東北寒冷地區(qū)水面漂浮式光伏電站關(guān)鍵技術(shù)綜述

常 穎，馬建軍，陳 博，師小小，白雪松

（1．中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林省長春市 130021；2．松原市哈達(dá)山發(fā)電有限公司，吉林省松原市 131599）

0 引言

國家在“十四五”規(guī)劃中提出，繼續(xù)將新能源產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，提升新能源消納和存儲能力，并提出“碳達(dá)峰，碳中和”的新概念，樹立二氧化碳排放量力爭于2030年達(dá)到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1]。這一戰(zhàn)略性目標(biāo)給新能源的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇，特別是以太陽能、風(fēng)能等綠色能源為動力的低碳環(huán)保的發(fā)電事業(yè)，將隨著國家政策的東風(fēng)進(jìn)一步發(fā)展壯大[2]。本文所介紹的關(guān)門山水庫水上光伏發(fā)電工程就是響應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)政策應(yīng)運而生的，作為科研試點項目，在東北寒冷地區(qū)眾多水上光伏項目中別具一格。

本站位于遼寧省開原市關(guān)門山水庫，為遼寧大唐沈東熱電公司建設(shè)的50kW光伏發(fā)電科研示范項目工程，屬于純離網(wǎng)項目。實驗性項目研究成果主要解決了寒區(qū)水面漂浮式光伏電站的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，主要包括：

（1）光伏組件方位角和傾角的選擇。

（2）適合東北寒冷地區(qū)水域的水面漂浮式光伏發(fā)電浮體型式的研究。

（3）適合東北寒冷地區(qū)水域的水面漂浮式光伏的錨固系統(tǒng)的研究。

1 基本設(shè)計方案

1.1 光伏陣列

本站選擇晶科單晶光伏發(fā)電組件，組件單片功率460Wp，尺寸為2182mm×1029mm×35mm，組件數(shù)量為112塊，光伏陣列總?cè)萘繛?1.52kW。每塊組件重量為25.0kg，組件總重量為2800kg?，F(xiàn)場目前安裝1個光伏子陣，共7排，每排布置16塊光伏組件。

1.2 浮體和支架

本站采用漂浮的安裝方式，浮體布置型式為浮體加金屬桿件的組合型式。浮體與浮體通過抱耳相互連接形成東西運維通道，各運維通道之間通過南北向金屬桿件相互鉸接形成一個浮動的安裝基礎(chǔ)，再將光伏組件通過金屬支架安裝在這個浮動的基礎(chǔ)上。為保證組件良好的通風(fēng)及水冷降溫效應(yīng)從而帶來發(fā)電量的最大提升，組件正下方不布置浮體。現(xiàn)場光伏子陣排列現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 光伏子陣排列現(xiàn)場Figure 1 Array of photovoltaic cells

1.3 逆變器選擇

選用離并網(wǎng)儲能逆變器一體機(jī)，額定功率5kW，額定工作直流電壓360V，最大直流電壓600V，2路MPPT（最大功率點跟蹤）輸入回路。逆變器接入2個組串支路，每個組串支路為8塊光伏組件串聯(lián)，2個組串支路共16塊組件。

1.4 錨固系統(tǒng)

結(jié)合本次試驗項目體量小、投資少、冬季水下施工不便的特性，選用沉錨的形式進(jìn)行施工。錨塊尺寸1.1m×1.1m×0.5m，單個干重約1.5t，共22個。錨固繩索系泊半徑20m，單根繩長25m，最大偏移量3.6m。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題研究

2.1 光伏陣列方位角及傾角的選擇

2.1.1 方位角的選擇

方位角是太陽能組件方陣的垂直面與正南方向的夾角。本站光伏組件支架采用固定式不可調(diào)運行方式，光伏陣列朝向正南方向，方位角為0°，此時發(fā)電量是最大的[3]。

2.1.2 傾角的選擇

傾斜角是太陽能組件方陣平面與水平地面的夾角。選擇光伏陣列的傾角，需考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件、組件支架的運行方式、陣列的排布方式等多個因素之間的制約關(guān)系[8]，另外，PVsyst是目前光伏系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域比較常用的軟件之一，可以作為計算光伏方陣傾斜角的輔助工具[4]。

