資源集約化條件下水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

詹永和，余智珩，劉蕭何

(江西恒能電力工程有限公司，南昌 330001)

0 引言

過去，中國的光伏電站主要建設(shè)在青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省等西北地區(qū)，雖然這些地區(qū)擁有大量可利用的土地資源且光照資源充足，但這些地區(qū)的基礎(chǔ)電力設(shè)施落后、工業(yè)產(chǎn)能不高。隨著新能源市場的大力發(fā)展，新能源裝機(jī)容量遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)赜秒娮畲筘?fù)荷，而外送通道的建設(shè)并未及時跟上，造成了西北地區(qū)存在嚴(yán)重的“棄光”現(xiàn)象[1]。中國用電負(fù)荷中心基本位于華北、華中、華東、華南等地區(qū)，此類地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但土地資源相對短缺，可供光伏電站建設(shè)的用地量稀少，大多數(shù)光伏發(fā)電項目類型為山地光伏發(fā)電項目。而山地光伏發(fā)電項目的土地利用率較低、施工難度大、光伏發(fā)電系統(tǒng)效率低、建設(shè)成本較高，并且這些地區(qū)可用于建設(shè)山地光伏電站的土地資源也不充裕。

針對上述問題，水面漂浮式光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但早期建設(shè)的許多水面光伏電站受制于特定時段的技術(shù)、思想局限性等因素，存在著土地利用率低的問題。通過利用早期水面光伏電站的“邊角余料”(即光伏方陣區(qū)域未利用的、剩余的水面)來實施水面漂浮式光伏發(fā)電的技術(shù)改造方案，將大幅提高土地利用率，并增加水面光伏電站收益。針對資源集約化條件下的水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文以利用泰和20 MW漁光互補(bǔ)光伏電站中魚塘水面的剩余空間增補(bǔ)400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，從光伏組件布置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)成本等要點(diǎn)出發(fā)，對新增光伏發(fā)電系統(tǒng)分別采用水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)這兩種方案的建設(shè)結(jié)果進(jìn)行對比分析，可為今后類似工程的設(shè)計提供參考。

1 項目概述

泰和20 MW漁光互補(bǔ)光伏電站位于江西省吉安市泰和縣萬合鎮(zhèn)前進(jìn)農(nóng)場，地理坐標(biāo)為26.928°N、115.029°E。該項目場地全部為魚塘，總占地面積約600畝(1畝≈666.67 m2)；項目采用固定式光伏支架，支架基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力PHC管樁，支架設(shè)計的最佳傾角為20°。

該漁光互補(bǔ)光伏電站已于2017年完成全部建設(shè)且并網(wǎng)發(fā)電，但鑒于當(dāng)時的產(chǎn)品功能、設(shè)計思路等局限性，項目一期600多畝的水面只建設(shè)了20 MW的光伏發(fā)電單元，土地利用率較低，且一期建設(shè)時預(yù)留的捕魚通道過寬(寬約65 m)。因此，針對泰和20 MW漁光互補(bǔ)光伏電站進(jìn)行技術(shù)改造，主要考慮在此捕魚通道內(nèi)新增400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

該漁光互補(bǔ)光伏電站所在地的衛(wèi)星圖片如圖1所示，圖中紅線范圍內(nèi)為本期技術(shù)改造安裝水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的范圍。

圖1 本漁光互補(bǔ)光伏電站所在地的衛(wèi)星圖片F(xiàn)ig. 1 Satellite image of location of fishery-PV complementary power station

2 不同方案的對比分析

對新增光伏發(fā)電系統(tǒng)分別采用水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)這兩種不同方案時的光伏組件布置方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)成本進(jìn)行對比分析。

2.1 光伏組件布置分析

泰和20 MW漁光互補(bǔ)光伏電站一期項目采用320 Wp的多晶硅光伏組件，尺寸為1956 mm×992 mm×35 mm，光伏組件安裝傾角為 20°；新增水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用440 Wp的疊瓦光伏組件和220 Wp疊瓦光伏組件，尺寸分別為3560 mm×652 mm×35 mm 和 2115 mm×992 mm×35 mm；光伏組件安裝傾角為 12°。

400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)排布方式及400 kW傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)排布方式分別如圖2、圖3所示。

圖2 400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)排布方式Fig. 2 Standard layout of 400 kW floating PV power generation system

圖3 400 kW傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)排布方式Fig. 3 Standard layout of 400 kW traditional fishery-PV complementary power generation system

