高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統布置影響因素研究

張順 丁紅 劉爽 劉一亮 趙作飛 張清華

摘要：為研究漂浮式水上光伏在高寒高海拔地區的應用，保證高寒高海拔環境下光伏陣列系泊系統的有效性、安全性與可靠性，基于理論分析并結合實際工程，初步分析了高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統布置影響因素，并結合工程實踐結果，提出了初步解決措施。結果表明：冰層、冰脊、浮冰及冰水分離均會對高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統的布置產生不利影響;優化錨繩裕量、增設彈性裝置、考慮附加質量、加強水位監測等措施可有效緩解以上因素對高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統的影響。

關鍵詞：漂浮式水上光伏; 系泊系統; 冰脊; 高寒高海拔地區

中圖法分類號：TM615 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.014

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0084 - 06

0 引 言

漂浮式水上光伏是指在水塘、湖泊、水庫、蓄水池、河流、海洋等水面建立漂浮式光伏電站（圖1），一般利用浮體使光伏板“漂浮”于水面上，以解決傳統光伏發電占地面積大的問題[1]。同時，由于水體的有效冷卻作用，在同等條件下，漂浮式水上光伏電站的發電量要高于傳統地面光伏電站。隨著技術逐漸趨于成熟，目前漂浮式水上光伏已進入快速發展的時期，截至2020年8月，全球累計裝機容量已達到2.6 GW[2]。

當前漂浮式水上光伏電站多建設于南方地區，在氣候條件相對惡劣的北方區域，由于受氣溫低、冰凍時間長、積雪厚度大等因素影響，漂浮式水面光伏電站一直未能大規模實施，使得北方寒冷地區許多湖泊、水庫等水面資源閑置浪費，未能有效充分地利用。據中科院2011年測算結果，東北平原與山區湖區共425個湖泊，面積合計4 699.7 km2[3];基于2018年統計數據，北方六區（淮河區、黃河區、西北諸河區、海河區、遼河區、松花江區）的水庫總數量為19 535座，總庫容為2 965億m3[4]。據此推算，高寒高海拔地區水庫水面潛在漂浮式水上光伏裝機容量約為200 GW。

高寒高海拔地區漂浮式水上光伏設計中必須要重點解決的問題是雪和冰[5-6]，其中，對系泊系統影響較大的要素之一是冰，主要影響為：① 厚冰會影響系泊系統施工過程中的系泊纜長度與余量設置，帶來一定的安全隱患;② 冰在形成過程中易形成冰脊，冰脊可能會破壞系泊纜與陣列連接處，進而破壞系泊系統有效性;③ 冰在融化過程中易形成冰排，流速較大的冰排撞擊陣列會產生較大的沖擊力，既會造成浮體破損，又會使系泊纜承受較大的瞬時沖擊荷載，威脅陣列安全;④ 冰排與陣列結合在一起，會增大陣列的流荷載，可能超過系泊系統的設計荷載值，引起系泊系統損壞或失效等;⑤ 水面表層結冰后，冰下水位下降，出現冰水分離現象，使得光伏陣列懸空，而化冰時由于融化不均勻，導致陣列部分懸空，部分落至水面，產生一定的彎折，破壞陣列完整性。高寒高海拔地區漂浮式水上光伏電站見圖2。

本文研究了高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統布置影響因素，旨在解決高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統易失效、穩定性較差的問題，進而提升高寒高海拔地區漂浮式水上光伏電站的安全性，推進漂浮式水上光伏電站在高寒高海拔地區的發展。清潔能源的應用，既能為附近的牧民提供經濟、便捷的電能資源，又有助于當地的綠色發展，推進碳達峰、碳中和目標的實現，經濟效益和社會效益巨大[7]。

1 影響因素分析

1.1 冰 層

考慮到施工的便利性，高寒高海拔地區漂浮式水上光伏通常會在結冰后進行施工，其施工步驟可概括為：根據施工圖紙錨塊的定位，在冰面上鑿相應的孔洞，將錨塊豎直拋入水中;在冰面設計定位區域組裝好浮體陣列，并安裝好光伏組件，再將浮體陣列與系泊系統連接。通過這樣的施工操作，可使陣列在春季冰融化后直接漂浮在水面上。系泊系統施工俯視圖、側視圖見圖3～4。

由圖3～4可以看出，錨塊拋至指定位置后，由于冰層的阻擋作用，錨繩需留出大量的余量以便能與陣列連接，這部分余量可能達到實際所需值的2倍或以上。當冰層消失，陣列會由于錨繩余量過大，在風浪流的作用下，產生較大的水平位移以及偏轉，如圖5所示。陣列發生過大的水平位移可能會導致陣列之間相互碰撞或陣列與岸邊碰撞，陣列發生過大的偏轉會使光伏組件偏離最佳發電傾角，影響漂浮式水上光伏電站的發電量。