本站選擇的傾角有12°和20°兩種。其中，12°傾角目前被廣泛地應(yīng)用于水上光伏工程，主要原因是考慮水域面積廣闊，沒有構(gòu)筑物及植被的遮擋，由T/CPIA 0017—2019《水上光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》附錄A.2公式可知，傾角越大，計算面積越大，組件上承受的風(fēng)荷載越大，越容易造成設(shè)備傾覆，因此目前已經(jīng)投建的水上光伏項目，根據(jù)組件排列的距離不同，多選用5°、10°或12°的小傾角設(shè)計方案。

式中：W——風(fēng)荷載設(shè)計值；

A——計算面積，光伏組件在正北側(cè)豎直方向的投影面積；

Wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

K——方陣修正系數(shù)。

通過PVsyst軟件進(jìn)行模擬，并考慮風(fēng)荷載、雪雨冰霜等影響，設(shè)計方提出使用20°傾角的方案，理由如下：

（1）令傾角接近PVsyst軟件模擬計算值，即最佳傾角，大大提高了組件接收的太陽輻照量，從而提高了單位面積年發(fā)電量。

（2）有利于加快組件上的融雪速度和冰雪滑落。

（3）由氣象部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，開源地區(qū)屬于季風(fēng)性大陸性氣候，春夏多西南風(fēng)，秋冬多西北風(fēng)，平均風(fēng)速在2.2～4.2m/s之間，最大風(fēng)速不超過5m/s（排除極端天氣情況）。

本站是科研試點項目，工程體量小，組件數(shù)量少，經(jīng)過風(fēng)載計算和大量水上實驗，設(shè)計人員得出結(jié)論，本項目組件不存在傾覆的危險。

為了對比不同傾角的效果，本站選擇了12°和20°兩種角度作對比試驗，在冬季降雪之后，可直觀地看到兩者發(fā)電量的顯著差別。

2.2 浮體

2.2.1 浮體型式

水上光伏有多種建設(shè)型式，國內(nèi)外已建項目普遍使用的建設(shè)型式見表1。浮體是漂浮式水面光伏漂浮系統(tǒng)的基礎(chǔ)，浮體的型式及使用材料也多種多樣，并隨著漂浮式水上光伏的發(fā)展在不斷地更新圖調(diào)整。

表1 水面光伏普遍使用的建設(shè)型式Table 1 Water surface photovoltaic commonly used construction patterns

各建設(shè)型式都有其適用范圍和優(yōu)缺點，各種漂浮系統(tǒng)的適用范圍、優(yōu)缺點對照見表2。

表2 水面光伏的幾種建設(shè)型式的優(yōu)缺點比較[7]Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of several construction types of surface photovoltaic

考慮工程體量、預(yù)算指標(biāo)、施工難度等因素,本站選用HDPE浮箱+支架式漂浮光伏系統(tǒng)。浮箱+支架形式較標(biāo)準(zhǔn)浮箱形式受力更合理，造價低，可有效解決節(jié)點強度低的問題。但在設(shè)計過程中，要考慮波浪對漂浮系統(tǒng)的影響，合理設(shè)置構(gòu)造連接措施。

2.2.2 浮體材料

材料性能直接關(guān)系到浮體設(shè)計使用壽命。HDPE（高密度聚乙烯）是現(xiàn)階段國內(nèi)外普遍使用的浮體材料，是一款具備抗衰老、抗老化的超長耐候材料[5]。

制作浮體的原材料有多項性能指標(biāo)，如溶指（決定原料的加工性）、密度、ESCR（即耐環(huán)境應(yīng)力開裂，決定了浮體在水中長期浸泡和應(yīng)力共同作用下的抗開裂性能，劣質(zhì)或低ESCR材料使用在浮體中會留下長期隱患，導(dǎo)致浮體開裂漏水）和拉伸性能（老化前后的重要判斷依據(jù)）。不同原料供應(yīng)廠家生產(chǎn)工藝不盡相同，市面上的HDPE原料質(zhì)量良莠不齊，本站選用了水面光伏設(shè)備新材料研發(fā)實驗室（CNAS認(rèn)證實驗室）研制加入了改性材料的新型HDPE產(chǎn)品，性能優(yōu)于同類產(chǎn)品，在耐久性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面都有了很大提高。在母料方面，通過了實驗室的包括HDPE材料19項基本性能測試、耐化學(xué)試劑+拉伸測試、主成分定性分析、HDPE鹽霧測試、六階段紫外線老化性能測試等30余項系統(tǒng)性試驗。

