水上光伏電站應仔細考慮的問題，采用不同基礎形式的固定式水上光伏電站的光伏組件維修與清洗方式大相徑庭。若采用高樁承臺式基礎形式，由于其自身包括了鋼平臺(或鋼筋混凝土平臺)可供工作人員通行，因此可通過其自身的平臺實現光伏組件的維修與清洗；若采用單樁式基礎形式(無平臺)，則最好通過行船來完成光伏組件的維修與清洗。因此在進行光伏子陣的布置時，應考慮行船所需的通道及行船掉頭所需的空間。

航道布置前需要充分研讀站址所在水域的水文氣象報告或洪評報告，了解水上光伏電站所在水域的50年一遇洪水水位和重現期為50年一遇的低水位高度。要保證全年多數時間航道處的水深能滿足船只的運行要求，尤其是距離岸邊較近的航道。

同時，縱橫的航道會將水上光伏電站的光伏站區劃分為若干區塊，應盡量保證各區塊的光伏組件容量與電氣專業發電單元一致，這樣可有效減少電纜橋架跨越航道的情況出現，從而降低電纜橋架跨越航道對行船的影響，并減少電纜用量。

通過對已建成水上光伏電站的調研，一般主要航道間距不宜超過400 m，次要航道間距不宜超過300 m，即可保證施工和檢修船只運行的通暢。航道的寬度一般應大于等于10 m，即可滿足大部分施工和檢修船型的要求。

3.5 光伏子陣的劃分

光伏組件和航道布置完畢后，可進行光伏子陣(即發電單元)的劃分。由于水域用地范圍不規則，一般光伏子陣跨越航道的情況不可避免，如前文所述，光伏子陣跨越航道時會出現電纜影響船只通行、電纜工程量較大等問題。此時若僅考慮每個光伏子陣的容量配比和電纜連接的要求而對光伏子陣進行劃分，會導致劃分好的光伏子陣未考慮到航道跨越的合理性，出現1個光伏子陣跨越3個甚至4個航道的情況。此時應及時對光伏子陣的劃分進行調整，對跨越航道較多的光伏子陣，應增補或刪減光伏組件，從而盡量避免或減少光伏子陣跨越航道的情況出現。

3.6 箱式變壓器平臺的布置

箱式變壓器平臺在水上光伏電站中布置時應考慮以下因素：

1)原則上，箱式變壓器平臺的位置最好位于各個光伏子陣的中部或光伏子陣某一側的中部，從而可以減少電纜長度。

2)箱式變壓器平臺應位于航道附近，一方面方便船只通行，另一方面可保證箱式變壓器平臺附近具有足夠的水深，便于船只進行檢修。箱式變壓器平臺附近需要預留獨立的空間，但不可占用航道的寬度。

3)可將箱式變壓器平臺布置在2個光伏子陣之間，共用一條航道，有助于提高水面利用率，降低電站的建設成本。箱式變壓器平臺的布置位置示意圖如圖5所示。

圖5 箱式變壓器平臺的布置位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of layout position of box transformer platform

4)箱式變壓器平臺上除了集中式箱式變壓器，還有逆變器，因此應和水上光伏電站全站的集電線路規劃進行統一考慮。箱式變壓器平臺的位置應盡量位于水上光伏電站出線方向的一側，以減小出線線路的長度。

5)固定式水上光伏電站一般采用打樁式箱式變壓器平臺。

6)若漂浮式水上光伏電站的水面面積較大或電站位于塌陷區內，建議采用漂浮式箱式變壓器平臺。漂浮式箱式變壓器平臺分為2種，分別為鋼結構浮箱式箱式變壓器平臺、預制混凝土漂浮式箱式變壓器平臺，具體如圖6所示。

圖6 不同形式的漂浮式箱式變壓器平臺Fig. 6 Different forms of floating box transformer platforms

3.7 敷設系統的布置

光伏陣列區的直流、交流電纜宜采用浮箱固定、設置橋架的方式。高壓交流電纜敷設優先采用水面漂浮敷設方式，其次選用水下敷設的方式；進行電纜敷設設計時應確保便于后期維護。

在水位變化較大或非穩沉區的水上光伏電站中，其電纜敷設及接地系統敷設需充分考慮水位的變化及光伏陣列的水平位移情況，電纜敷設可采用水面漂浮敷設方式，并設置冗余的“S”彎布置，如圖7所示。

圖7 采用水面漂浮敷設方式的電纜Fig. 7 Cable laid with floating laying method on water surface

3.8 水上光伏電站總平面布置中的其他要素

3.8.1 站址周邊因素的影響

應注意水域附近的線路桿塔對水上光伏電站中光伏組件產生的陰影遮擋影響，避免線路穿越光伏站區；若無法避免，應在線路兩側預留一定的寬度，以保證光伏組件不受陰影遮擋，并預留線路桿塔的檢修通道。

若水上光伏電站站址內或站址周圍存在壩體、高堤等設施，在布置光伏組件時應注意避讓，光伏組件需要與壩頂、壩腳之間留出一定的安全距離，并需考慮壩體對光伏組件產生的陰影遮擋的影響。

漂浮式水上光伏電站若采用岸邊錨固方式進行固定，光伏組件與壩頂、壩腳之間的安全距離應結合錨固長度進行綜合考慮。

3.8.2 圍柵設計

1)當水上光伏電站的光伏站區的征地范圍位于水位線(指年平均水位覆蓋的范圍線)以外時，可參考地面光伏電站布置圍柵，在光伏站區周圍設置高度不低于1.8 m的鐵絲網圍柵。

2)當光伏站區的征地范圍位于水位線以內或水位變化幅度較大時，針對漂浮式水上光伏電站而言，若光伏站區的光伏組件距離岸邊較遠時，可不設置鐵絲網圍柵；若光伏組件距離岸邊或人群聚集地(如村莊)較近時，可采用浮球、警示標，以及加裝水網等形式對光伏站區進行圍護。

針對固定式水上光伏電站而言，其圍柵設計可采用支架管樁加裝鋼絲網圍柵的形式，圍柵的高度應大于所在水域的最高水位和最低水位差。針對所有水上光伏電站而言，為了保證船只的航行要求，航道出入口處采用可拆卸的簡易浮體進行圍合。支架管樁加裝鋼絲網圍柵的立面、平面示意圖如圖8所示。

圖8 支架管樁加裝鋼絲網圍柵的立面、平面示意圖Fig. 8 Elevation and plane diagram of fence with installing steel wire mesh on bracket pipe pile

4 結論

本文針對不同形式的水上光伏電站，闡述了水上光伏電站站址選擇的基本原則和選址要點，并對水上光伏電站總平面布置的設計要點進行了探討。與傳統地面光伏電站的站址選擇和總平面布置相比，由于水上光伏電站的光伏組件是布置在水域中，因此其在站址選擇和總平面布置等方面有獨特的設計特點。隨著“光伏領跑者”計劃的實施，很多水上光伏電站已建成投運，但仍有多項工程正在實施或開展前期工作，以期通過本文探討的研究結果為業內相關人員提供參考借鑒。