整個400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由浮體系統(tǒng)、光伏組件、錨固系統(tǒng)等組成，整個發(fā)電系統(tǒng)東西寬約32 m、南北長約130 m，放置在一期項目預(yù)留的65 m寬的捕魚通道內(nèi)時空間充裕，不影響捕魚通道的正常使用。

在同等氣象及地理位置條件下，水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積應(yīng)大于傳統(tǒng)的漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積，但本項目設(shè)計不予考慮。在不考慮其他外在因素的影響(即理想狀態(tài))下，本項目新增的水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積與一期傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積基本保持一致。理想情況下不同類型標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積如表1所示。

表1 理想情況下不同類型標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積Table 1 Floor area of different types of standard PV power generation systems under ideal condition

在實際項目中，對原有水面光伏發(fā)電系統(tǒng)增加新的水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)時，光伏方陣的布置會受到諸多場地環(huán)境因素的影響，具體如表2所示。

表2 場地環(huán)境因素對不同類型光伏發(fā)電系統(tǒng)布置的影響Table 2 Influence of site environmental factors on the layout of different types of PV power generation systems

根據(jù)以上分析可以判斷，本項目新增400 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)改造方案選用漂浮式光伏發(fā)電方案，在土地利用、施工條件等外部因素方面均具有優(yōu)勢。

2.2 不同方案下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的浮體系統(tǒng)主要由光伏組件固定支架、主浮體、過道浮體等組成。浮體材質(zhì)選用高密度聚乙烯，通過吹塑工藝成型，主浮體用于支撐光伏組件，過道浮體用于浮體連接、電纜槽盒鋪設(shè)，以及作為運(yùn)維通道等。錨固系統(tǒng)起到固定作用，用于保證水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、水流、波浪等多種荷載組合下穩(wěn)定運(yùn)行[2]。錨固系統(tǒng)主要由錨繩、樁錨(或沉重錨塊)等組成，通過錨繩將浮體與錨固件相連，并且具備一定的伸長空間以應(yīng)對水位變化。

傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)是由固定式光伏支架和樁基組成。其中，光伏支架包括檁條、斜梁、斜撐和立柱等。光伏組件通過螺栓或壓塊連接檁條，荷載通過“光伏組件—檁條—斜梁—斜撐—立柱”進(jìn)行傳遞，斜撐與立柱之間通過抱箍與預(yù)制樁進(jìn)行連接。

對兩種方案下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活性較好，而傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在安全可靠性方面具有優(yōu)勢。

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)演變出了幾種不同類型，對目前市場上主流的不同結(jié)構(gòu)形式的水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，具體如表3所示。

根據(jù)表3的對比分析，針對本研究項目所在地的情況，采用浮箱一體化結(jié)構(gòu)形式時的防風(fēng)、防浪能力強(qiáng)，安裝完成后光伏組件的可靠性極高；施工方式更安全便捷；可節(jié)約占地面積。綜上所述，新增的400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用浮箱一體化結(jié)構(gòu)形式為最優(yōu)技術(shù)方案。

表3 不同結(jié)構(gòu)形式的水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的對比分析Table 3 Comparison and analysis of floating PV power generation systems with different structures

由于新增400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的性質(zhì)為技術(shù)改造，因此其設(shè)計、施工應(yīng)在不對原本設(shè)備造成影響的前提下進(jìn)行。水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的錨固系統(tǒng)可采用樁錨或沉重錨塊，但若采用樁錨，則水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式將不具備施工便捷這一優(yōu)勢，從而與傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行對比時的優(yōu)勢不明顯，所以新增的水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用沉重錨塊。該沉重錨塊采用C30的混凝土預(yù)制而成，通過運(yùn)維船只運(yùn)送到設(shè)計指定地點(diǎn)，再將其沉入水底。沉重錨塊與浮體之間通過錨繩連接，整個水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在東、南、西、北4個方向均布置了若干個沉重錨塊。因本項目位于魚塘內(nèi)，水位的變化基本可由人工控制，因此水位的變化對水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響較小。

水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件布置局部示意圖如圖4所示，錨固系統(tǒng)的錨塊位置示意圖如圖5所示，浮體系統(tǒng)實景圖如圖6所示。

圖4 水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件布置局部示意圖Fig. 4 Partial schematic diagram of PV module layout of floating PV power generation system

圖5 錨固系統(tǒng)的錨塊位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of anchor block location of anchoring system

