海上光伏电站的发展及应用前景分析

海上光伏电站的发展及应用前景分析

张子琛   ,吴桐

西南石油大学新能源与材料学院

摘要：在查阅国内外文献和研究资料的基础上，阐述了海上光伏应用背景，介绍了国内外海上光伏的发展现状。通过对比陆上光伏，从海上光伏的适用范围、技术特点、关键技术等问题进行了优劣势分析。结合需求和限制条件，深入探索了海上光伏发展和应用过程中需要解决的现实问题。总结了海上光伏未来的发展和应用前景，指出海上光伏是未来光伏产业不可忽视的重要发展方向。

关键词：光伏发电；海上光伏；光伏组件；漂浮式电站；海上钻井平台

中图分类号：TK-9

Analysis of the development and application prospects of offshore photovoltaic power stations

Abstract：Based on the literature and research data at home and abroad, the application background of offshore PV is described, and the research status of offshore PV at home and abroad is introduced.  By comparing onshore pv, the advantages and disadvantages of offshore PV are analyzed in terms of its application scope, technical characteristics and key technologies. Combined with the requirements and constraints, the practical problems that need to be solved in the development and application of offshore pv are deeply explored. The future development and application prospects of offshore PV are summarized, and it is pointed out that offshore PV will be an important development direction of PV industry in the future.

Keywords：Photovoltaic power generation; Offshore photovoltaic；Photovoltaic module; Floating power station; Offshore drilling platforms

0 引言

光伏产业是基于半导体技术和新能源需求而兴起的朝阳产业，加快发展光伏产业对于调整能源结构、推进能源生产和消费方式变革、促进生态文明建设具有重要作用。根据国际可再生能源署预测，2030年后光伏或将成为世界上最便宜的电力，2050年全球光伏装机量将达8000GW、占全球发电装机的27%，成为全球第一大电力来源。

中国是全球光伏产品第一输出国，随着光伏产业低碳优势的持续显现，光伏技术将成为“碳达峰、碳中和”强劲引擎，光伏技术的发展与利用将在我国实现“碳达峰、碳中和”的决策中扮演重要角色。然而，随着光伏产业的升级以及我国土地资源有限等问题，陆上光伏的弊端正在逐步显现，如远离负荷中心导致的弃光现象，光伏设备占地面积大造成的农地损失等，导致光伏产业发展后劲不足。海上光伏可以克服诸多传统光伏的限制条件，在力争实现“双碳”的背景下，海上光伏电站具有良好的应用前景，开发海上光伏发电将成为必然趋势。

1 海上光伏电站的发展现状

1.1国外海上光伏发展现状

国外海上光伏起步较早，英国的设计师Phil Pauley 2011年就提出了一种漂浮在海面上的网状太阳能阵列，吸收太阳能的同时还可以收集波浪能。该漂浮式太阳能电池伴随着海浪在海面上起伏收集太阳能，同时水波起到的反射作用将太阳光反射至漂浮的太阳能电池上，可增加大约20%的太阳能收集量。海外学者Shrivastava[1]于2015年提出陆上光伏电站的安装占用了大量土地资源，对于光伏产业的发展产生了巨大阻碍。而离岸光伏和海上光伏不仅防止了土地资源的浪费，同时满足了海上作业人员的的用电需求，甚至可以成为海上军事基地的日常用电补给。Trapani[2]则于2013年针对陆上光伏土地资源短缺的问题，提出了在马耳他群岛搭建海上光伏电站的方案。通过与陆上光伏安装成本和电力系统运行成本的比对，总结出海上光伏电站的建设可以有效降低总体发电成本且其年均碳减排比例可达25%。

印度的能源公司设计在印度南部建设世界最大的海上光伏电站，并且于2016年宣布其试点项目正式完成。此外，日本在本土多地已建成多个海上光伏项目并顺利并网用于用电所需。国外的海上光伏在企业领头，政府支撑的模式下商业化水平不断提升，有着良好的发展环境和发展前景。从表1.1可看出世界各国目前正积极探索和建设海上光伏发电项目。

表1.1 近年来世界各国海上光伏发电项目

1.2国内海上光伏发展现状

海上光伏为漂浮式光伏发电的一种典型形式，随着漂浮式光伏研究的深入，海上光伏也获得了国内学者的针对性研究。张腾慎[3]于2015年提出了一种海上光伏组件规模化的设计。该设计基于海浪造成的海上光伏板倾斜角和方位角变化，利用积分平均法计算出海上光伏一天接受的有效辐射量。2018年，陈宏强[4]提出了一种球形海面太阳能漂浮发电装置，该设计针对太阳角及光照强度，利用不倒翁原理维持球状发电光伏在海面的稳定。

