由于地面光伏電站的能量密度較低且占用的土地面積較大，隨著光伏發(fā)電裝機(jī)容量持續(xù)攀升，受土地資源有限的制約，地面光伏電站的發(fā)展將會(huì)越來(lái)越受到限制。
而我國(guó)的內(nèi)陸水域面積較為寬廣，約為1750萬(wàn)公頃(約為17.5萬(wàn)km2)，利用內(nèi)陸水域如湖泊、水庫(kù)等區(qū)域建設(shè)水上光伏電站，既不占用土地面積，同時(shí)又增加了光伏發(fā)電裝機(jī)容量，是一種高效的光伏發(fā)電新形式。
水上光伏電站的站址選擇和總平面布置對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)效益具有決定性作用，是水上光伏電站設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)研究的內(nèi)容。
根據(jù)建設(shè)場(chǎng)地條件的不同，水上光伏電站可分為固定式水上光伏電站和漂浮式水上光伏電站2大類，下文將分別進(jìn)行具體介紹。
固定式水上光伏電站與傳統(tǒng)的地面光伏電站采用的安裝方式相同，都是將光伏組件支撐在光伏支架上，而光伏支架固定在樁基上。
但固定式水上光伏電站與地面光伏電站的區(qū)別主要在于固定式水上光伏電站的樁基是布置在水中，增加了樁基成本及施工難度，但有利于光伏組件的清洗，并可以節(jié)約土地資源。
根據(jù)采用的樁基形式不同，固定式水上光伏電站可分為打樁式固定式水上光伏電站和架高式固定式水上光伏電站2種形式，具體如圖1所示。
圖1?不同形式的固定式水上光伏電站
固定式水上光伏電站具有施工簡(jiǎn)便、適用性廣泛、成本較低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、施工速度快等優(yōu)勢(shì)；且固定式水上光伏電站所在水域可兼做魚(yú)塘，有助于提高項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益等。
但固定式水上光伏電站也存在船運(yùn)維護(hù)困難、水深較大會(huì)導(dǎo)致電站的建設(shè)成本高等劣勢(shì)。
通常，在最高洪水位時(shí)的水深小于5m的水域，且站址區(qū)域?yàn)榉€(wěn)沉區(qū)時(shí)，可考慮優(yōu)先建設(shè)固定式水上光伏電站。
漂浮式水上光伏電站一般建設(shè)在水域深度較大的區(qū)域，利用浮體的浮力承受光伏組件及相關(guān)設(shè)備的重量，并由錨固系統(tǒng)對(duì)浮體進(jìn)行固定。
根據(jù)浮體形式的不同，漂浮式水上光伏電站可分為浮管式(浮管+金屬支架+光伏組件)漂浮式水上光伏電站和浮箱式(浮箱+光伏組件)漂浮式水上光伏電站2類，具體如圖2所示。
圖2 不同形式的漂浮式水上光伏電站
浮管式漂浮式水上光伏電站的優(yōu)勢(shì)在于光伏組件可以按最佳安裝傾角進(jìn)行布置，電站的整體發(fā)電量較大；但該形式的劣勢(shì)是鋼材及浮體的使用量都較大。
而浮箱式漂浮式水上光伏電站具有用鋼量少、浮體的整體重量小，且安裝、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)；但該形式的劣勢(shì)在于受浮體形狀的限制，光伏組件的安裝傾角一般不超過(guò)20°，無(wú)法達(dá)到最佳安裝傾角，從而會(huì)影響電站整體的發(fā)電量。
因此，對(duì)于漂浮式水上光伏電站具體形式的選擇，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況而定。
通常，對(duì)于最高洪水位時(shí)的水深大于5m且最低枯水位大于1m的非穩(wěn)沉區(qū)水域，可建設(shè)漂浮式水上光伏電站。
