浅谈漂浮式海上光伏

导读自“双碳目标”构建以新能源为主的新型电力系统的理念明确以来，发展以光伏为代表的新能源成为“十四五”规划乃至2035年远景目标纲要的重要内容。随着陆上光伏装机量的持续增长，土地资源和相关政策限制正在成为制约光伏规模化发展的关键因素。因此大家开始把目光转向更为广阔的水域空间，光伏的另一分支——漂浮式海上光伏开始迅速进入人们的视野。

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漂浮式光伏发展历程

7 j! C6 e% e( {. s9 g9 ^漂浮式光伏（FPV），又称浮体光伏，简而言之即是将光伏组件搬到水面浮体上。其系统设置与地面安装有点类似，不同之处在于所有光伏组件、逆变器等电站设施都通过锚定系统固定在浮动平台上，这种新式电站无需与居民抢夺宝贵的土地，而是转向水域，与路面形成优势互补，实现多元共赢。
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图1 单个FPV

& E; L! x$ l+ p# F8 P$ n目前，我国已成为全球最大的水上漂浮光伏电站建设国。水上光伏技术已实现市场规模化，在湖泊、水库等多种场景下应用，在发电量、安全性等方面得到了业界认可，但由于内陆可开发水域面积有限，水域资源也会随着发展逐渐变得稀缺，海域面积宽广，海上日照充足且无遮挡，布局光伏有天然的环境优势，海上漂浮式光伏成为新能源发展的新战场。

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图2 光伏发展历程

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国内外发展现状

& b8 O& s4 y% }海上光伏已经成为全球普遍认可的应用形式，据统计，全球海上光伏潜在容量约4000GW，我国海岸线漫长，海上光伏理论可安装量超70GW。
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由新加坡太阳能公司Sunseap在柔佛海峡建造的海上浮动式光伏项目目前已建成竣工，这是全球规模最大的海上浮动式光伏系统之一。该浮动式光伏系统设有超过3万个浮动模块，用来支撑1万3312个太阳能板和40个逆变器。这个系统预计每年可以生产约602万千瓦时的电力，约等于1380个四房式组屋一年的用电量，而且能减少4258吨的碳排放。
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图3 新加坡柔佛海峡海上浮动式光伏项目

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- Y- R0 |1 k) I, O4 _Ocean Sun与韩国能源公司EN Technologies签署了一项协议，开发计划建在黄海沿岸Saemangeum潮滩附近的2.1吉瓦浮式太阳能站点的试点项目。Ocean Sun表示，该协议包括为演示系统授予技术许可，以及在18个月内实现至少100兆瓦发电量的后续方案。这笔交易有望在五年内再增400兆瓦产能。


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图4 韩国黄海沿岸Saemangeum潮滩附近的2.1吉瓦浮式太阳能试点项目

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2国内发展现状
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（1）市场现状
我国大陆海岸线长1.8万公里，按照理论研究，可安装海上光伏的海域面积约为71万平方公里。按照1/1000的比例估算，可安装海上光伏装机规模超过70GW。
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截至2022年5月，我国确权海上光伏项目共计28个，确权面积累计共16583300平方米。项目分布，江苏18个，山东4个，浙江3个，辽宁2个，广东1个。其中，浙江省确权面积最大，为7708900平方米。

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图5 沿海省份海上光伏项目数量及面积占比

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（2）政策现状
随着新能源装机需求的增长及双碳目标提出，我国各沿海省份积极响应国家实现“双碳”的目标，近年各方也相继发布了各类政策意见，支持海上光伏发展。政策利好，海上光伏迎高光时刻。
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2022年5月，青岛市人民政府印发《青岛市激发市场活力稳定经济增长若干政策措施》，对2022-2025年建成并网的“十四五”漂浮式海上光伏项目，省财政分别按照每千瓦1000元、800元、600元、400元的标准给予财政补贴，补贴规模分别不超过10万千瓦、20万千瓦、30万千瓦、40万千瓦。将海上光伏纳入省重点项目，统筹解决用海用地问题。
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- @! x5 n! x0 F8 j+ D/ Z' O2022年4月1日召开的山东省政府新闻办新闻发布会表示将积极推动海上光伏试点示范，对2022-2025年建成并网海上光伏项目，省财政按照阶梯标准给予补贴。将海上光伏纳入省重点项目，统筹解决用海用地问题。同时，参照海上风电支持政策多方面给予支持。
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2022年4月，浙江省自然资源厅印发《关于推进海域使用权立体分层设权的通知》，明确将光伏用海列入立体分层设权适用范围，要求海上光伏项目提出生态建设方案并明确实施主体，采取必要的生态修复措施，切实改善海洋生态功能。
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2021年12月27日，国家发改委印发《江苏沿海地区发展规划（2021—2025年）》，《规划》明确强化能源安全高效绿色供给。推进深远海风电试点示范和多种能源资源集成的海上“能源岛”建设，支持探索海上风电、光伏发电和海洋牧场融合发展。

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海上漂浮式光伏影响的自然因素

9 W# C$ L' q. D" P影响海上漂浮式光伏的自然因素主要包括地形、海浪和自然灾害三个方面。


1 G3 |! T2 ?/ I$ j7 m, N2 m) d从地形来看，渤海、黄海海岸高差较小，大陆架比较平缓，可开发的沿海滩涂面积更广。东南部海岸、渤海湾部分区域的海岸地形存在较多山地及小礁岛，整体高差较大，可开发的沿海滩涂面积会受限，但是山地和礁岛的存在，有利于海浪的削弱，可以关注此类区域。