与上文提到的英国、印度、日本等国相比，我国对海上光伏的研究起步较晚，项目落地投资较少。近年来，福建、浙江、江苏等地陆续加大了建设海上光伏项目的投资。2021年12月27日，山东省海洋局印发《关于推进光伏发电海域使用立体确权的指导意见》，鼓励各市科学布局光伏发电项目，提高区域内资源利用率、支持海上光伏产业发展。海上光伏正走向“深蓝”，走上规模化、商业化开发道路。表1.2为近年来中国漂浮式光伏发电项目。

表1.2近年中国漂浮式光伏发电项目

在《山东省2022年“稳中求进”高质量发展政策清单》中提出：在海上光伏方面，将积极推动海上光伏试点示范。将海上光伏纳入省重点项目，统筹解决用海用地问题。 [5]海上光伏在吸收太阳能用于发电的同时，还可以在光伏板下进行水产养殖，达到水上发电、水下养鱼的渔光互补模式，为利用土地资源获取最大收益和可持续发展地建设光伏电站起到了指导性的作用。海上光伏与我国土地和海洋资源的现实先决条件结合，凭借其独特的优势将为新能源行业的可持续发展提供有力支持。在以实现“双碳”目标的背景下，结合我国的能源需求和战略规划，海上光伏将成为光伏和新能源产业发展的热门方向，

2 海上光伏电站的优劣势分析

传统的陆上光伏占地面积大，架设陆上光伏光资源好的地区远离负荷中心，造成弃光现象。海上光伏在一定程度上不同于陆上光伏，下文将针对海上光伏电站的优劣势进行分析。

2.1海上光伏电站的优势

（1）我国海岸线全长约18000公里，充分利用我国大陆海岸线的沿线资源，可以解决陆上光伏搭建的土地限制，节省日益珍贵的土地资源。此外，我国沿海地区经济发达，用电需求量大，发展海上光伏可以解决沿海地区不断增长的电力需求，对区域电力的消耗进行有效补充。同时海上光伏解决了陆上光伏因远离负荷中心，消纳电力能力弱，远距离电力输送设施、架设难度高等原因造成的弃光现象，为解决沿海地区用电高峰时间长、电力消耗大等问题提供了有效方案。[6]

（2）不同于陆上光伏，海上光伏多以漂浮式存在于海面，有效地防止了无关人员和动物的靠近，避免其对于光伏组件的破坏。同时水体的散热有效降低了光伏器件的温度，避免由于温度过高导致光伏发电转换率不高的问题，极大地提升了转换效率。搭建于海上的光伏还可以减少空气中灰尘对光伏组件的附着。此外，海面较为开阔，避免了阴影遮挡对光伏发电带来的不利影响；对比陆上光伏，可以有效避免山体、树林等对组件的遮挡，太阳照射面积均匀且光照时间长，发电量相较于陆上光伏有明显提升。

（3）与单一的陆上光伏、风机相比，海上光伏可实现光伏发电和风力发电设备共享、能量互补。在一些场景下，海上光伏发电可与海上风电实现升压设备、送出线路、蓄电池组等设备和设施的共享，使互补系统的成本趋于合理。此外，互补系统可实现昼夜互补、季节互补，相较于单一的陆上光伏，提升了稳定性、灵活性和可靠性，对电力系统进行了优化配置。

（4）对比陆上光伏，海上光伏可充分发挥“光伏+”模式的优势，结合零碳海油及海洋低碳经济目标对绿色清洁能源的需求，实现双碳目标下海上新能源与传统产业的融合发展策略，探索海上新能源支撑下的零碳海洋经济新模式，多业并举，创造更多效益，为我国海上新能源与传统产业融合发展提供“因地制宜、适度发展”的决策支撑。

[7]

2.1海上光伏电站的劣势

（1）目前海上光伏不同陆上光伏有着大规模应用，考虑到海洋的特殊情况，相较于陆上光伏，海上光伏的太阳能电池板要求更高，设计和应用过程更为复杂。同时，海上光伏设备安装和施工过程比陆上光伏更为困难。传输电力的水下电缆等专业设备也比陆上光伏有着更高的要求。以上种种情况会增加海上光伏项目的初始投资风险和投资成本，为项目的正式落地和收益带来了不确定性。

