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《太阳能》《太阳能学报》

  创刊于1980年,

  中国科协主管

  中国可再生能源学会主办

《太阳能》杂志社有限公司出版

《太阳能》杂志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  国内发行2-165  国外发行Q286

《太阳能学报》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  国内发行2-165  国外发行Q286

详细内容

全球水上光伏产业的发展现状及市场前景分析

      随着光伏产业的快速发展,其应用领域也越来越广泛,水上光伏便是其中一种。由于既不占用土地资源,又具有高发电量和高附加值的优势,水上光伏被喻为新能源利用方式中“加速向太阳能驱动未来过渡的最有效杠杆”。本文分析了全球及我国水上光伏产业的发展现状,并对市场前景进行了分析。


1 水上光伏电站的背景介绍


1.1 概念及种类

      水上光伏电站是指在水塘、中小型天然湖泊、水库、蓄水池,以及采煤塌陷区形成的湖泊等水面上建立的光伏电站。作为光伏发电的新型利用方式,根据其基础类型不同,水上光伏电站主要分为桩基固定式和漂浮式2 类,具体如图1 所示。


a. 桩基固定式

b. 漂浮式

图1 水上光伏电站的2 种主要类型


      桩基固定式水上光伏电站的形式以“固定桩基+ 固定支架”为主,以“固定桩基+ 跟踪支架”为辅;漂浮式水上光伏电站可分为浮管式和浮筒式2 种形式。然而,实际的水上光伏电站具体采用哪种类型通常是由水深决定的,浅水区,即水深≤3 m 时,可采用桩基固定式;深水区,即水深> 3 m,且径流稳定、水位变化一般< 6 m 时,可采用漂浮式[1]。


1.2 效益及优势

水上光伏电站的优势主要体现在:

      1) 发电量高。一方面,因为水面较为开阔,可以避免阴影对光伏组件发电带来的不利影响,而且对于双面光伏组件而言,水面的反射率也远大于地面和山地表面的反射率;另一方面,水面具有冷却作用,能够有效降低光伏组件的工作温度,从而降低光伏发电系统的温度损耗。通常水面上的光伏组件的工作温度比地面上的约低5℃,因此,相比同条件下的地面光伏电站,水上光伏电站的发电量约高5%~7%[1]。


      2) 不占用土地资源。因为水上光伏电站建设在水面上,不占用土地资源,且对水的生态环境影响较小,规避了地面光伏电站的用地难题,是人口密集、土地资源有限但水资源丰富的国家和地区发展光伏项目的良好选择。


      3) 易与其他产业相结合。水上光伏可充分发挥“光伏+”模式的优势,将光伏电站与水产养殖等进行深度结合,增加商业效益。一方面,光伏组件的覆盖可减少水的蒸发量,且遮挡掉的阳光可减少光合作用,对于藻类的繁殖起到一定的抑制作用[2];另一方面,光伏电站可为水产养殖时的辅助设备,如增氧机等提供电力,既减少了电网基础设施建设的成本,又提高了水产养殖的产量,从而提升了整体商业模式的附加值。


1.3 面临的问题与挑战

      相较于地面光伏电站,水上光伏电站的现场环境通常具有高湿、盐雾、阵风有浪的特点,无论是光伏组件、浮体架台,还是电气设备,都容易出现损坏的状况。因此,水上光伏电站对设备的耐候性、可靠性提出了更高品质的要求。对于桩基固定式水上光伏电站的场地条件来说,水底最上层土质通常为淤泥层,地表稳定性差、承载能力弱,存在定位难、施工慢等问题,无法使用重型机械进行大体量施工;而对于漂浮式水上光伏电站来说,由于其潜水或船上作业较多,面临施工安全性风险,而且,电站所使用的浮体材料也需要考虑环保和25 年使用寿命等要求。


      此外,虽然水面环境可以减少灰尘对组件的污染,方便清洗组件,且能有效防止人员及动物对组件的破坏,但水上光伏电站可能会导致垃圾淤积,且存在由于枯、丰水期,大风降温等不确定因素所带来的水面条件变化,从而会影响运维人员进入电站进行作业,增大了运维难度。


1.4 设备特点

      为适应水面环境,降低故障率,在设计和应用过程中,水上光伏电站所选的光伏组件需具备抗电势诱发衰减(PID) 能力、抗盐雾腐蚀能力和更低的湿气透过率;浮体除了要求低密度、承载能力强、寿命长以外,还需具备抗紫外辐照、抗腐蚀、抗冻胀、抗风浪等能力;支架需要采用强度、防腐蚀材料;汇流箱、逆变器及变压器等电气设备应提高防尘、防水等级( 至少满足IP65等级),具备抗腐蚀能力。