水上光伏電站的設(shè)計(jì)資料和地面光伏電站的設(shè)計(jì)資料基本相同，僅在勘測(cè)資料方面有所差異。水上光伏電站的勘測(cè)資料包括：
地形圖需要包含水面外形圖、水底地形圖、水面標(biāo)高等；
巖土勘測(cè)資料需要涵蓋站址所在水域的水質(zhì)分析內(nèi)容；
水文資料或洪評(píng)報(bào)告中需要收集與站址相連的河道的水文資料，分析當(dāng)?shù)睾恿鞣植记闆r及歷年洪水情況、站址處50年一遇最高洪(潮)水位、枯水期的最低水位、常年平均水位等水位變化情況等，并對(duì)站址區(qū)域的極端水位進(jìn)行分析評(píng)估。
固定式水上光伏電站的布置范圍一般為水面指定范圍，多數(shù)情況下為項(xiàng)目確定的用地紅線(即國(guó)土或規(guī)劃部門對(duì)項(xiàng)目占地的批復(fù)范圍)內(nèi)的水面范圍，基本不受水位的限制，只需滿足洪(潮)水位要求即可。
漂浮式水上光伏電站的布置范圍需要根據(jù)浮體廠家提出的浮體使用時(shí)的最小水深要求，并結(jié)合該類水上光伏電站所在區(qū)域的地形圖和水文資料中枯水期最低水位，在用地范圍內(nèi)劃定區(qū)域。
以江西省上饒市某漂浮式水上光伏電站為例，該漂浮式水上光伏電站建于湖上，其所在水域的湖底最低高程為12.91m，最低水位為15.34m，而浮體要求的最小水深為1m，因此，湖底高程大于等于15.34–1=14.34m的區(qū)域無(wú)法布置浮體，即無(wú)法布置光伏陣列，即湖底高程小于14.34m的區(qū)域?yàn)榭刹贾霉夥嚵械膮^(qū)域。
通過(guò)地形分析，以湖底高程在12.91～14.34m的區(qū)域作為可布置光伏陣列的區(qū)域，如圖3所示，圖中綠顏色填充的區(qū)域即為可布置光伏陣列的區(qū)域。
無(wú)論光伏組件是采用固定式光伏支架還是采用平單軸跟蹤光伏支架，水上光伏電站的東西向和南北向光伏組件間距計(jì)算基本和地面光伏電站的計(jì)算相同，區(qū)別僅在于水上光伏電站的光伏組件間距計(jì)算時(shí)的基準(zhǔn)面可按照水平面來(lái)考慮，不需要考慮坡度。
需要注意的是，計(jì)算得出不產(chǎn)生陰影遮擋的光伏組件間距后應(yīng)提交給光伏組件的生產(chǎn)廠家進(jìn)行復(fù)核，得到對(duì)方的確認(rèn)后方可由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。
漂浮式水上光伏電站除光伏組件、逆變器、箱式變壓器等常規(guī)設(shè)備以外，主要由漂浮系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、敷設(shè)系統(tǒng)和接地系統(tǒng)組成，光伏組件安裝在浮體上。除了保證常規(guī)的不產(chǎn)生陰影遮擋的東西向光伏組件間距外，浮體的總平面布置還需要注意以下因素。
光伏陣列的每塊光伏組件、每臺(tái)逆變器、每臺(tái)匯流箱及電纜均應(yīng)有專門的檢修運(yùn)維通道。
應(yīng)確保極端天氣條件下，浮體方陣間在發(fā)生最大位移時(shí)不會(huì)產(chǎn)生碰撞。
綜合布置范圍的情況，浮體方陣優(yōu)先采用大方陣，局部使用小方陣，互為補(bǔ)充。
浮體位置允許隨水位變化，但應(yīng)防止其碰到岸邊，因此需根據(jù)浮體離岸距離、水深等因素確定浮體采用的固定方式。浮體的錨固系統(tǒng)可分為配重錨固、專用錨錨固和樁錨固3種形式，浮體的總平面布置需要結(jié)合錨固系統(tǒng)的形式進(jìn)行綜合考慮。
