梁 甜，吴继亮，糜文杰，摄 宇

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

水上漂浮式光伏发电系统是指在水塘、湖泊、水库等水域环境中建设的光伏电站，具有节约用地、提高系统发电效率、受外界人为干扰少、对环境保护有益等特点[1]。该技术在国外发展得比较早，截止2017年，日本、韩国、英国、挪威、美国、西班牙等国家均发展了水上漂浮式光伏电站[1]。相较国外，我国起步较晚，2015年底才开始有项目动工建设，2017年水上漂浮式电站才开始大规模兴起。

由于漂浮式光伏为近几年新兴光伏发电开发模式，缺乏相应设计标准和指导手册，现有《建筑结构荷载规范》中缺乏对应的风荷载计算模式[2]。同时，由于其不同于常规地面电站，漂浮平台造价对项目的投资影响较大。

本文结合实际工程案例，针对两种不同型式的漂浮平台，从平台受荷、占地面积、造价三方面进行了对比分析，为漂浮式光伏发电系统平台选型提供借鉴。

1 不同型式漂浮平台简介

综合分析国内外已建漂浮式光伏电站案例，目前该型式平台主要包括两种类型：一体化浮筒(图1)和浮筒+固定支架(图2)。

图1 一体化浮筒图

一体化浮筒漂浮平台利用高密度聚乙烯材料，按照组件安装倾角要求制作专用浮筒，1个浮筒上安装1块光伏组件，主浮筒由过道浮筒逐一拼接，形成漂浮平台。

图2 浮筒+固定支架图

浮筒+固定支架式漂浮平台由高密度聚乙烯浮箱与金属支架组合构成，下部采用高密度聚乙烯浮箱，浮箱上部架设金属支架，支架上部固定光伏组件。

2 不同型式漂浮平台对比分析

本文结合山东某地实际工程(项目所在地最佳倾角为30°，设计风速为30 m/s)，从平台受荷、平台占地面积、平台造价三方面，对两种平台进行了分析。

2.1 不同型式漂浮平台受风荷载对比

漂浮式平台光伏组件布置具有其特殊性：组件较低一侧离漂浮平台距离小，前后排组件净间距小，前后排组件间未形成封闭空间。现有《建筑结构荷载规范》中缺乏对应的风荷载计算模式[2]。本节运用FLUENT建立三维有限元模型，对不同型式下漂浮平台安装组件后受风荷载作用的大小进行分析。

2.1.1 模型建立

分别对一体化浮筒平台(小倾角安装，12°)及浮筒+固定支架平台(最佳倾角安装，30°)进行了顺风及逆风工况下的模拟，模拟阵列均为10行×9列。建模过程中，首先根据光伏组件在冬至日上午9点至下午3点不遮挡的原则计算组件净间距，然后将平台及组件模型进行拼装，得出平台的长、宽、高(含组件在竖直方向投影高度)尺寸。

计算域大小(风洞尺寸)采用如下原则确定[3-6]：顺风向长度=30倍平台高度+平台顺风向长度+30倍平台高度；横风向长度=10倍平台高度+平台横风向长度+10倍平台高度；计算域高度=15倍平台高度。针对浮筒+固定支架平台，由于本模拟侧重点为大倾角模式下平台及组件受风荷载大小分析，模型建立过程中不考虑钢支架的作用。两种漂浮平台计算模型见图3和图4。

2.1.2 边界条件

模拟中，假定平台受风荷载作用后系泊系统处于张紧状态，近似将水面按地面考虑。模型的入口边界，采用速度入口边界条件，根据《建筑结构荷载规范》及项目所在区域地形地貌，模拟中来流按荷载规范中的B类地面粗糙度剪切流考虑。模型的出口边界，采用完全发展出流边界条件。模型计算域的顶部和两侧，采用对称边界条件，等价于自由滑移的壁面。模型中平台、组件及计算域底部，采用无滑移的壁面条件。湍流模型采用SST k-模型[7-8]。

图3 一体化浮筒平台模型图

图4 浮筒+固定支架平台模型图

2.1.3 模拟结果

基于前述模型建立及边界条件设置，对四种工况(工况1：小倾角安装，12°顺风；工况2：小倾角安装，12°逆风；工况3：大倾角安装，30°顺风；工况4：大倾角安装，30°逆风；)进行了风荷载模拟。模拟示意如图5，图5中组件排数编号依风的来流方向依次递增，从第1排至第10排，组件列数编号依东西方向自东向西依次递增，从第1列至第9列。

图5 模拟示意图

根据模拟风流分布图：平台边缘风速增大明显；按30°布置时，平台内组件周围有明显的风旋涡作用，而在12°布置时除边缘组件外，其余区域未出现旋涡现象。

通过提取各组件受到的水平方向风荷载作用力，如图6～图9所示，可得到各种工况下组件受风荷载的特点：

1)各种工况下，漂浮平台上组件受到的风荷载作用均有遮挡效应，即第1排组件受到的风荷载较大，后续各排组件受到的风荷载先减小后增大；且逆风工况时，平台上第1排组件的遮挡效应强于顺风工况；

