海上漂浮光伏发电技术及其融合发展展望

海上FPV技术从内陆FPV发展而来，其系统组成基本相似，如图1[7]所示，系统包括浮体结构、光伏组件、逆变器、系泊系统、锚固系统、海底电缆等。浮体结构为整个光伏系统提供浮力，为光伏组件、逆变器等设备提供支撑，整体再通过锚固系统和系泊系统进行固定，最后光伏组件生产的电力经升压后通过海底电缆输送到电网。

图  1  典型的FPV系统组成[7]

Figure 1.  A typical floating PV system with its key components[7]

FPV在浮体设计理念上多种多样，各种技术的成熟度差别很大。常见的浮体材料有高密度聚乙烯（HDPE）材料的浮体，浮管结合不锈钢支架结构，高性能混凝土材料浮箱，桁架式浮体等技术方案[8]；近年来又出现了泡沫、弹性薄膜型的漂浮式结构[1]。

海上FPV设备长期受到海风、海浪、海流等多种荷载共同作用，因此浮体结构设计稳定性、安全性、设备的耐腐蚀性等因素是技术成败的关键。目前，现有的浮体结构设计主要有刚性和柔性2种。传统内湖FPV采用浮筒式或浮管式支撑结构，海上FPV示范和试点项目主要采用浮筒式、高性能混凝土浮箱、半潜式桁架结构平台、弹性膜漂浮结构等，其性能优缺点比较如表1所示。

表 1  各种FPV浮体结构优缺点比较

Table 1.  Comparison of FPV structural advantages and disadvantages

适用于海洋环境使用的光伏组件主要有晶硅和薄膜2类，目前已经有较成熟的产品，刚性和柔性浮体结构均可以采用。半潜式桁架结构还可以通过采用双面玻璃组件，提升发电效率。薄膜型产品可以贴合于浮体表面，特制轻质薄膜材料也可以直接设计浮于水面上[9]，有更好的自然冷却效果和自清洁能力，适合安装在风浪较小，水深较浅的海域环境。

总体上，目前漂浮式光伏从内湖、水库向海洋发展，半潜式桁架结构平台或者弹性膜漂浮式结构结合晶硅光伏组件能够承受更大的波浪载荷，并且能够做到更大尺寸，是目前国内外开发的2种主流技术路线，相关论证试点项目正在开展，抗风浪性能需进一步验证。

弹性膜型式的浮体结构是2014年由Trapani和Millar受到海洋牧场养殖网箱结构的启发而发明[10]，通过膜的水弹性和阻尼特点能够减少波浪给浮体带来的应力，降低对漂浮系统的影响，提高稳定性。光伏组件直接贴合在膜表面，水对光伏组件有很好的降温作用，增加了发电量。目前该技术通过OceanSun公司实现了一定程度的商业化，该产品在阿尔巴尼亚水电站安装了2 MW、菲律宾Magat水库安装了200 kW。2022年10月在中国山东海域安装了500 kW的示范项目。

奥地利公司Swimsol与维也纳理工大学和弗劳恩霍夫研究所合作设计了一套名叫Solar Sea的海上FPV系统[11]，并在马尔代夫启动了试点项目。该技术采用铝材框架式结构加装泡沫做浮体的半潜式平台桁架结构。单模块装机容量24 kW，可以承受1.5～2 m浪高和12级台风。该公司宣称使用寿命达30 a，度电成本与柴油发电机相当。

荷兰公司SolarDuck设计了一种类似半潜式油气平台的三角形FPV平台。如图2[12]所示，平台采用模块化拼接的方式连接，单个模块设计容量约为16 kW，由4个三角形模块可拼接成1个大三角形平台，平台高出水位3 m[13]。2021年4月Solar Duck第一个海上示范项目在荷兰港口投入使用，并进一步在欧洲北海附近开展更多的商业试点项目。此外，荷兰公司Ocean of Energy，DNV Kema，Heliofloat，挪威公司Moss Maritime等都在针对海上FPV平台提出各自的解决方案，结构设计各有不同，目前技术均处于模型示范或全尺寸示范期[7, 14]。

图  2  SolarDuck FPV平台[12]

Figure 2.  FPV system of SolarDuck[12]

在国内，中集来福士设计研发的半潜式海上FPV平台在2023年4月完成下水拖航。图3[15]所示方案采用半潜式桁架式结构，配置4个单浮体方阵，每个方阵容量100 kW，可以抵御浪高达6.5 m和12级台风。一道新能源公司提出了近海FPV兆瓦级方阵设计方案，浮体采用超高性能混凝土空箱，内部充填泡沫，上部架设光伏组件。2023年4月该方案在珠三角低风浪区完成小规模下水试验。

图  3  中集来福士FPV平台[15]

Figure 3.  FPV system of CIMC RAFFLES[15]

过去十年，海上风力发电从无到有，加速发展，使海上风电快速进入平价上网时代。FPV产业近几年发展迅速，据相关机构预测，未来十年FPV的复合年增长率预计将增长15%，到2031年全球FPV市场预计将突破6 GW，累计安装量将超过58 GW[16]。2022年，中国、印度和印度尼西亚是FPV最大的市场，总需求约占全球的70%。很多欧洲国家认为海上FPV技术在北海区域与海上风电结合很有潜力，荷兰政府设定目标到2050年建设45 GW海上FPV。丹麦等国家设想将海上风电、FPV和海上制氢结合建设一个吉瓦级人工“能源岛”连接的北海可再生能源网络[17]。

