海上光伏：漂浮式电站的主战场
海上光伏：漂浮式电站的主战场
海上光伏是一种新型的能源利用方式，它将光伏发电站从陆地搬到了海上，在海洋上利用光伏技术建立起发电站。海上光伏电站主要分为桩基固定式和漂浮式两大类，其中漂浮式光伏电站具有更广泛的适用范围，未来可能成为海洋光伏电站的主流形式。
水面光伏电站的两大类型
光伏是指将太阳能直接转换成电能的一种新型发电技术。通常大型陆上光伏项目需要占用较多的土地面积和土地资源，而海上光伏发电是一种新的能源利用方式和资源开发模式，是将“光伏发电站”从陆地搬到了海上，在海洋上利用光伏技术建立起发电站，具有发电量高、土地占用少、易与其它产业相结合等特点。海洋光伏相较陆上光伏，具有天然的环境优势：水面开阔没有遮挡物，日照较长且利用充分（水面反射光），可显著提升发电量。水面光伏电站分桩基固定式和漂浮式两大类，两者各有其适用场景。一般情况下，若水深小于5m则采用打桩架高式安装，水深5m以上可以采用漂浮式安装。
桩基固定式（架高式）海洋光伏电站
桩基固定式水面光伏电站，也称架高式水面光伏电站，常适用于水位较浅、无场地沉陷等地质灾害、水位变化较小的水面场地，如水产养殖池、盐场排淡池等。架高式水面光伏电站的光伏支架基础一般采用预应力钢筋混凝土管桩，通常建设在水深小于5m的水域。其基础形式采用PHC管桩加热镀锌钢支架的组合，桩顶高度高于水位0.4m以上；为方便船只通行，光伏组件下端离最高水位1m以上，组件采用最佳倾角安装。此类电站多采用“渔光互补”的建设模式，即利用水产养殖集中地区的池塘海洋资源，开发建设光伏发电项目，采用海洋发电、水下养殖的模式，实现多产业的互补发展。
漂浮式水面光伏电站
漂浮式光伏电站是指借助浮体材料与锚固系统使光伏组件、逆变器等发电设备漂浮在海洋上进行发电，适用于水深大于5m、受台风影响不大的水域，主要分为浮管式和浮箱式两大类。其中，浮管式包括HDPE浮管+支架、薄壁钢管+管内填充物+外防腐涂料+外防腐橡胶+支架、不锈钢+管内填充物+支架等形式；浮箱式包括HDPE标准浮箱、HDPE浮箱+支架、不锈钢浮箱+支架、高强复合混凝土浮箱+支架等形式。
- 浮管式漂浮水面光伏电站
“浮管+支架”漂浮式水面光伏电站是采用浮管材料与金属支架构成的水面漂浮系统。浮体采用高密度聚乙烯管或具有外防腐涂料的薄壁镀锌钢管连接成排，利用水的浮力支撑上部光伏系统的荷载，前后排光伏支架通过连接杆件形成一个整体，最终与锚固系统进行固定。该类型适用于水深较深且水位比较稳定的水域，水位变化较大时，需要考虑阵列定泊及电缆敷设的冗余量。
- 浮箱式漂浮水面光伏电站
“浮箱+支架”漂浮式水面光伏电站是采用纯浮箱或浮箱材料与金属支架构成的海洋漂浮系统。根据其材料及结构形式可分为标准高密度聚乙烯浮箱形式、高密度聚乙烯浮箱与金属支架组合形式等。
（1）标准高密度聚乙烯浮箱形式
该类型漂浮系统采用高密度聚乙烯专用浮箱作为浮体，浮箱根据组件倾角制作成相应的角度，该支架系统仅使用少量的钢连接片，无须设计钢支架。该系统的薄弱环节是连接耳环，需要经过详细的内力计算和力学试验，若不满足受力要求，需要进行局部节点加强。组件支撑系统与浮体系统是同一系统，受海洋波动影响较大，故高密度聚乙烯材料需要采取增强耐久性的措施。
（2）高密度聚乙烯浮箱与金属支架组合形式
该类型漂浮系统采用高密度聚乙烯浮箱作为浮体，上部架设金属支架，支架上部固定光伏组件；因标准高密度聚乙烯浮箱形式存在连接耳环受力较小的薄弱环节，从而衍生出该种漂浮形式。该类型中浮箱仅承受浮力和上部支架系统的压力，风荷载、水流力与波浪力产生的较大水平力由承载能力较强的金属支架承担，能够发挥各构件的优势，是海洋漂浮光伏电站应用较广的一种漂浮系统。同样，该系统使用的高密度聚乙烯浮箱也需采取增强其耐久性的措施，保证其能够满足光伏电站设计使用年限的要求。
（3）其它材料浮箱与金属支架组合形式
该类型漂浮系统采用不锈钢或高强复合混凝土等制作的浮箱作为浮体，上部架设金属支架，支架上部固定光伏组件。由于桩基固定式海洋光伏电站是将发电设备固定在近海或滩涂区域，主要适用水深较浅的海域，在迈向较深海域时会面临技术以及经济性上的较大压力；而漂浮式海洋光伏电站能够较好地克服上述问题，相应的适用范围更广，或将成为未来海洋光伏电站的主流形式。
海洋光伏与海洋风电的协同发展