2)各种情况下，漂浮平台上边缘组件受到的风荷载较中间大，且荷载增加幅度较中间大；

3)一体化浮筒上小倾角布置的首尾两排组件受到的风荷载远小于浮筒+固定支架平台上按最佳倾角布置的组件受到的风荷载，根据统计，顺风工况时，组件按30°布置时，第1排组件受到的平均风荷载作用为按12°布置时的8.1倍，第10排组件受到的平均风荷载作用为按12°布置时的2.2倍；逆风工况时，组件按30°布置时，第1排组件受到的平均风荷载作用为组件按12°布置时的2.9倍，第10排组件平均受风荷载作用为组件按12°布置时的2.0倍。

图6 工况1 (12°顺风)

图7 工况2 (12°逆风)

图8 工况3 (30°顺风)

图9 工况4 (30°逆风)

2.2 占地面积分析

太阳能阵列必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，并通过计算确定阵列间的距离或阵列与建筑物的距离。一般确定原则为：冬至日当天早晨9:00至下午15:00(真太阳时)的时间段内，太阳电池阵列不应被遮挡。计算公式如下：

光伏阵列间距或可能遮挡物与阵列底边的垂直距离应不小于D：

(1)

式中：D为遮挡物与阵列的间距，m；H为遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差，m；φ为当地纬度，deg；A为太阳方位角，deg；δ为太阳赤纬角，deg；ω为时角，deg。

根据计算，当采用一体化浮筒平台，组件安装倾角为12°时，组件之间净间距需不小于0.465 m，而采用浮筒+固定支架漂浮平台，组件安装倾角30°时，组件之间净间距需不小于1.115 m。

考虑组件在水平面投影后，当采用一体化浮筒平台，组件安装倾角为12°时，一块组件在南北方向所需长度D=0.97 m(投影长度)+0.465 m=1.435 m，当采用浮筒+固定支架漂浮平台，组件安装倾角为30°时，一块组件在南北方向所需长度D=0.86 m(投影长度)+1.115 m=1.975 m。由于组件在东西方向投影长度为组件本身长度L，即一块组件所占投影面积A=L×D。根据前述计算可知，考虑单元方阵按1 MW布置(忽略相邻平台间隔)时，采用浮筒+固定支架漂浮平台且组件安装倾角为30°时，所需水域面积为采用一体化浮筒平台且组件安装倾角为12°时的1.376倍,占用水域面积明显增加。

2.3 平台造价分析

漂浮式光伏发电系统漂浮平台造价是影响漂浮平台选型的重要因素。本节结合市场调研及实际计算对不同型式漂浮平台造价进行对比分析。一体化浮筒平台与浮筒+固定支架平台在造价上的差异主要体现在以下几个方面：浮筒数量、锚桩数量、占地面积、支架重量。

根据山东某漂浮式光伏电站实际实施情况，针对一体化浮筒平台，采用容量440 W的光伏组件时，1 MW单元方阵需组件浮筒约2 280个、过道浮筒(含集电线路浮筒)约2 508个、逆变器和汇流箱浮筒约80个，锚桩约300 m，占地面积约20亩，考虑连接螺栓等紧固件后，折合成每瓦单位造价约1.000元。针对浮筒+固定支架平台，经过对固定支架进行截面选型和强度校核，采用容量440 W的光伏组件时，1 MW单元方阵需固定支架约61.7 t(含连接件及紧固件)，需要标准浮筒5 372个(单个面积0.5 m2)，锚桩约600 m，占地面积约27亩，折合成每瓦单位造价约1.397元。不同型式漂浮平台价格对比见表1。由表1可见，一体化浮筒平台在造价上相对浮筒+固定支架平台具有一定优势。

3 结 语

本文介绍了一体化浮筒平台和浮筒+固定支架平台，结合实际项目，从平台受荷、平台占地面积、平台造价三方面进行了对比分析：

1)两种平台在同等风速作用下，漂浮平台上组件受到的风荷载作用均有遮挡效应，且逆风工况时，平台上第1排组件的遮挡效应强于顺风工况。一体化浮筒上小倾角布置的首尾两排组件受到的风荷载远小于浮筒+固定支架平台上按最佳倾角布置的组件受到的风荷载。

表1 不同漂浮平台造价对比表

注：①2020年2季度价格为基准；②价格包含紧固件，不含安装等费用；③租地价格为项目地价格，500(元/亩·年)。

2)一体化浮筒平台较浮筒+固定支架平台占地面积小，在纬度30°地区，占地面积可节约37%左右。

3)一体化浮筒平台型式简单，造价受风等外荷载影响较小。而浮筒+固定支架平台，需要根据不同环境计算固定支架，且固定支架用钢量较常规电站偏高。相比较，一体化浮筒平台在造价上相对浮筒+固定支架平台具有一定优势。