我國大陸海岸線長1.8萬公里,按照理論研究,可安裝海上光伏的海域面積約為71萬平方公里。按照1/1000的比例估算,可安裝海上光伏裝機(jī)規(guī)模超過70GW(1)。
截至2022年5月,我國確權(quán)海上光伏用海項目共28個,累計確權(quán)面積共1658.33公頃。其中,江蘇18個,山東4個,浙江3個,遼寧2個,廣東1個。浙江省確權(quán)面積最大,為770.89公頃(2)。
(注:數(shù)字(1)(2)來自《海上光伏用海及海洋環(huán)境風(fēng)險挑戰(zhàn)》,崔琳,自然資源部國家海洋技術(shù)中心海洋能發(fā)展中心副主任)
圖1.1-1 沿海省份海上光伏項目數(shù)量及面積占比
海上光伏電站建設(shè)需要遵守的主要法律法規(guī)如下表所示:
表1.1-1 海上光伏電站主要法律法規(guī)
二、海上光伏影響的自然因素
建設(shè)海上光伏,至少要考慮三個自然因素:地形、海浪與自然災(zāi)害。
從地形來看,渤海、黃海海岸高差較小,大陸架比較平緩,可開發(fā)的沿海灘涂面積更廣。東南部海岸、渤海灣部分區(qū)域的海岸地形存在較多山地及小礁島,整體高差較大,可開發(fā)的沿海灘涂面積會受限,但是山地和礁島的存在,有利于海浪的削弱,可以關(guān)注此類區(qū)域。
我國主要沿海海域的海況情況如下:
渤海(遼東灣、渤海灣、萊州灣):冬季波高0.8-0.9米,周期多半小于5秒。1月平均波高為1.1-1.7米,寒潮侵襲時可達(dá)3.5-6.0米。夏秋之間,偶有大于6.0米的臺風(fēng)浪。
黃海:秋冬兩季浪高常有2.0~6.0米;寒潮過境時浪高達(dá)3.5~8.5米;臺風(fēng)過境時浪高則可達(dá)6.1~8.5米;受臺風(fēng)侵襲時,可出現(xiàn)2.0~6.0米的涌浪。
東海:臺風(fēng)過境或登陸時,最大風(fēng)力10級,有效波高最高可達(dá)8米。
南海:最大有效波高達(dá)到9.5米(9級狂濤),浪向與季風(fēng)風(fēng)向一致。
從全國近海海浪的數(shù)據(jù)分析,我國近海海域浪高多在3m以內(nèi),東南沿海的海浪要比江蘇以北海域高,黃海、渤海附近的海域更適合建設(shè)大型海上光伏項目。
關(guān)于自然災(zāi)害,根據(jù)《2021中國海洋災(zāi)害公報》(自然資源部海洋預(yù)警檢測司,2022年4月),2021年,我國海洋災(zāi)害以風(fēng)暴潮、海浪和海冰災(zāi)害為主,這三類災(zāi)害同樣對海上光伏建設(shè)影響巨大。通過對我國風(fēng)暴潮、海浪、海冰三類主要海洋災(zāi)害的統(tǒng)計分析可知,我國沿海各省,臺風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失最大,其中浙江省作為臺風(fēng)登陸多發(fā)區(qū),受影響最大;山東省因海浪造成的損失最大,東海、黃海區(qū)域受海浪影響較大;海冰災(zāi)害主要影響渤海和黃海海域。
對于海上光伏電站建設(shè)來說,支架樁計算需要充分風(fēng)暴潮的影響;需要論證防浪堤的必要性和規(guī)模;需要考慮除海冰措施。
另外,對于海上漂浮式光伏電站,還要注意海洋附著生物的影響。
三、海上光伏技術(shù)方案
海上光伏電站的建設(shè)形式包括固定式和漂浮式。
從目前已建成和在建的海上光伏電站可知,規(guī)模化的海上光伏電站主要為沿海灘涂固定式,偶爾有個別廠家涉及所謂的海上漂浮案例,主要都是近海接近岸邊,其風(fēng)、浪、流與內(nèi)陸湖泊接近,與真正的海域上的漂浮項目差別較大。真正的近海海域漂浮項目仍在實驗和探索階段,可以推廣的成熟案例尚未出現(xiàn)。
1、固定式海上光伏
根據(jù)海上光伏與內(nèi)陸水上光伏的對比可知,海上光伏建設(shè)風(fēng)險因素多,海風(fēng)、海浪、海冰、海水及鹽霧腐蝕等因素需要重點考慮。
通常在高鹽度的海邊,鹽度的濃度均值可達(dá)12.4mg/m3到60mg/m3。而在陸地上大氣中氯化鈉含量均值在0.8mg/m3。在如此高濃度的鹽霧環(huán)境下,金屬被腐蝕的速度由于電化學(xué)的作用也將大幅提高(約為內(nèi)陸大氣環(huán)境的4~5倍),暴露在外的海上光伏設(shè)備各組件均會遭到不同程度的腐蝕損壞:
對于海上光伏電站,設(shè)備需要按照C5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,并通過按照如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試:
