水上太阳能光伏电站的技术特点及应用

文章从水上光伏电站发展优势，技术特点、设备选型等方面作了探索分析，并提出了实际应用中可能存在或需要改进的问题。

1 水上光伏电站的发展现状及优势

1.1 发展现状

水上光伏电站是指在水塘、水库、湖泊等在水上建设的光伏电站，根据项目地水深等情况，建设形式分为两 种：一般水深小于3m 的采用打桩架高式安装（见图1）； 水深3m 以上的可以采用漂浮式安装系统（见图2）。

国内水上光伏电站以打桩架高式为主，但随着水上漂浮式技术的不断成熟，新材料、新技术、新工艺不断涌现， 建设成本不断降低。近年来水上漂浮式光伏发电项目成 为光伏发电领域的新热点，装机容量呈现快速增长。

图1 水上桩基架高式光伏电站

图2 水上漂浮式光伏电站

1.2 水上光伏电站的优势

优势如下：

① 水上光伏电站，不占用耕地、林地、一般农用地等稀缺土地资源，提高水域附加值；

② 水塘、 湖泊或采煤塌陷区的水面，一般周边环境较开阔，组件朝向一致，便于集中布置，集中管理；水域表面相对灰 尘较少，且清洗方便，对运维管理，保障发电量均有利；

③ 可以提高发电量约7% ～ 12%： 光伏组件倾斜面上的辐射量由太阳直接辐射量、散射辐射量、反射辐照量组成， 而水面的反射率约为0.6%，远高于地面、草地等环境的 反射率，经测试评估光伏组件倾斜面上的总辐射量比地面提高约1.5%；

④ 水域的气温变化相对较小，夏季水体的 冷却效应，可抑制光伏组件表面温度的上升，提高发电量；

⑤ 我国东部地区水资源丰富，用电需求大，电网结构强劲， 一般都可就近并网消纳；

⑥ 水上光伏电站可以有效遮蔽水 面，减少水体蒸发，抑制藻类生长，有利于水污染的治理，提高水质环境。

2 水上光伏电站的技术特点

2.1 打桩架高式光伏电站主要技术特点

打桩架高式的水上光伏电站一般建设在水深小于3m的水域。 基础形式采用PHC 管桩加热镀锌钢支架的组合，桩顶高度大于洪水水位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。 一般采用排水、清淤、晾干场地后再打桩，或直接采用船舶打桩。 主要电气设备都布置在道路两侧或岸边， 升压站选址在岸上。电缆采用桥架敷设，桥架固定在管 桩基础上（见图3）。

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丰富的池塘水面资源，来开发建设光伏 发电项目，采用水上发电、水下养殖的模式，来实现多产业的互补发展。 水上光伏电站更适宜于不喜光的特色 鱼类养殖，此外光伏发电可以直接用于养殖用电，降低了养殖成本。

2.2 漂浮式光伏电站主要技术特点

漂浮式光伏电站是指借助水上浮体、浮台使光伏组件、逆变器等发电设备漂浮在水面上进行发电。 适用于水深大于3m 的，水体稳定受台风影响不大的水域。 漂浮式 基础的形式主要有浮管+ 支架、浮筒+ 支架、一体式浮筒三种结构类型。 考虑到大风大浪的影响，组件安装倾角， 以不超过20°倾角为宜，业内主流设计安装倾角一般在10 ～ 18°。 故漂浮式光伏电站更适合建设在纬度不大的 地区，相对于最佳倾角，倾斜面的辐射量损失并不明显。浮体通过锚固系统固定，根据离岸距离、水深等设计 合理的固定方式： 距离岸边较近时，用绳索或撑杆将浮体固定在岸边（见图4）； 离岸较远且水深较大时，可采 用混凝土锚块+ 拉簧的方式固定（见图5）。锚固系统应 能适应水位的变化，一般设计成水位上下5m 范围内可调。

电缆及电缆桥架沿浮筒敷设，并根据水位的变化考虑足够的电缆预留量，箱式逆变器及变压器均可放置在 混凝土浮台上，开关站配电室也可根据需求放置在混凝土浮台上，做成全漂浮式的光伏电站。 水漂浮式光伏电 站的施工方式包含两种：岸边拼接浮筒，水上安装设备； 岸边操作平台，组件安装后入水。 经实际经验，后一种方式更加方便、快捷。