（2）海水腐蚀和海风侵袭会对海上光伏电站产生破坏，如海浪、海风的外力作用，太阳能光伏板会发生形变甚至产生裂纹；我国东南沿海的亚热带季风气候会造成严重的盐雾腐蚀使材料老化。面对恶劣的海洋环境，海上光伏比陆上光伏更难运行和维护且受气候条件的影响更大。海上光伏项目在运行维护阶段所需的运维成本会随着运维年限增加，对项目的收益带来风险。[8]此外，海上光伏不易实现便捷运维的同时保证作业过程中运维人员的人身安全。

（3）海上光伏比陆上光伏的运行环境更复杂（紫外照射、高温交替、湿度大），在陆上光伏设备选型要求的基础上，海上光伏还需根据站场气候、水质、水文条件切实做到其他要求。在总体布置、结构、系统等方面的设计，除陆上光伏的通用要求外，海上光伏还需在运营运维需要上，做到防过飘逸、防失稳、防浸没、防冲击、防疲劳等要求。

（4）海上光伏的光伏板、浮体或电气设备需适应海洋复杂的水质情况，同时需长期面对海洋微生物和海洋化学物质侵蚀。此外，传输电缆会导致海底沉积物浮起，从而影响水底浮游生物的繁殖，对水中植物、鱼类等进行破坏。海上光伏电站须与生态和人文环境相协调，减少项目对海洋生态环境的影响。[9]

3 海上光伏电站发展及应用需要解决的问题

（1）浮体耐水性及耐候性

海上光伏主要采用浮体式建设，这是海上光伏与陆上光伏的核心区别，浮体材料的耐水性和耐候性是最大挑战，需从经济性、可靠性的角度选择浮体方案。根据目前国内外海上光伏电站的建设情况，海上光伏浮体系统技术方案可采用浮力、结构受力均由高密度聚乙烯浮体提供和承载，通过高密度聚乙烯基料+改性材料使材料拥有更好的理化性能，解决25年超长耐候难题；浮体材料可采用化学防护法（抗疲劳剂、抗氧剂、抗紫外剂、紫外活化增韧）+物理防护法（吸光助剂、合金共混、光屏蔽剂），双重保护提升浮体材料抗老化性能；采用高分子量的光稳定体系，使材料力学性能出现原位自增韧现象，进一步提升浮体力学性能。

（2）电气设备的可靠性、安全性

海洋环境下对组件的性能需提出更高要求，高湿环境下电气设备容易出现箱体生锈腐蚀等现象。海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。[10] 以安徽省淮南顾桥镇150MW和淮南新集镇102MW漂浮式水上光伏发电系统为参考，海上光伏需采用较高的防护等级，改变接线方式，外箱体三防处理或采用耐候钢，确保高盐雾环境下的耐腐蚀性。考虑到海浪的影响，直流电缆和集成电缆敷设需满足柔性化设计。S型曲线+电缆浮体敷设方案以及耐弯拉、振动的电缆设计，吸收水上光伏的相对位移，保证电气安全。采用柔性电缆保证最小弯曲半径条件下安全运行，电缆在连接处理上尽可能采用插拔式连接；抗振动性上，护套厚度可参考煤矿电缆设计，护套材料需具有耐磨性能，满足振动时电缆不破损。此外，在防雷接地方案上可选择悬垂接地极+外引接地系统，提高防雷可靠性。

（3）浮体方阵和锚固系统设计

海上光伏的一大设计难点在于整个漂浮方阵处于复杂的风浪流耦合环境中，锚固、浮体设计输入的准确性及精确测量。针对此问题，可根据海上光伏的实际应用场景和工程特点，采用CFD-FLUENT仿真技术，结合风洞以及水池进行试验，推算整个漂浮方阵的连接节点受力及所需的锚固力，为漂浮方阵的设计提供基础数据。[11]锚固设计方案可先采用AQWA进行水动力分析，仿真分析和规范算法相结合，按照建筑结构荷载规范对结果进行复核。此外，锚固系统设计时，需适应水位落差，避免碰撞、过飘逸等破坏，保证电站可靠性。