①GB/T10125-1997 人造氣氛腐蝕試驗,鹽霧試驗
②ISO12944-1999 色漆和清漆,鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層保護(hù)體系
③GB/T 2423.18-2012 環(huán)境試驗 第 2 部分:試驗方法 試驗 Kb:鹽霧,交變
④GBT 20854-2007 金屬和合金的腐蝕循環(huán)暴露在鹽霧、干和濕條件下的加速試驗
通常來說,消浪措施主要有斜坡堤,透空堤和浮式堤。斜坡堤適合水深淺、地質(zhì)差的情況;透空堤適合水深大,地質(zhì)好的情況。實際應(yīng)用中,透空堤由于對環(huán)境更為友好,更容易取得海洋部門批準(zhǔn)。
浮式防波堤是由浮體和錨固系統(tǒng)組成,通過浮體與波浪的相互作用進(jìn)行消浪,具有建造成本低、建造和拆遷便捷等優(yōu)點。目前浮式防波堤對短波的掩護(hù)效果良好,但對長波的透過率較高。為增強(qiáng)對長波的消浪效果,需要對浮體進(jìn)行改進(jìn),比如板阻式防波堤方案,利用結(jié)構(gòu)上部的浮箱反射波浪,下部的阻尼結(jié)構(gòu)破碎波浪,通過波浪反射、諧振和波浪破碎來減小透射波。防浪堤的造價也是及其昂貴的,其單米造價與浪高有關(guān),當(dāng)浪高不超過3米時,其造價在2-3萬/米,當(dāng)浪高超過3米,造價可能翻番,因此如果項目體量不大,其動輒數(shù)千萬的消浪成本實屬代價太大。因此消浪成本將嚴(yán)重影響項目的經(jīng)濟(jì)性。
在渤海、黃海海域的海上光伏項目,海域冬季會出現(xiàn)較為明顯的海冰,同時,由于近海光伏工程海域離岸較近,存在重疊冰以及海冰堆積等問題。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行抗冰驗算,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計,提出抗冰防冰措施。
從技術(shù)角度來看,
①海上光伏電站對于防腐要求更高,電氣設(shè)備防腐要求C5等級;
②近海光伏防浪設(shè)施基本都是需要的,防浪設(shè)施方案各有不同,在設(shè)計階段要詳細(xì)論證;
③在黃海和渤海區(qū)域,要注意海冰影響,考慮防冰和破冰措施;
④海上光伏電站結(jié)構(gòu)設(shè)計,需要詳細(xì)論證風(fēng)暴潮的影響。
從投資收益來看,根據(jù)山東東營某100MW海上光伏項目測算,該項目為固定式海上光伏,裝機(jī)100MW,110kV并網(wǎng),常水位水深約3~5米,50年一遇1%波高約1~3米,考慮防浪措施,不考慮配套儲能,項目投資約5.8元/W,投資收益率較差。當(dāng)然,由于不同海域的環(huán)境差異巨大,單體項目經(jīng)驗的可復(fù)制性低。
目前,大規(guī)模建設(shè)的海上光伏項目大多在離岸較近的灘涂或潮間帶區(qū)域,以固定樁基式為主。但是,離岸后隨著水深加深,固定式的樁長必然迅速增加,海上的施工難度和樁基成本都將迅速增加,同時,后期運行維護(hù)難的問題也更突出。長遠(yuǎn)來看,固定樁基式海上光伏應(yīng)用范圍有限,如果想大面積推廣海上光伏,漂浮式或許是最終的解決途徑。
2、漂浮式海上光伏
傳統(tǒng)水上漂浮式電站主要受水域內(nèi)流速、洪峰、水位變幅及風(fēng)力作用的影響。一般情況下,水上漂浮式光伏電站的安全使用條件基于以下幾個條件:
1、水面浪高:不超過 1m
2、水流速度:不超過 1m/s
3、風(fēng)力載荷:10級(24.5m/s-28.4m/s)
4、溫度:-25℃到 90℃
5、雪載荷:至 70DaN/m2
2022年3月,國家科學(xué)技術(shù)部發(fā)布《“十四五”國家重點研發(fā)計劃“可再生能源技術(shù)”重點專項》,其中明確了“近海漂浮式光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及核心部件”列為十四五重點研發(fā)計劃,具體考核指標(biāo):正常運行適用海況:浪高不大于2.5米,流速不大于1米每秒,水深不大于25米;錨固系統(tǒng)極限抗風(fēng)浪能力(設(shè)計值):浪高不大于5米,風(fēng)速不大于30米每秒(約12級臺風(fēng))。