浮體方陣的布置需要盡可能節(jié)省直流電纜，考慮到浮體由于溫度產(chǎn)生的形變可自由釋放，通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算確定浮體形變的最大尺度，并進(jìn)行波浪力作用下浮體連接節(jié)點(diǎn)的疲勞分析。浮體廠家對(duì)浮體方陣的布置進(jìn)行位移計(jì)算后，將浮體方陣(一整片浮體，不包含航道)布置好后直接提供給設(shè)計(jì)單位，然后再由設(shè)計(jì)單位向廠家提供遮擋及航道的相關(guān)要求。
水上光伏電站的總平面布置應(yīng)兼顧航道的布置。航道是指供水上光伏電站的施工打樁船行駛和電站投產(chǎn)后檢修船只進(jìn)行檢修時(shí)的通道，其布置要兼顧各光伏子陣中光伏組件的數(shù)量和電站施工、檢修時(shí)的便利性。水上光伏電站的航道如圖4所示。
光伏組件的維修和清洗是水上光伏電站應(yīng)仔細(xì)考慮的問(wèn)題，采用不同基礎(chǔ)形式的固定式水上光伏電站的光伏組件維修與清洗方式大相徑庭。
若采用高樁承臺(tái)式基礎(chǔ)形式，由于其自身包括了鋼平臺(tái)(或鋼筋混凝土平臺(tái))可供工作人員通行，因此可通過(guò)其自身的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)光伏組件的維修與清洗；若采用單樁式基礎(chǔ)形式(無(wú)平臺(tái))，則最好通過(guò)行船來(lái)完成光伏組件的維修與清洗。
因此在進(jìn)行光伏子陣的布置時(shí)，應(yīng)考慮行船所需的通道及行船掉頭所需的空間。航道的寬度一般應(yīng)大于等于10m，即可滿足大部分施工和檢修船型的要求。
光伏組件和航道布置完畢后，可進(jìn)行光伏子陣(即發(fā)電單元)的劃分。由于水域用地范圍不規(guī)則，一般光伏子陣跨越航道的情況不可避免，如前文所述，光伏子陣跨越航道時(shí)會(huì)出現(xiàn)電纜影響船只通行、電纜工程量較大等問(wèn)題。
此時(shí)若僅考慮每個(gè)光伏子陣的容量配比和電纜連接的要求而對(duì)光伏子陣進(jìn)行劃分，會(huì)導(dǎo)致劃分好的光伏子陣未考慮到航道跨越的合理性，出現(xiàn)1個(gè)光伏子陣跨越3個(gè)甚至4個(gè)航道的情況。
此時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)光伏子陣的劃分進(jìn)行調(diào)整，對(duì)跨越航道較多的光伏子陣，應(yīng)增補(bǔ)或刪減光伏組件，從而盡量避免或減少光伏子陣跨越航道的情況出現(xiàn)。
箱式變壓器平臺(tái)在水上光伏電站中布置時(shí)應(yīng)考慮以下因素：
原則上，箱式變壓器平臺(tái)的位置最好位于各個(gè)光伏子陣的中部或光伏子陣某一側(cè)的中部，從而可以減少電纜長(zhǎng)度。
箱式變壓器平臺(tái)應(yīng)位于航道附近，一方面方便船只通行，另一方面可保證箱式變壓器平臺(tái)附近具有足夠的水深，便于船只進(jìn)行檢修。箱式變壓器平臺(tái)附近需要預(yù)留獨(dú)立的空間，但不可占用航道的寬度。
可將箱式變壓器平臺(tái)布置在2個(gè)光伏子陣之間，共用一條航道，有助于提高水面利用率，降低電站的建設(shè)成本。箱式變壓器平臺(tái)的布置位置示意圖如圖5所示。
箱式變壓器平臺(tái)上除了集中式箱式變壓器，還有逆變器，因此應(yīng)和水上光伏電站全站的集電線路規(guī)劃進(jìn)行統(tǒng)一考慮。箱式變壓器平臺(tái)的位置應(yīng)盡量位于水上光伏電站出線方向的一側(cè)，以減小出線線路的長(zhǎng)度。
固定式水上光伏電站一般采用打樁式箱式變壓器平臺(tái)。