（4）光伏组件的抗腐蚀性

海洋环境中夹杂着大量酸碱性物质，这些物质会直接作用于光伏组件的表面。虽然大多数光伏组件玻璃盖板具有较好的耐蚀性，但长期处于盐含量高、温差大、湿度高的环境中容易发生磨损、着色和腐蚀，使光伏组件对太阳辐照的利用率下降，进而导致整个光伏发电系统转换效率下降。在干湿交替的作用下，光伏组件表面易形成盐斑，使玻璃盖板的透射率降低，造成局部阴影；在海水腐蚀下，光伏组件的玻璃表面易形成黑色腐蚀斑点，进一步降低透射率，甚至造成不可挽回的物理损伤。此外，盐雾和海水除了会腐蚀太阳能电池，还可能会如同陆地环境中的灰尘一样，对电池产生遮挡、影响散热等效应，改变其输出特性。

（5）海上光伏电站运维

由于场地的特殊性，海上光伏电站在运行维护中存在不确定因素，包括大风、灾害性天气等。长期处于高湿盐雾环境的设备，需定期检查绝缘设备，进行预防性排查和防腐蚀处理。面对各类不确定因素，要根据不同类型做应急预案并提前进行防护。在运维方面可参考山东省济宁市微山煤矿塌陷区31MW桩锚和广西省贵港覃塘区28MW沉锚漂浮式水上光伏发电系统进行相应扩展。所有维护通道的浮体表面均采取防滑耐磨措施，保障人身安全。设计东西向、南北向多条维护通道，方便对汇流箱、电缆进行运维。采用传感器、采集器、服务器、光纤环网等设备组成的海上光伏电站安全检测系统，并配套相应的预警系统，如红色警报、蜂鸣器提醒等。对浮体/方阵位移、浮台倾斜角、锚固缆绳拉力实行全方位检测，减少人工处理故障信息的时间，节约人力，确保运维人员的人身安全。

4 海上光伏电站的应用形式

（1）钻井平台海上光伏发电

海上钻井平台往往处于远海海域，与大陆远离，钻井平台的生产用电与生活用电只能依靠自行发电[12]。光伏发电作为一种绿色便捷的发电能源可以解决海上钻井平台电力所需，免去海底电缆的铺设，通过光伏系统直接进行供配电。海上钻井平台光伏发电，在一定程度上可以解决其用电所需，为钻井平台的正常生活生产提供保障，是一种十分经济有效的方案。在Pvsyst中以渤海湾深海一点为例，对钻井平台海上光伏发电进行估测。选取该点经纬度为：121.72°，33.99°。预计在1000平米面积架设113kW独立光伏系统，因钻井平台用电量大，光伏可考虑最大化电量安装。使用主流光伏组件208块，逆变器2台。安装倾角25°，方位角0°，组件阵列间距4.14米。估测海上钻井平台光伏系统效率可达87.25%，年发电量133.6Mwh/年。

（2）海上光伏综合化利用

结合近海海域良好的自然条件，可为光伏组件提供良好的环境，可以开展近海海域渔光互补海上光伏发电项目。采用水上发电，水下养殖的方式建设海上光伏电站，发展“光伏+渔业”的模式，水蒸气可以减少光伏组件的热量，避免由于温度过高导致的光伏发电效率不高的问题。近海海域渔光互补海上光伏发电满足用电所需，水下养殖增加收入，既满足了经济高速发展的能源需求，同时也兼顾了收入增长需要。[13]在光伏发电项目大力发展的今天，渔光互补光伏发电项目为光伏产业提供了更为广阔的发展空间，带动渔业养殖经济发展的同时符合“双碳”战略需求。

（3）海上光伏与多种能源联合供电

我国能源生产和消费的空间、地域不均衡，决定了当前对海上多种能源进行融合发展是我国能源安全战略的重要组成部分。综合利用海上光伏、海洋能、海上风电、氢能等多种能源，可为海洋油气平台供电。使用海上光伏、海洋能、海上风电多种能源，极大地弥补了单一能源的不稳定性。此外，为了时刻能满足平台电力供应，可在平台上设置电解槽，海上光伏和波浪能超发的电力用于电解水制氢，解决了光伏的弃光现象；最后富余的氢气可以通过轮船或管网运输，输送到近岸。