1.2 冰 脊

冰脊（圖6）是冰在風、流、浪等環境動力作用下發生破碎后由于重疊、擠壓等作用，而由大小不同、形狀各異的冰塊在冰上下表面形成的隆起部分，主要由脊帆和龍骨組成。冰脊在高寒高海拔地區出現的頻率較高且對陣列的影響較大。冰脊帆高主要與冰厚以及冰彎曲強度有關[8-9]。

入冬時，水變成冰會發生體積膨脹，消耗水域四周土壤可壓縮裕度，土壤很難被進一步壓縮。不同位置的冰蓋溫升情況并不相同，熱脹冷縮情況也不一致，因此冰面會產生很多裂縫，冰蓋之間也會因此形成狹長的大裂縫，這些裂縫就是冰脊的潛在生長點。在溫升冰膨脹時，冰蓋之間的擠壓就會在裂縫處產生冰脊，以釋放應力。由此可以發現，冰脊通常產生在冰層比較薄弱的區域，也就是冰厚交替處，但這個位置對光伏陣列來說是具有不確定性的，可能發生在陣列的任何方位，但主要可分為兩種情況：① 冰脊發生在陣列中間;② 冰脊發生在陣列邊緣。

冰脊在陣列內部生成，會對冰脊周邊的錨繩產生較大的影響。如圖7所示，當冰脊頂起陣列時，露在冰層表面的錨繩由于冰層的固定作用，無法正常釋放有效余量，導致錨繩與陣列之間拉力過大，可能會導致部分錨點失效，影響陣列的安全性。針對這類工況，對一組應用于霍林河水庫漂浮式水上光伏項目的2×2的光伏陣列進行建模計算，分析其受力情況。圖8為2×2的光伏陣列模型，表1為應力計算結果。

由計算結果可知，冰脊在光伏陣列內部生成，在此種輸入條件下，陣列局部應力約為17.855 N/mm2，在進行支架結構設計時，應在選型中充分考慮應力問題。

1.3 浮 冰

厚度較大的冰層在春季融化時，會形成體積較大的浮冰[10]。浮冰對陣列的影響主要分為兩種情況。

1.3.1 浮冰撞擊

在速度較大的水流條件下，浮冰具有較大的速度，其撞擊浮體時產生的集中荷載較大，由于浮體材料為高密度聚乙烯，硬度相對較小，浮冰可能會對浮體造成變形、破損等不可逆轉的損傷;由于冰塊一般具有鋒利的棱角，當冰塊足夠大的時候，將對浮體造成較大影響。在工程中應盡量避免這種情況發生。浮冰對浮體的撞擊力沒有相關的行業規范，可參考GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰凍設計規范》中的相關規定：

[F=0.07υδAfc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：F為撞擊力，MN;υ為冰塊速度，m/s;δ為流冰厚度，m;A為冰塊面積，m2;fc為冰的抗壓強度，MPa。

1.3.2 冰附加力

當大片冰塊附著在陣列上與浮體陣列形成整體時（圖9），由于整體受到水流荷載的影響以及冰撞擊和冰膨脹的影響，陣列可能會受到較大的額外水平荷載。

當冰塊體積較大時，整體所受荷載會遠超設計值，甚至超過系泊系統極限荷載，從而導致系泊系統損壞或者失效的情況，給陣列帶來很大的安全隱患。

1.4 冰水分離

冰水分離是指由于在冬季結冰之后，冰層下的水不斷流向其他地方，導致冰下的水位不斷降低，從而導致冰懸空的現象（圖10）。

當春季冰不斷融化時，如果此時水面離冰面較遠，則可能由于融化不均勻，出現陣列部分區域懸空的情況，導致陣列中鋼支架及組件等受到損壞。因此在運維過程中需對冰下水位進行監測，且當冰結到一定厚度時，可在陣列周邊采取切割冰塊等方式，讓陣列整體始終隨著水位上下浮動，避免出現冰水分離過大的情形。

2 處理措施

綜合考慮以上影響因素，在設計高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統時，建議采取以下措施，防止高寒高海拔地區嚴苛環境條件對系泊系統穩定性產生不利影響，保證漂浮式水上光伏電站的安全運行。

（1） 針對冰層影響，優先選擇在結冰前進行錨固施工，避開冰層對錨繩的阻擋;若結冰后進行錨固施工，需考慮化冰后錨繩的實際余量，預測陣列最大位移，在做總布置時需留出此位移，防止陣列碰撞;同時，在冰快要化完前，需要通過人工運維的方式將多余的錨繩余量收回，防止陣列出現較大偏轉。