目前绝大多数FPV均位于湖泊、水电大坝、水库。随着经验的积累和成本的下降以及政策的收紧，FPV将转向在近岸、泻湖、赤道无风带等低风浪区域发展，未来跟随海上风电一起向近海和深远海高速发展。海上FPV与海上风电有着良好的融合发展潜力，设施共享，出力互补，联合发展将进一步加快海上FPV发电实现平价上网的速度。

我国海岸线漫长，发达城市大多位于沿海区域，有着强烈的绿电需求，因此发展海上FPV的潜力巨大。“十四五”期间，全国规划了五大十吉瓦级海上基地，各地出台的海上风电发展规划规模已达80 GW，到2030年累计装机将超过200 GW。在保障海上风电检修空间的条件下，风电海域可布置3～4倍容量的FPV，风光合计装机容量达0.8～1 TW，理论发电量可达1400 TWh，约占2022年我国全社会用电量的16%，这将极大改善沿海发达省份能源结构和供需状况。

以广东省为例，根据相关水文、地理数据进行推测，近岸5～10 m水深总海域面积约为2500 km2，除去生态保护、航道及港口等设施，可用面积按10%计算，海上FPV市场规模可达25 GW。在近海10 m及以上水深海域，按照海上风电和FPV联合建设进行测算。根据《广东省海上风电发展规划（2017－2030年）（修编）》，广东省规划的海上风电总装机容量达66.85 GW，其中近海浅水区约9.85 GW，近海深水区约57 GW。若在广东省海上风电规划海域部署FPV，近海浅水区10～35 m水深可开发FPV装机容量超30 GW，近海深水区35～50 m FPV的装机规模可达到170 GW以上。

目前，山东已经公布了海上光伏发展规划，将打造环渤海、沿黄海双十吉瓦级海上光伏基地，并且出台了相应的海域使用政策，走在发展海上光伏的最前沿。2022年山东政府还发布政策支持海上光伏的发展，减免项目的海域使用金，并对“十四五”期间投产的FPV项目给予一定的财政补贴。规划争取2025年海上FPV开工2 GW，投产1 GW，后续将有望在全国其他省市推广。

发展海洋FPV有着诸多优势。我国沿海省份能源消费量大，要实现碳中和目标需要大规模的清洁能源电力供给，但同时我国沿海省份陆上土地资源紧张，对未来陆上集中式风电和光伏持谨慎态度。海上发展FPV有明显的空间优势，靠近东部负荷中心，可以就地消纳。其次，海面阳光无遮挡，海水具有反射和冷却效果，能够增加太阳辐射的吸收，提高光伏组件的发电效率。根据相关研究，陆上水面光伏发电量可提升5%～10%[18]，FPV效率提升有一定的不确定性，总体效率提升在1.5%～22%[19]。

相比海上风电，海上FPV无需考虑复杂的地质构造和基础设计，工程实施难度相对低，但按照光伏组件发电效率，单位海域面积所生产的电能较少。在现阶段，海上FPV需大面积采用浮体支撑结构，并考虑长期承受风浪作用，工程建设成本大幅增加。尽管过去几年内陆淡水FPV技术快速发展，积累了大量的技术和经验，光伏组件和浮体材料成本大幅降低，但移植到海上仍然面临诸多困难和挑战。其中最主要的是海上严苛的水文气象条件，包括高温、风浪、盐雾、海流、腐蚀、生物附着和极端自然灾害等。这些挑战使得海上FPV的技术安全性要求更高，光伏组件和电气设备需要更好的耐候性，结构材料更加结实可靠，并且能够满足20～30 a使用寿命，因此开发成本也更高。

目前，海上FPV标准尚不完善，浮体设计需要参照已有的海工设计如海上平台、海上风电设计等，涉及到许多待解决的问题。首先浮体结构安全设计最为关键，不仅需要考虑风、浪的长期水文环境荷载，还需要能够承受极端气候条件下短时集中荷载。浮体结构设计需要建立水动力数值模型，研究结构与锚泊系统、多浮体结构间以及结构与动力环境的耦合作用，同时结合物理模型试验，开展多种风、浪、流组合作用下浮体结构的荷载研究。

其次是系统安全和可运维性。海上漂浮设施需要严格考虑系统安全监测和事故预案，浮体设备解体和脱离将影响周边航道，影响海底电缆、船只、码头设施等的安全运行。运维设计需要方便现场监测、更换关键易损部件。FPV对海洋环境影响也不容忽视。FPV将覆盖大片海域，可能会对底栖息生物、浮游生物、海洋渔业等海洋生态环境产生影响。在规模化开发设计时仍需进一步论证，并采取环境监测和生态保护措施。随着光伏组件效率的不断提高和海工技术的不断突破，海上建设FPV的平准化成本将不断降低，逐步实现全面商业化。