5 海上光伏电站的应用前景

目前国内对于海上光伏电站还未达到大规模的应用，但随着科技发展、企业介入、政府支撑，海上光伏的发展规模将逐渐扩大，商业化水平将逐步提升。我国将会有越来越多的能源企业进军海上光伏，将海上光伏和其他新能源相融合，实现可持续发展。如积极打造海上光伏发电终端应用，海水淡化；推动水产养殖业转型升级；打造成熟的“光伏新能源+精品渔业+衍生旅游业”产业链条。针对海上太阳能、风能与氢能多元耦合独立微网，实现海上光伏与风电耦合电解水制氢。[14]海上光伏电站和海水抽水蓄能、海底抽水蓄能、海洋能结合[15]，未来想象空间巨大。结合海上光伏/风电发电技术，开发潮汐能发电技术，多类海洋资源耦合利用，积极进行波浪、潮流能、太阳能发电技术实用化研究。海上光伏电站的应用是我国能源发展的又一新方向，也是光伏产业不可忽视的重要发展方向，开展大规模海上光伏电站的应用将成为我国新能源领域的趋势。

6 结语

在双碳背景下，我国作为一个有责任、有担当的能源消耗大国，开发利用清洁型可再生能源是我国的必经之路。对于如何做到多种能源间相互融合、协调互补、此消彼长、逐步转型成为接下来的能源发展重点。光伏技术是新能源发展的重要领域，且具有发展潜力大、综合效益高、生态环境友好等特点，光伏技术的发展和应用势必会贯穿整个未来能源发展的过程，成为未来联合产业发展的重中之重。传统陆上光伏的弊端随着规模扩大逐渐显露，为打破此瓶颈，海上光伏成为新亮点。虽然海上光伏目前仍处于起步阶段，但结合上文分析，可以得出海上光伏的发展将逐渐扩大，应用前景明朗。基于“双碳目标”以及“十四五”期间对新能源发展超高预期的影响，各省均对光伏、风电等新能源领域给予厚望，装机规划也在不断增长，随着各地政策的出台，国内海上光伏行业或将迎来一波发展高峰。未来政府将进一步优化海上光伏产业的能源结构，促进海上光伏行业的良性发展。。

参考文献：

[1]Vinod Kumar,R.L. Shrivastava,S.P. Untawale. Solar Energy: Review of Potential Green & Clean Energy for Coastal and Offshore Applications[J] .Aquatic Procedia ，2015，4：473-480

[2]Kim Trapani,Dean L. Millar.  Proposing offshore photovoltaic （PV） technology to the energy mix of the Maltese islands[J] . Energy Conversion and Management . 2013，67：18-26

[3]张腾慎. 海上独立光伏系统优化设计与MPPT研究[D].哈尔滨工业大学, 2015

[4]陈宏强. 球形海面太阳能漂浮发电装置的设计[J].电力自动化设备, 2018，5：1-6

[5]林楚. 浙江省深挖分布式光伏潜力 稳步推动海上风电平价上网[N].机电商报 , 2021-12-06 (A06).

[6]曹宏源. 推动海上风电产业体系成熟健康发展[J].中国电力企业管理. 2019(22)

[7]辛硕,李志攀,张统,刘磊.光伏发电与高效渔业养殖综合项目概述[J].科技经济导刊. 2018(19)

[8]邢春明. 光伏电站项目效益分析及风险评估研究[D].华北电力大学(北京) 2017

[9]李玲闻樱. 海上光伏发电项目投资风险分析及评估模型构建[J].华北电力大学(北京). 2019

[10]胡苏杭,刘碧燕.  海上风电防腐技术现状及研究方向[J].风能. 2019(11)

[11]刘胜永. 基于风/光发电系统的储能系统建模与控制[D].合肥工业大学 2016

[12]戴焕栋,龚再升. 中国近海油气田开发[M].石油工业出版社. 2003

[13]姜欣蔚,马春雷. 渔光互补光伏电站的发展与应用[J].科技风. 2019(08)

[14]曹蕃,郭婷婷,陈坤洋,金绪良,张丽,杨钧晗,殷爱鸣. 风电耦合制氢技术进展与发展前景[J].中国电机工程学报. 2021(06)

[15]刘万久,张皓,黎俞琳,韩有才. 浅谈海水抽水蓄能电站在中国的发展前景[J].四川水泥. 2018(03)

第一作者：张子琛（2002.2-） ，男，汉族，籍贯：河南省三门峡市，本科生，研究方向:光伏产业。

通讯作者：吴桐 男 研究生。

基金项目：受西南石油大学开放实验基金资助。