若漂浮式水上光伏電站的水面面積較大或電站位于塌陷區(qū)內(nèi)，建議采用漂浮式箱式變壓器平臺(tái)。漂浮式箱式變壓器平臺(tái)分為2種，分別為鋼結(jié)構(gòu)浮箱式箱式變壓器平臺(tái)、預(yù)制混凝土漂浮式箱式變壓器平臺(tái)，具體如圖6所示。
圖6 不同形式的漂浮式箱式變壓器平臺(tái)
光伏陣列區(qū)的直流、交流電纜宜采用浮箱固定、設(shè)置橋架的方式。
高壓交流電纜敷設(shè)優(yōu)先采用水面漂浮敷設(shè)方式，其次選用水下敷設(shè)的方式；進(jìn)行電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保便于后期維護(hù)。
在水位變化較大或非穩(wěn)沉區(qū)的水上光伏電站中，其電纜敷設(shè)及接地系統(tǒng)敷設(shè)需充分考慮水位的變化及光伏陣列的水平位移情況，電纜敷設(shè)可采用水面漂浮敷設(shè)方式，并設(shè)置冗余的“S”彎布置，如圖7所示。
圖7 采用水面漂浮敷設(shè)方式的電纜
應(yīng)注意水域附近的線路桿塔對(duì)水上光伏電站中光伏組件產(chǎn)生的陰影遮擋影響，避免線路穿越光伏站區(qū)；若無(wú)法避免，應(yīng)在線路兩側(cè)預(yù)留一定的寬度，以保證光伏組件不受陰影遮擋，并預(yù)留線路桿塔的檢修通道。
若水上光伏電站站址內(nèi)或站址周圍存在壩體、高堤等設(shè)施，在布置光伏組件時(shí)應(yīng)注意避讓，光伏組件需要與壩頂、壩腳之間留出一定的安全距離，并需考慮壩體對(duì)光伏組件產(chǎn)生的陰影遮擋的影響。
漂浮式水上光伏電站若采用岸邊錨固方式進(jìn)行固定，光伏組件與壩頂、壩腳之間的安全距離應(yīng)結(jié)合錨固長(zhǎng)度進(jìn)行綜合考慮。
當(dāng)水上光伏電站的光伏站區(qū)的征地范圍位于水位線(指年平均水位覆蓋的范圍線)以外時(shí)，可參考地面光伏電站布置圍柵，在光伏站區(qū)周圍設(shè)置高度不低于1.8m的鐵絲網(wǎng)圍柵。
當(dāng)光伏站區(qū)的征地范圍位于水位線以內(nèi)或水位變化幅度較大時(shí)，針對(duì)漂浮式水上光伏電站而言，若光伏站區(qū)的光伏組件距離岸邊較遠(yuǎn)時(shí)，可不設(shè)置鐵絲網(wǎng)圍柵；若光伏組件距離岸邊或人群聚集地(如村莊)較近時(shí)，可采用浮球、警示標(biāo)，以及加裝水網(wǎng)等形式對(duì)光伏站區(qū)進(jìn)行圍護(hù)。
針對(duì)固定式水上光伏電站而言，其圍柵設(shè)計(jì)可采用支架管樁加裝鋼絲網(wǎng)圍柵的形式，圍柵的高度應(yīng)大于所在水域的最高水位和最低水位差。
針對(duì)所有水上光伏電站而言，為了保證船只的航行要求，航道出入口處采用可拆卸的簡(jiǎn)易浮體進(jìn)行圍合。支架管樁加裝鋼絲網(wǎng)圍柵的立面、平面示意圖如圖8所示。
圖8 支架管樁加裝鋼絲網(wǎng)圍柵的立面、平面示意圖
與傳統(tǒng)地面光伏電站的站址選擇和總平面布置相比，由于水上光伏電站的光伏組件是布置在水域中，因此其在站址選擇和總平面布置等方面有獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
目前很多水上光伏電站已建成投運(yùn)，但仍有多項(xiàng)工程正在實(shí)施或開(kāi)展前期工作，以期通過(guò)本文探討的研究結(jié)果為業(yè)內(nèi)相關(guān)人員提供參考借鑒。
來(lái)源：水上光伏電站站址選擇及總平面布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討，石濤
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