海上光伏与海上风电并非竞争关系。参考内陆地区风光电场的经验，海洋光伏可围绕风电塔筒布局，并与海洋风电共用海底电缆、汇流箱、变压器、升压站及储能相关设施，能够有效降低海洋新能源项目的投资成本及维护成本，从而带来投资回报率的提升。海上漂浮式光伏系统与地面光伏电站的最大区别在于，前者以浮体、系泊和锚固部件替代了地面光伏电站的地桩和支架；除了对组件部分指标要求更高之外，其他部分设计与陆上集中电站无异。
海上漂浮式光伏电站的关键系统
漂浮式海洋光伏电站系统主要有四大系统构成，分别为漂浮系统、锚固系统、敷设系统、接地系统等。其中，漂浮系统包括光伏阵列漂浮系统和电气设备漂浮系统两部分，它们的设计需经过比选，选择能够满足25年使用寿命的漂浮系统；锚固系统包括配重锚固系统、专用锚具锚固系统和桩锚固系统三部分；敷设系统包括交、直流电缆敷设和集电线路敷设两部分；接地系统包括光伏阵列接地系统和电气设备接地系统两部分。
漂浮系统
漂浮材料主要为光伏发电设备提供浮力支撑，为施工和运维工作提供作业面，其质量对漂浮系统的使用寿命至关重要。漂浮系统通常情况下要满足使用寿命达到25年的要求，在经年累月经受海风海浪冲击及海洋微生物等侵蚀的情况下，要达到正常的使用寿命，将对漂浮材料的质量提出较高的要求。在之前的探索阶段，业界曾分别使用过竹子、混凝土、不锈钢、玻璃钢、铝镁合金以及高密度聚乙烯（HDPE）等作为浮体材料，但效果参差不齐；经过几年发展，目前行业主流工艺采用改性高密度聚乙烯（改性HDPE）作为浮体材料。
普通高密度聚乙烯在紫外线、高能辐射的作用下，会在空气中发生降解，导致变色、表面龟裂直至脆化、失去强度而丧失使用价值，因此难以满足海洋环境正常使用25年的寿命要求；同时其在实际生产过程中（如吹塑、注塑过程），易产生型坯鲨鱼现象或熔体破裂等问题。为使普通高密度聚乙烯满足漂浮式海洋光伏电站的使用要求，需要对其进行耐候、增韧改性，确保在25年寿命周期内，材料的基本性能如拉伸强度、拉伸延伸率以及冲击强度维持率大于70%。
锚固系统
锚固系统能够使光伏浮体阵列固定在特定范围，避免被海风或洋流冲散，是漂浮系统、敷设系统、接地系统能否可靠工作的关键点。锚固系统包括配重锚固系统、专用锚具锚固系统和桩锚固系统三部分，也是“水面漂浮电站”设计的难点。在光伏阵列组装完成后，将其拖移至合适位置，进行初步的定位，待调整完好后再与锚固系统连接。光伏阵列在风荷载、水流、波浪等的作用下，产生较大的水平力，配重锚固、专用锚具锚固提供的锚固力较小，需要设置的锚固点数量较多。采用桩锚固的方式可以提供更强的锚固力，减少锚固数量，沉陷区也能够采用锚固桩的方式，但是有防水层的水域不能采用。
敷设系统
不同类型的敷设系统有不同的施工侧重点。敷设是指线管或线缆由一处至另一处之间的安装方式，可分为交、直流电缆敷设和集电线路敷设。其中交、直流电缆敷设在漂浮系统上能方便施工和检修，光伏阵列区的直流、交流电缆宜通过浮箱固定，设置桥架的方式。若采用集电线路敷设则应该设置相应的适应水位变化的措施，高压交流线缆敷设优先采用浮体上敷设方式，其次选用水下敷设方式，设计时应确保后期维护的便利性。线缆设计时应根据水位的变化充分考虑线缆长度的余量，此外还应根据水域的自然环境来确定电缆护套的材料。
接地系统
接地系统是对埋在地下的多个金属接地极和导体连接组成的网状结构的接地体的总称，分为光伏阵列接地系统和电气设备接地系统，总接地网的接地电阻值不可大于4欧米伽。水面漂浮电站接地非常重要，要根据不同的水面情况和组件选型等因素综合确定，其接地引下线应设置适应水位变化的措施及预留冗余，选取合理的接地装置。
境外海上漂浮光伏电站的商用案例
为应对气候变化、减少碳排放，新加坡政府在2021年公布了2030年新加坡绿色发展蓝图，旨在推进新加坡可持续发展，提升可再生能源发电占比。作为一个资源稀缺的国家，新加坡政府将目光瞄准了海上，在柔佛海峡部署了5MW的海上漂浮电站。
柔佛海峡5MW海上漂浮电站项目已于2021年建成竣工，目前运行良好。其是全球规模最大的海上漂浮式光伏系统之一，设有超过3万个浮动模块，用来支撑1万3千多个太阳能板和40个逆变器。该系统预计每年可生产约602万千瓦时的电力，约等于1250个四房式组屋一年的用电量，且能减少4258吨碳排放。此外，该系统采用了稳健的恒张力系泊系统，能够承受变化的天气条件，保持平台所有运行设备的稳定。