材料性能直接關(guān)系到浮體設(shè)計使用壽命?，F(xiàn)代工藝生產(chǎn)的光伏發(fā)電組件的運行壽命為25年，則浮體材料應(yīng)滿足至少25年的正常使用壽命。新材料的使用對電站的長期正常穩(wěn)定運行、檢修維護(hù)、投資的回收都起著至關(guān)重要的作用。

2.3 錨固系統(tǒng)

2.3.1 錨固系統(tǒng)的作用和組成

錨固系統(tǒng)是水面漂浮電站設(shè)計的難點，也是漂浮系統(tǒng)、敷設(shè)系統(tǒng)、接地系統(tǒng)能夠可靠工作的關(guān)鍵點。錨固系統(tǒng)的作用有：控制漂移范圍、保證組件朝向、防止浮體掀翻傾覆，使漂浮光伏陣列具備抵抗外界環(huán)境（如大風(fēng)，暴雨及其他惡劣天氣）荷載的能力。

一般錨固系統(tǒng)由錨固基礎(chǔ)、系泊纜、錨固桁架三部分組成[6]，安裝示意圖見圖2，常用的幾種錨固方式見圖3。圖2中，1為錨固基礎(chǔ)，約束漂浮方陣，一般有混凝土重力錨、樁錨、地錨、船錨；2為系泊纜，連接水底錨固基礎(chǔ)與光伏陣列，一般有鋼絲繩、彈性繩、錨鏈等；3為錨固桁架，連接系泊纜，一般為金屬焊接件。

圖2 錨固系統(tǒng)安裝示意圖Figure 2 Installation diagram of anchoring system

圖3 常用的幾種錨固方式Figure 3 Some common anchoring methods

2.3.2 錨固方案選擇

由于每個工程都有其唯一性和特殊性，并結(jié)合水庫周邊情況、庫底土質(zhì)、施工成本等多個因素進(jìn)行考慮，因地制宜地制定出具體的錨固方案。將幾種可行的錨固方案進(jìn)行比選后,本站選用重力錨方案，錨固方案比選見表3。

表3 幾種錨固方案的比選Table 3 Comparison and selection of several anchorage scheme

2.3.3 沉重力錨方案

（1）設(shè)計方案。

根據(jù)之前的設(shè)計成果，考慮光伏陣列所受的風(fēng)荷載、水流、波浪等作用，制定出一個可操作性強、利于安全施工的沉錨方案。錨固系統(tǒng)方案布置示意見圖4，錨固系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)輸入、輸出見表3。

圖4 沉錨系統(tǒng)方案布置示意圖（單位：m）Figure 4 Schematic diagram of anchor system layout（unit：m）

表4 錨固系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)輸入、輸出表Table 4 Anchor system design data input and output table

（2）作業(yè)流程。

1）運輸錨固塊的托運車將錨固塊運輸?shù)浆F(xiàn)場岸邊吊車作業(yè)半徑內(nèi)，吊車將錨固塊放在倒運冰車上。

2）錨固定位人員先將定位點冰面做好標(biāo)記，再將標(biāo)記處冰面破開。

3）由于錨固塊重量高達(dá)1.5t，冰面凍層厚度不均勻，局部有可能出現(xiàn)冰面斷裂現(xiàn)象。為了保障施工安全，采用繩索牽引的方法，施工人員鋼絲拉線固定在錨固塊上，然后站在岸邊用繩索牽引運輸冰車，將冰車牽引到錨固塊定位處。

4）將錨固塊用繩索牽引投入水底。

3 結(jié)束語

本站屬于科研示范項目，其建設(shè)目的在于對新技術(shù)、新材料、新工藝的探索，本文共論述了水上光伏的三個關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）東北寒冷地區(qū)水面光伏的組件傾角的設(shè)計（新技術(shù)），首次使用20°傾角設(shè)計，在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，大幅度提供了發(fā)電率。

（2）新型浮體材料的應(yīng)用（新材料），使用HDPE+改型材料作為浮體材料，大大提高浮體性能，增長使用年限。

（3）東北寒冷地區(qū)沉錨技術(shù)的實施（新工藝），充分考慮安全性、可靠性、可操作性，合理制定施工方案，達(dá)到人材機(jī)的最優(yōu)配置。

本站已于2021年2月投入生產(chǎn)，實現(xiàn)獨立運行。施工順利，運行良好，各方面優(yōu)越性均得以體現(xiàn)，建議可將本站的創(chuàng)新成果應(yīng)用在即將建設(shè)的具有類似條件的水上光伏電站中。