（2） 針對冰脊的影響，可在錨繩和陣列之間加浮球和高強彈性繩裝置，如圖11所示。由于浮球的作用，可保證彈性繩始終處于冰面以上，當陣列被冰脊頂起時，可通過彈性繩自身的可伸縮特性，保護陣列及錨點不受損壞。同時，在相關結構選型時，應結合建模計算結果判斷是否滿足應力計算要求（圖11）。

（3） 針對浮冰撞擊的影響，由于浮冰碰撞荷載中冰塊大小不可控，撞擊力也是不可控的，而浮體相對比較脆弱，因此高寒高海拔地區漂浮式水上光伏工程中，應盡量避免將陣列布置在水流流速較大的區域，或者在陣列上游設置相關的防冰措施，避免此類情況發生。另一方面，針對冰附加力的影響，可考慮附加質量和附加吃水面積，假設陣列整體質量為M、陣列吃水面積為A，陣列在有附著冰后發生如下變化：

M=m1+m2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

A=A1+A2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：m1為陣列質量;m2為附著冰的質量;A1為陣列吃水面積;A2為附著冰的吃水面積。因此在設計過程中需要結合陣列的尺寸以及實際冰塊尺寸觀測結果等，在設計系泊系統時應合理充分考慮附著冰帶來的額外載荷。首先，在進行錨點布置時，合理增加錨點數量，加大錨塊質量，提高系泊系統整體系泊能力;其次在錨繩選型時，應選用強度較高、自重較輕的鋼絲繩，根據環境荷載計算結果選擇所用型號，最小破斷拉力大于錨繩設計極限應力;在錨固支架設計上，以保護浮體耳板效果為衡量指標，設計簡單、輕便、保護性強的剛支架。圖12為某項目應用的鋼支架結構，通過結構計算分析，結合系泊系統系泊力分析結果，此鋼支架受力滿足項目受力要求，可最大程度保護光伏陣列。

（4） 針對冰水分離的問題，主要采用運維手段進行解決。在運維過程中對冰下水位進行監測，且當冰結到一定厚度或水位下降到一定高度時，可在陣列周圍采取破冰方式（圖13，14），使陣列作為整體進入水中，防止由于局部冰厚過薄產生局部下陷而導致陣列支架或組件損壞的情況發生。

（5） 除上述措施外，為保證系泊系統的有效性，適應高寒高海拔地區環境條件的不確定性，應選擇相對較大的安全系數，確保陣列安全。以上技術已成功應用于北方地區霍林河水庫漂浮式水上光伏項目（圖 15），且已取得較好的工程效果，為后續高寒高海拔地區漂浮式水上光伏大規模應用積累了寶貴經驗和先進技術，具有一定的示范效應。

3 結 語

本文針對高寒高海拔地區漂浮式水上光伏環境復雜的難題，初步分析了冰層、冰脊及浮冰對漂浮式水上光伏系泊系統的影響因素，并提出了設計及施工過程中的解決措施，且成功應用于北方地區霍林河水庫漂浮式水上光伏項目。經實際工程檢驗，該研究在一定程度上填補了高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統設計與研究空白，可為后續高寒高海拔地區漂浮式水上光伏系泊系統設計提供參考，具有一定的社會經濟效益。

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[10] 張麗敏. 冰對碼頭水工結構作用力的物理模擬試驗研究[D]. 大連：大連理工大學， 2006.

（編輯：江 文）

Research on influence factors of mooring system layout of floating photovoltaic in high altitude and cold area

ZHANG Shun1， DING Hong2， LIU Shuang1， LIU Yiliang1 ， ZHAO Zuofei2， ZHANG Qinghua2

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design， and Research， Wuhan 430010， China; 2.Spic Nei Mongol Energy Co.，Ltd.，Hohhot 010000， China）

Abstract： In order to study the application of floating photovoltaic in high altitude and cold regions， ensure the effectiveness， safety and reliability of mooring system of floating photovoltaic，this paper analyzed influence factors of mooring system layout of floating photovoltaic in high altitude and cold area on the basis of theoretical analysis and practical engineering，and then corresponding settlement measures were put forward. The results showed that the ice layer， ice ridge and floating ice and ice-water separation would have adverse impact on the layout of water photovoltaic mooring system in high altitude and cold area. Optimizing the anchoring rope margin， adding additional elastic devices， considering added mass and strengthening water level monitoring could effectively reduce the impact of the above factors on mooring system of water photovoltaic in high altitude and cold area.

Key words： floating photovoltaic; mooring system; ice ridges; high altitude and cold regions