水面光伏电站全面技术解析及一种混凝土浮箱的创新应用
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水面光伏电站全面技术解析及一种混凝土浮箱的创新应用
发布日期：
3月27-28日，在中国光伏行业协会与光伏們联合主办的第二届光伏电站工程与验收研讨会上，河北上能电力有限公司总经理商长征以“水面光伏电站系统建设解决方案”为题对水面光伏电站项目进行了分析，以下根据资料及发言整理，供业内参考。
一、水面光伏电站的建设形式
根据水面光伏电站的建设场地条件，可将水面光伏电站分为架高式水面光伏电站、漂浮式水面光伏电站及鱼腹式悬索支架光伏电站三大类。一般情况下，架高式水面光伏电站较漂浮式水面光伏电站的建设成本低，且结构稳定性好，所以，在条件具备的情况下，优先选用建设架高式水面光伏电站。
根据以往设计经验，在最高洪水位时的水深小于5m的水域、稳沉区且无防渗层的水面，可建设架高式水面光伏电站；非稳沉区水域或在最高洪水位时的水深大于5m的水域，可建设漂浮式水面光伏电站；对于中小河流、小型养殖水塘、污水处理厂等场地，可选用能够实现较大跨度的鱼腹式悬索支架形式的光伏电站。
漂浮式水面光伏电站根据其浮体形式的不同又可分为浮管式漂浮电站与浮箱式漂浮电站两类。
二、各种水面光伏电站建设形式的优缺点及适用范围
水面光伏电站的建设形式较多，但每一种建设形式均不能解决所有的项目场景。根据以往设计的项目，总结出各种水面光伏电站建设形式的优缺点及适用范围，供读者参考。
三、HSCC-FB新型专利浮箱漂浮系统
水面漂浮光伏电站中，其它的漂浮系统，业内较为熟悉，重点介绍一下HSCC-FB新型专利浮箱漂浮系统。
HSCC-FB是高强复合混凝土浮箱（High Strength CompositeConcrete-Float Box）的缩写。是河北上能电力有限公司、河北能源工程设计有限公司、建华建材（河北）有限公司的专利技术。HSCC-FB新型专利浮箱漂浮系统应用范围广泛，广泛适用于水深较深、塌陷区、具有防渗层的水库等水域，也适用于水底较平整的低水位水域甚至是无水区域。
（一）HSCC-FB新型专利浮箱的特点
1、浮箱采用高强钢筋混凝土和复合漂浮材料组合制作而成，充分发挥两者的优势。
（1）混凝土：
采用高强C50混凝土，具有较强的耐久性。
浮箱采用低温蒸汽养护，保证较高的混凝土强度。
浮箱制作采用工厂预制，保证浮箱整体质量和生产效率。
无水体污染问题。
（2）复合漂浮材料：
复合漂浮材料在建筑行业广泛应用，具有很强的耐久性。
采用工厂制作，保证浮箱质量和浮力均匀。
2、本浮箱整体结构为“实心结构”，与国内主流浮体的“空心结构”不同，浮箱安全性高。
3、我国均有高强混凝土和复合漂浮材料的现行相关规程规范，为浮箱质量提供保障。
4、自重较大，外力对浮箱影响小，结构稳定性高。
（二）HSCC-FB新型专利浮箱漂浮系统的特点
1、每兆瓦发电方阵仅需340个浮箱。每兆瓦的混凝土用量与12m长管桩的混凝土用量相当。
2、漂浮系统采用浮箱+支架的结构形式
（1）浮箱仅作为浮体，提供浮力，较大的水平力由金属支架承担，受力明确合理。
（2）每两个浮箱与上部支架形成小的发电单元，每个小的发电单元之间设置构造连接措施，能够适应波浪的作用。
（3）每个小的发电单元间，设置独立的支架系统，防止组件的隐裂。
（4）各个构件的受力和变形均通过软件模拟计算。
3、HSCC-FB浮箱漂浮系统均采用特殊的连接节点与周圈锚固，承载力更高，更安全可靠。
4、HSCC-FB浮箱漂浮系统可按照任意组件倾角设计，也可与跟踪系统配合使用。
5、浮箱自重较大，施工时需施工机械吊装下水，支架系统安装难度与地面电站相当。
6、浮箱支架连接形成检修走道，每块组件均有走道到达，检修方便，漂浮系统平稳可靠。
7、组件最底点距离水面400mm以上，减少了水对组件的影响，并且支架系统可与双面发电组件完美结合。
（三）水面漂浮电站设计院需要注意的一些设计内容
水面光伏电站的设计，除了普通电站的有关设计内容外，尚应考虑：
浮体整体浮力计算及局部浮力计算；
上部支架系统计算；
风荷载、水流力、波浪力等计算；
定泊系统锚系的计算；
锚固系统的连接设计及构造措施；
浮体局部受力计算；
浮体连接螺栓及连接节点计算等；
设计需考虑适应水面波动变形的构造措施及整个漂浮系统的稳定性；
箱、逆变漂浮平台、升压站漂浮平台的设计；