圖6 浮體系統(tǒng)實景圖Fig. 6 Photo of floating body system

2.3 不同方案下的建設(shè)成本分析

建設(shè)成本主要包括基礎(chǔ)材料費(fèi)、基礎(chǔ)安裝費(fèi)、設(shè)備成本、設(shè)備安裝費(fèi)。由于兩種方案的設(shè)備安裝費(fèi)差異不大，因此未進(jìn)行詳細(xì)分析。

1)水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料費(fèi)主要由錨繩、沉重錨塊的混凝土和鋼筋的費(fèi)用組成；傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料費(fèi)主要為預(yù)制樁的費(fèi)用。

2)水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)安裝費(fèi)主要由沉重錨的制作費(fèi)用、安裝費(fèi)用，以及混凝土抗壓試驗費(fèi)用組成；傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)安裝費(fèi)主要由預(yù)制樁施工費(fèi)用、樁基檢測費(fèi)用組成。安裝費(fèi)均按照市場價進(jìn)行計算。

3)水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備成本主要由浮體、光伏組件固定支架、線纜等的費(fèi)用組成；傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備成本主要由固定式光伏支架、線纜、線纜槽盒等的費(fèi)用組成。

對兩種方案下的基礎(chǔ)材料費(fèi)、基礎(chǔ)安裝費(fèi)、設(shè)備成本進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)：在基礎(chǔ)材料費(fèi)和基礎(chǔ)安裝費(fèi)方面，水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)相比具有較大優(yōu)勢；在設(shè)備成本方面，傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)與水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比具有較大優(yōu)勢。

建設(shè)成本分析時，本新增水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的浮箱一體化結(jié)構(gòu)形式中的浮體和光伏組件固定支架的采購成本(包括基礎(chǔ)材料費(fèi)、設(shè)備成本費(fèi))按照2020年時的市場價0.7元/W計算；錨固系統(tǒng)采購成本按照0.1元/W計算；兩種方案的光伏組件的采購成本相同，因此不計入對比計算。

裝機(jī)容量為400 kW時，兩種方案下系統(tǒng)的建設(shè)成本對比具體如表4所示。

表4 裝機(jī)容量為400 kW時，兩種方案下系統(tǒng)的建設(shè)成本對比Table 4 Comparison of construction cost of system under two schemes when installed capacity is 400 kW

通過表4可以看出：經(jīng)過綜合對比，本項目新增的400 kW項目的技術(shù)改造方案采用水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)可節(jié)約建設(shè)成本約40.03萬元。

400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)完工后的實景圖如圖7所示。

圖7 400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)完工后的實景圖Fig. 7 Photo of 400 kW floating PV power generation system after completion

光伏行業(yè)發(fā)展日趨成熟，隨著太陽電池尺寸為210 mm的光伏組件的推廣，水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的浮體成本也在不斷下降，因此水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建設(shè)成本方面與傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)將進(jìn)一步拉開距離。

3 水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景

2021年10月，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)表了《中國應(yīng)對氣候變化的政策與行動》白皮書，指出實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是中國深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾[3]。光伏發(fā)電作為低碳能源發(fā)電形式，是中國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，無疑將成為實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的強(qiáng)勁引擎。目前，水面漂浮式光伏發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，在安徽省淮南市、山東省德州市等地均建設(shè)有百兆瓦級別的大型水面漂浮式光伏電站。

新建光伏電站日趨增多，而老舊的光伏電站同樣潛力巨大。截至2018年底，全國具備技術(shù)改造空間的光伏電站裝機(jī)容量約為16.3 GW，其中包含部分水面光伏電站。過去的水面光伏電站基本上都采用“固定式光伏支架+預(yù)應(yīng)力PHC管樁”的結(jié)構(gòu)形式，對其進(jìn)行增容改造的成本較高、施工難度較大，而水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用可以有效解決上述問題。

4 結(jié)論

本文針對泰和20 MW漁光互補(bǔ)光伏電站進(jìn)行技術(shù)改造，利用魚塘水面的剩余空間，增補(bǔ)了400 kW水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)，從光伏組件布置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)成本分析3個方面對新增系統(tǒng)分別采用水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)這兩種方案的建設(shè)結(jié)果進(jìn)了行對比分析。結(jié)果表明：采用水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)可減少建設(shè)成本，增加土地利用率。

在過去10多年的時間內(nèi)，中國光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，目前部分光伏電站的運(yùn)行時間已超過10年，巨大的光伏市場促進(jìn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升、系統(tǒng)成本下降，給技術(shù)改造創(chuàng)造了空間。隨著土地資源越發(fā)緊俏，水面光伏電站的技術(shù)改造將成為未來的一個新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，而水面漂浮式光伏發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用將使這一目標(biāo)成為可能。