盡管從2015年發(fā)展至今,我國水上漂浮項目已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗,浮體系統(tǒng)經(jīng)過多次升級迭代,漂浮和錨固系統(tǒng)造價也從當(dāng)年的1.5元/W,降低到0.6元/W左右,但是目前的水上漂浮系統(tǒng)主要還是應(yīng)用在內(nèi)陸湖泊,其主要原因在于內(nèi)陸水域的波浪較小且相對運動也較少,漂浮系統(tǒng)受外荷載的影響不大,而近海漂浮系統(tǒng)面對的風(fēng)浪流和風(fēng)速遠(yuǎn)大于內(nèi)陸湖泊,疊加潮位影響更大,所以海上漂浮系統(tǒng)更偏向于綜合性的海洋工程。
Ocean Sun海上漂浮式光伏案例
挪威Ocean Sun公司海上漂浮方案目前被國內(nèi)公司應(yīng)用在煙臺海域,裝機(jī)容量1MW,目前已開工建設(shè)。
Ocean Sun的浮式光伏系統(tǒng)由一套由系泊系統(tǒng)固定在海床上的浮力環(huán)組成,光伏組件安裝于由浮力環(huán)支撐的藍(lán)色塑膠膜上;塑膠模能夠隨波浪上下起伏,可大幅降低風(fēng)阻并對波浪有緩沖作用,使光伏系統(tǒng)能夠更容易在風(fēng)、浪和海流環(huán)境下穩(wěn)定運行,并抵御更強(qiáng)的臺風(fēng)。
Ocean Sun技術(shù)方案如下:
1、單元尺寸有50m、68m、72m三種直徑。
2、適用組件需定制。尺寸為1700*1000m,組件功率335Wp,單元裝機(jī)容量分別為300kWp、500kWp、640kWp。
3、組件長邊裝配導(dǎo)軌,膜配置對應(yīng)柔性緊固裝置,組件間距70mm。
4、設(shè)計條件浪高最大10m,有效浪高5m;設(shè)計抵抗臺風(fēng)275km/h,約17級臺風(fēng);洋流無特殊限制;水深無特殊要求,水位變化無特殊要求。
四、海上光伏開發(fā)要點
根據(jù)前面分析可知,海上光伏電站的建設(shè)與常規(guī)水面光伏電站建設(shè)有很大不同。因此,對于海上光伏電站的開發(fā)也提出了更高的要求。主要包含以下幾點:
1、海洋項目必須遵守三大涉海法律:《中華人民共和國海域使用管理法》、《中華人民共和國海洋環(huán)境保護(hù)法》、《中華人民共和國海島保護(hù)法》。同時遵守各省地方涉海法律。
2、需要協(xié)調(diào)的部門除了和常規(guī)項目需要溝通的部門之外,還需要溝通海洋行政主管部門、海事部門、漁業(yè)行政主管部門、軍隊環(huán)境保護(hù)部門等。海洋管理權(quán)限隸屬海洋局,各省要求不一,需提前向當(dāng)?shù)睾Q缶肿稍儭?br />
3、需要了解海洋生態(tài)紅線;自然保護(hù)區(qū)里面的海洋保護(hù)區(qū);國土空間規(guī)劃里面的用海屬性;當(dāng)?shù)睾Q舐糜我?guī)劃、候鳥棲息地等。
4、需要了解項目地自然條件:水深、地質(zhì)條件等;并且收集海洋水文資料,其中包含潮汐、波浪、海流、海冰、泥沙、風(fēng)暴潮、海水溫度、海水鹽度等。
5、海上光伏開發(fā)工作內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容:①資料收集與補(bǔ)充調(diào)查;②現(xiàn)場踏勘;③項目用海必要性及政策;④規(guī)劃符合性分析;⑤資源環(huán)境影響分析;⑥開發(fā)利用協(xié)調(diào)分析;⑦用海合理性及可行性分析;⑧用海風(fēng)險分析;⑨海域使用對策措施;⑩生態(tài)用海方案;?用海報批路徑研究;?跟蹤監(jiān)測和海洋生態(tài)影響評估等。
五、建議
隨著水利部《水利部關(guān)于加強(qiáng)河湖水域岸線空間管控的指導(dǎo)意見》的發(fā)布,未來中東部地區(qū)水上光伏電站建設(shè)將受到很大制約,海上光伏尤其是近海灘涂、潮間帶固定式海上光伏電站建設(shè)將迎來較快發(fā)展。山東示范性海上光伏項目申報拉開了海上光伏規(guī)?;ㄔO(shè)的序幕。對于海上光伏電站建設(shè)來說,支架樁計算需要充分風(fēng)暴潮的影響,需要論證防浪堤的必要性和規(guī)模,針對海上光伏建設(shè)的各種風(fēng)險因素,需要重點關(guān)注防腐方案、消浪措施、抗海冰等措施。海上漂浮式光伏電站目前不滿足大規(guī)模開發(fā)條件,但是國家與行業(yè)有研發(fā)布局,未來發(fā)展可期,可提前進(jìn)行布局和技術(shù)儲備。
原文章:晶科科技譚奇特:海上光伏發(fā)展現(xiàn)狀及注意要點