厂区防雷接地，电缆敷设以及放置检修通道的规划等；
光伏组件、逆变器、箱变等电气设备的选型要适应水面建设场景的要求。
四、鱼腹式钢索柔性支架专利技术
鱼腹式钢索柔性支架”体系与传统钢架结构相比，具有用钢量少、承重强、工期短的明显优势。本项技术是河北上能电力有限公司、河北能源工程设计有限公司与领迅科技（北京）有限公司的专利技术。
用钢量少、承重强、成本低、工期短：相同高度和跨度的情况下，与传统钢架结构或网架结构相比，用钢量减少40%以上，在保证项目收益率的基础之上，度电成本可降低30%以上，工期缩短了35%以上。
稳定性好、挠度小、隐裂少：完美解决了传统柔性支架结构稳定性差，钢索挠度大，隐裂较为严重的问题。
通过设置鱼腹式钢索，实现大跨度空间；鱼腹式结构既能抵抗风压力的作用，也能抵抗风吸力的作用；鱼腹式钢索上设置撑杆和固定组件的钢索，减小了组件钢索的跨度，并且施加一部分预应力，减少钢索挠度；设置了上下两道稳定钢索，保证鱼腹式钢索平面外的稳定。
采取连接构造措施，进一步减少组件隐裂：组件与固定组件的钢索间设置允许转动的连接件，并且能够限制组件的横向位移，从而消除钢索产生的扭矩传给组件，避免产生隐裂。
根据不同的应用场景，采取相应的防腐措施：对于污水处理厂等腐蚀较严重的场地，采用不锈钢螺栓+加厚热浸锌+余量设计法，解决支架及钢索易腐蚀难题。
检修更方便：与传统柔性支架结构相比，因为设置了检修钢索，检修更方便。
环境友好、美观、和谐、更加艺术：鱼腹式钢索技术多用于机场、高铁站等大型公共建筑外墙的幕墙上，将该技术应用于光伏电站为国内首创。鱼腹式钢索支架优美的建筑结构形式，使光伏电站更具空间感，更加环境友好、更加美观、更加和谐、更加艺术。
对于大跨度、施工难度大、造价高、高空间等特点的光伏电站建设场地，可采用创新型“鱼腹式钢索柔性支架”的形式建设，利用“鱼腹式钢索柔性支架”技术可以提供整体解决方案。可有效解决了利用大跨度空间建设光伏电站的难题，突破大跨度、高空间环境下光伏组件容易出现隐裂等难点。
采用鱼腹式钢索柔性支架，不占用额外土地，不影响下部空间的正常生产运营。鱼腹式钢索支架可实现跨度100m内的大跨度应用场地，比较经济的跨度为30~50m。
五、各种水面光伏电站基础支架系统的造价比较
上面对各种水面电站建设形式的适用范围、优点、缺点等进行了简要分析，不同的系统形式适用不同的建设场景，对于同一个光伏项目的不同区域，也会存在不同的设计方案，需要设计院根据实际的条件，经过技术经济比选确定合理的设计方案。下面简要比较一下各种水面光伏电站基础（浮箱）支架系统的造价。
六、影响水面光伏电站建设质量和进度的主要因素
●前期手续的完备情况及接入系统的批复情况是项目能否按期完成的先决条件。
●设计院的技术水平和服务能力决定项目质量和经济性的关键因素。
●施工单位的技术水平和组织管理是项目高质量按期完成的主力军。
●设备订货、制造、混凝土养护及有些设备的产能等等是绕不开的硬性工期，是施工组织管理中的关键工作。
以水面架高式光伏支架与鱼腹式悬索柔性支架；标准浮箱式漂浮光伏系统与HSCC-FB浮箱+支架式漂浮光伏系统为例，比较其施工工期特点。
水面光伏电站能否实现技术先进、安全可靠、经济合理，设计方案的比选和确定尤其关键，根据以往设计经验，提出对于水面光伏电站设计的几点建议：
●工期和项目条件允许的情况下，能采用管桩架高支架系统的电站，优先采用。
●水面漂浮光伏系统要考虑整体的受力分析和25年的使用年限，应选择满足要求的漂浮系统。
●水面光伏电站设计时应充分考虑电站运维检修的便利和成本。
●水面漂浮电站应设置可靠的防雷接地，足够适应水位变化的电缆敷设系统和锚固系统。
&来源：光伏們探索：水面光伏电站发展前景研究与思考_百度文库
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2014年中国大陆光伏发电累计装机容量2805万千瓦，累计发电量250亿千瓦时。其中，新增并网电站以大型光伏电站为主要增长动力，未来随着光伏发电应用模式不断创新，分布式规模有望稳步增长。根据国家能源局规划，2015年度全国光伏年度计划新增并网规模15吉瓦，其中集中式电站8吉瓦，分布式7吉瓦(其中屋顶分布式不低于3.15吉瓦)，特别提出北京、天津、上海、重庆及西藏地区在不发生弃光的前提下，不设发展规模上限。
而在中国发展光伏，面临的实际情况是怎样呢?在中国发展水面光伏的挑战和机遇如何呢?