! [" D7 O' w( d& p9 l; N从全国近海海浪的数据分析，我国近海海域浪高多在3m以内，东南沿海的海浪要比江苏以北海域高，黄海、渤海附近的海域更适合建设大型海上光伏项目。
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关于自然灾害，根据《2021中国海洋灾害公报》，2021年，我国海洋灾害以风暴潮、海浪和海冰灾害为主，这三类灾害同样对海上光伏建设影响巨大。通过对我国风暴潮、海浪、海冰三类主要海洋灾害的统计分析可知，我国沿海各省，台风造成的经济损失最大，其中浙江省作为台风登陆多发区，受影响最大；山东省因海浪造成的损失最大，东海、黄海区域受海浪影响较大；海冰灾害主要影响渤海和黄海海域。
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我国漂浮式海上光伏技术指标

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国家科学技术部在今年3月发布的《“十四五”国家重点研发计划“可再生能源技术”重点专项》中明确将“近海漂浮式光伏发电关键技术及核心部件”列为十四五重点研发计划，具体考核指标如下：
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（1）正常运行适用海况：浪高不大于2.5米，流速不大于1m/s，水深不大于25米；
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（2）锚固系统极限抗风浪能力（设计值）：浪高不大于5米，风速不大于30m/s约12级台风）。

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图6 四种海上漂浮式光伏布置方式

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我国海上漂浮式光伏应用案例

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1 G3 O" V+ l: _6 t9 t1山东烟台海上漂浮式光伏试点项目
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6 P6 |2 |% v/ R6 _* {; e挪威Ocean Sun公司海上漂浮方案目前被国内公司应用在烟台海域，目前已开工建设，装机容量为1MW。Ocean Sun的浮式光伏系统由一套由系泊系统固定在海床上的浮力环组成，光伏组件安装于由浮力环支撑的蓝色塑胶膜上;塑胶模能够随波浪上下起伏，可大幅降低风阻并对波浪有缓冲作用，使光伏系统能够更容易在风、浪和海流环境下稳定运行，并抵御更强的台风。
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项目详情如下：

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9 z0 t$ G! i; o! p9 ~, |. O（1）单元尺寸有50m、68m、72m三种直径；
1 R% e" u' j  X（2）适用组件需定制，尺寸为1700*1000m，组件功率335Wp，单元装机容量分别为300kWp、500kWp、640kWp；
! \) P3 t2 p& T$ y（3）组件长边装配导轨，膜配置对应柔性紧固装置，组件间距70mm；
* A/ m& w$ N) v% E" c5 Z+ |/ g（4）设计条件浪高最大10m，有效浪高5m；设计抵抗台风275km/h，约17级台风；洋流无特殊限制；水深无特殊要求，水位变化无特殊要求。
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2普陀白沙岛海上漂浮式光伏项目


; m8 n* r3 |& ^国家能源投资集团有限责任公司2022年度重点科技项目—海上漂浮式光伏项目的第一批试验方阵在普陀白沙岛附近海域，由上百张光伏板组成的大型浮体漂浮在海面上，项目建成后将成为国内首个近海漂浮式光伏发电项目。
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图7 普陀白沙岛海上漂浮式光伏项目

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技术难题及其研究方向

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海上漂浮式光伏开发的技术难点主要包括系泊、抗风、抗浪和抗拍击。通过近两年的实验研究，可以初步确定四大技术难题的解决方向：
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; }+ m+ R  U9 k' q* n! F/ K（1）系泊
1）5m以上水深，开展风电基础为辅、桩链锚拉为主联合受力的可行性研究；
4 p# [5 h* C, r. Q" J" L2）5m以下潮下带，开展桩链锚拉为主与浮体底部为辅联合受力的可行性研究；
3）潮间带，开展以浮体底部为主、桩链锚拉为辅联合受力的可行性研究；
* H. y3 Z' ~  @' P: j( W9 Q% |) E4）滩涂，以对具体的滩涂地理地质特性适应性最后的支撑结构开展可行性研究。
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' _; R7 j+ |# z  I' E( o! e. l（2）抗风
以最大限度降低风荷载为主攻方向，浮体结构形式、结构材料的研究显得尤为重要。


. v+ ^: O; A& D! p（3）抗浪
  I, `" p0 ~1 X% C% l# V# p3 Y加大科技创新力度，采用全新漂浮结构，以“随波逐流、以柔克刚”为技术创新理念，从“材料、结构、受力原理、锚拉系统、减力消能方式、动态电缆、运维新理念等”多角度开展可行性研究；其中，浮体结构、柔性连接、柔性系缆、柔性光伏组件、动态电缆等将是关注的重点。
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（4）抗拍击
( ]3 U  F8 p  Q: G& H以柔性光伏组件为技术突破口，从根本上改变光伏组件的“结构力学原理、破坏损坏机理、破坏容忍度边界、破坏几率确定、破坏运维处理等”方面开展可行性研究。
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结语

' q2 P; ?6 v* a, G0 ^- f虽然目前已有相关的海上漂浮式光伏实验项目投产运营，证明海上漂浮式光伏在技术上的可行性，但事实上其面对的主要难题应该是能否市场化、规模化、以及适应海域。从我国当前的科技研发水平来看，漂浮式光伏正处于可以开展试验示范的“科研+工程”发展阶段。从全产业链的发展角度来看，谁敢于率先实践与突破，做第一个吃螃蟹的人，谁就可以占领漂浮式光伏的发展制高点和行业引领者的地位。
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