3 主要设备材料选型及技术分析

3.1 桩基础

桩基础类型的选择应根据工程性质、水塘水位地质情况、施工条件、施工对水塘环境的影响以及综合经济效 益诸因素比较选用。业内常用的管桩型号为PHC-300（70） A 预应力混凝土管桩。 管桩的计算分为：桩身强度、刚度、 竖向承载力、水平承载力的计算，并应在现场进行单桩 竖向抗压静载和水平静载试验。打完桩后，桩头需进行 除锈防腐处理。

3.2 漂浮式基础

浮体的材料必须具备密度小、耐腐蚀、耐环境应力开裂（风浪、冻胀环境）、耐水汽渗透性、抗紫外线、对 水环境无污染等特性。目前常用的原材料是HDPE 即高 密度聚乙烯，HDPE 材料能满足上述基本特性要求。 漂浮式基础的类型主要有浮管+ 支架、浮筒+ 支架、一体式 浮筒三种（见图6、7、8），其优劣势对比（见表1）

综上，一体化浮筒的结构形式因优点多成本较低，越来越得到认可。

3.3 光伏组件

水面环境下对光伏组件的性能提出更高的要求，组件的主要风险因素及对策如下：

① 潮湿环境下组件易产生 PID 效应——选择抗PID 效应较强的双玻组件；

② 潮湿 环境组件的电气绝缘性能下降——选用更严密的封装材料，组件通过双85 测试；

③ 大风大浪的晃动易引起电池 片的隐裂——选用机械强度更优秀的单晶硅片，背板材 料选用强化玻璃。 为尽可能降低因环境引起组件的风险，建议选用抗PID 性能好，透水率低，抗酸碱老化更好的 双玻单晶光伏组件。

3.4 电缆

水上光伏电站的电缆敷设可以采用桥架架设或沿浮体顶面敷设，虽然不是直接浸泡在水中，但高湿的环境， 动荡的水面，常规电缆难以避免水分的浸入。电缆进水后， 在电场的作用下，会发生水树现象，水树枝的产生将会造 成绝缘介质损耗增加，同时降低绝缘电阻及绝缘击穿电压，加快老化速度，甚至会导致电缆绝缘被击穿，缩短电 缆的使用寿命。 水上光伏电站的电缆建议使用防水电缆，防水电缆在外护套或内衬层的内部纵包铝塑复合带层作 为防水层实现防水功能。

3.5 汇流箱、逆变升压设备

高湿环境下，电气设备最容易出现箱体生锈腐蚀、插接件腐蚀、PCB 板锈蚀等现象。 水上光伏电站所选电气设备必须有良好的抗腐蚀、防盐雾能力、及绝缘耐压性 能。 汇流箱或组串逆变器的防护等级必须在IP65 及以上，漂浮式电站因汇流箱或组串逆变器支架安装固定在浮体 上，易接触到水汽，建议防护等级IP67。 升压变整机具备IP65 防护等级，集中式逆变器因存在排风系统，但整 机防护等级也不能低于IP54，柜体内关键部件提高防护 等级。

逆变器应具备可靠的防PID 功能。水上光伏电站对各个电气设备的性能要求较高，很多设备厂家针对水上 光伏项目特殊的运行环境研发了专门用于设备或构件，选型时注意选用水上光伏电站专用设备。

4 水上光伏电站需完善及改进的问题

目前光伏电站的设计寿命为25 年甚至更久，作为水面光伏电站的重要支撑平台，浮体系统是关系到整个光 伏电站能否正常运行发电的重要环节。浮体材料对极端 气候和水位变化较大时的适应性还要进一步研究，常用 的HDPE浮体材料易燃，且抗紫外线性能及韧性有待改进，使用寿命有待验证。

初期投资成本较高，相对于地面电站，打桩架高式光伏电站投资成本每瓦高出约4% 左右，水上漂浮式光伏电 站投资成本高出约12% 左右。

渔光互补项目面临的实际问题：捕捞不便、投饲料管理不便； 一般渔塘需要定期清淤消毒，但打桩后清淤比较困难，真正做到养殖与发电一体的项目不多； 电站的 建设对水塘生态环境及渔业养殖的影响有待考量。

运维难度大，成本高。水上光伏电站的运维主要依赖 人工巡检，划船巡检难度大，效率低、人员安全风险大。智能化运维水平、快速精准故障处置能力有待提高。

目前，国内外对水上光伏电站的设计、施工、验收等尚未有针对性、较成熟的标准规范，项目的建设主要靠 自身主观经验。标准化建设流程需完善出台[5]。

5 总结