1、中国人多地少，发展水面光伏电站可节约使用土地。
光伏电站的缺点之一是能量分散，占地面积大。光伏电站为永久性占地，大型地面光伏电站需占用较大的土地面积，根据书籍《太阳能光伏发电系统施工设计与维护》，理论上每10千瓦光伏发电系统占地100平方米，相当于单位千瓦占地10平方米。但为了减少阴影效应，减少发电量的损失，电池板之间需要存在一定的间隔距离，从而进一步加大了占地面积。整个光伏电站平均千瓦占地20&30平方米。因此，国家严格限制光伏电站占用耕地，鼓励光伏采用戈壁、沙漠、。宁夏最近出台的政策就明确了用地的限制标准。
2、中国北方蒸发量大于降雨量，发展水面光伏电站可以减少水面蒸发量。
近40年我国干旱半干旱区降水量与蒸发量均在减小，但降水量的减小速度大于蒸发量，水分的收支不平衡造成气候的干燥化程度日甚。水面光伏电站由于遮盖大量的水体表面，可以减少水分蒸发。
3、中国有3.2万公里长海岸线，有极大发展水面光伏电站的地形优势。
中国拥有近300万平方公里的海域，海岸线分为大陆岸线与海岛岸线，其中大陆岸线为18000公里。其北部起始点为鸭绿江口，南方终点为北仑河口。沿线发展水面光伏电站，不仅操作难度系数较低，还可全面为沿线经济发达地带提供电力支持。
4、中国有8.6万座水库(截至2012年底)，总库容立方米，全国水库水面总面积25619千公顷，即3842.9万亩(截至日)，具备大规模发展水面光伏电站的先决条件。
水库表面主要用于蓄水、发电、灌溉、、风景旅游和生态保护。现有水库水面90%以上可供养殖，实际养殖面积仅占可利用总面积的78%，而且单位面积产量普遍较低，但水面光伏电站并不会影响养殖业的发展。
5、中国湖泊众多，总面积9.1万km2，面积1千平方米以上的有2700多个，发展水面光伏电站条件充裕。
6、水面光伏电站对环境十分友好，浮体架台等设备可100%回收，且太阳能发电效率高。
综上所述，中国应大力发展水面光伏电站，在提升经济效益的同时，保持环境的健康、和谐发展。目前我国若开展此领域研发，须考虑以下问题：
1、作为水面光伏电站的重要支撑平台，浮体架台是关系到整个光伏电站能否正常运行发电的重要环节。目前光伏电站的全生命周期为25年，浮体架台必须相应具有良好的抗腐蚀性能、低密度、抗冻胀、抗风浪等特性，来与之匹配。
日本兵库县大型水上光伏电站选用了高密度的聚乙烯作为浮体架台，聚乙烯无臭，无毒，具有优良的耐低温性能，能耐大多数酸碱侵蚀。常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性优良，耐冲击性好。但硝酸和硫酸对聚乙烯有较强的破坏作用，易燃烧且离火后继续燃烧，易发生光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易发生降解。因此可尝试比聚乙烯更加耐光氧化、热氧化、抗紫外线的型材，或是通过在型材外镀层等方式增强上述防御性能，使浮体架台更耐用、使用寿命更长。
中国是世界上竹资源最丰富、竹林面积最大、竹产量最大的国家，素有&竹子王国&之称。全国约有竹林330万公项，占世界的30%以上，竹材产量约占世界总产量的1/3，这是建造水面浮动式光伏电站的日本所不具备的。在追求绿色低碳的今天，竹子不仅低成本(粗加工后的竹子1000元/吨，价格约为聚乙烯的1/6)、低能耗，其做成的竹筏更具有吃水浅、浮力大等特点。但未经处理的竹筏平均使用寿命仅有2、3年，如对竹产品进行处理，使其在水中具有更良好的耐腐蚀性，将使水面光伏电站造价大幅降低。
2、合适的选址是保证试验成功的关键，可考虑在大陆内气候静风区的湖泊和水库进行试验。如金沙江，具有径流丰沛且较稳定、风速低、光照条件较好、开发条件较好等特点。
3、水面光伏电站既可实现产能并网，又可作为分布式储能光伏电站，为水面的养殖、风景旅游、生态等提供电力支持。作为分布式离网储能电站，储能设备的选择是关键，选择较低成本较高性能的蓄电池将显得尤为重要。&
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