2 全球水上光伏产业的发展现状及趋势


      研究数据显示,全球水上光伏的可利用面积约为40.45 万 km2,按1% 的开发量计算,水上光伏开发潜力至少为400 GWp[3]。自2008 年全球首个商业化水上光伏项目在美国应用至今,水上光伏产业在全球的应用规模持续扩大,并自2017 年起进入指数级增长阶段。截至2019 年5 月, 全球已建水上光伏项目为353 个,累计装机容量为1.4 GWp[4]。目前已形成以亚洲地区为中心、以小规模( 小于2MWp) 和漂浮式水上光伏电站为主的市场格局,水上光伏产业未来将向规模扩大、成本降低、完善技术等方向发展。


2.1 发展现状分析

2.1.1 全球水上光伏产业已进入快速发展期

      全球水上光伏产业的发展大致可分为3 个阶段。第1 阶段是2007~2013 年,为缓慢增长阶段,7 年间的累计装机容量为4.8 MW;第2 阶段是2014~2016 年,为发展提速阶段,在大中型水上光伏设施和新兴市场的带动下,水上光伏的装机量开始出现明显增长;第3 阶段是自2017 年起进入快速发展阶段,全球水上光伏的累计装机容量呈指数级增长,尤其是2017 和2018 年,年新增装机容量分别达到了362 和771 MW,实现了跨越式发展。具体如图2 所示。



      据伍德麦肯兹电力与可再生能源部预测,2019~2024 年全球水上光伏的需求量预计将以年均22% 的速度增长,到2022 年,其新增装机容量将占全球所有光伏新增装机容量的2%。由此可见,全球水上光伏产业已进入快速发展期。2.1.2 亚洲地区是水上光伏产业的主要市场2007 年,日本建立了首个试验性水上光伏项目,其后法国、意大利、韩国、西班牙、美国等国家也开展了用于研发和示范的小规模项目。自2017 年以来,亚洲地区已成为全球水上光伏产业的主要市场。从截至2019 年5 月的累计装机容量来看,亚洲地区贡献了约96%的装机容量;其中,中国以956 MWp 的累计装机容量位居全球第一,占全球累计装机容量的68%,而日本、韩国、中国台北分别占18%、6%、3%。图3 为截至2019 年5 月全球水上光伏的累计装机容量的分布情况。



2.1.3 小规模应用是目前水上光伏项目的主要形式

      受水体面积、项目成本等因素的限制,当前水上光伏项目的形式主要为小规模应用。据截至2019 年5 月全球水上光伏项目规模的统计显示,规模小于2 MWp 的水上光伏项目为249 个,约占全球水上光伏项目总项目数的71%,具体如图4 所示。但随着水上光伏产业发展需求的快速扩大,大规模水上光伏电站的建设已逐渐成为发展趋势。



2.1.4 建设成本不断下降

      根据世界银行统计的水上光伏项目信息[3],2014~2018 年间,全球水上光伏电站的建设成本在0.92~3.12 美元/Wp 之间,但具体的建设成本取决于电站规模、所在位置及其水体环境,如图5 所示。图5 中,绿色柱状为项目的实际建设成本,蓝色柱状为项目的竞拍价格。其中,2018年印度的水上光伏项目的最低竞拍价格可达0.83美元/Wp,这为进一步降低项目建设成本提出了更高的要求。此外,新加坡太阳能研究所认为,近年来亚洲地区水上光伏项目的浮体设备成本下降显著[4]。与此同时,规模较大( 约50 MW) 的水上光伏电站的度电成本与相同规模的面电站的相差不大。



2.2 市场前景

      在财政激励政策方面,在中国和中国台北地区,水上光伏电站的上网电价补贴高于地面光伏电站;在美国马萨诸塞州,水上光伏电站除可享受可再生能源补偿费率外,还享有额外补偿。此外,中国、中国台北、印度马哈拉施特拉邦等国家和地区对水上光伏项目设置了专门的招标流程[3]。目前,全球已有30 多个国家和地区有水上光伏电站待建计划,包括阿尔巴尼亚、孟加拉、比利时、巴西、印度和泰国等,全球已规划的水上光伏电站的总装机容量超过了10 GW。具体如图6 所示(2019 年6 月数据) [3]。



      在有待建水上光伏电站的国家中,印度和泰国的发展目标明确、规划规模较大,下文对这2个国家进行具体分析。


2.2.1 印度

      印度制定了2022 年太阳能发电能力达100GW的雄伟目标,但同时受限于昂贵的土地成本,因此,其将水上光伏作为实现太阳能发电目标的主要途径。印度政府建立的旨在推动太阳能发展应用的太阳能公司SECI 于2017 年发布了在印度修建10 GW 水上光伏电站的意向书(EOI),该意向书计划在3 年内采用“建设- 拥有- 经营(Building-Owning-Operation,BOO)”模式,分期开发这一10 GW 的水上光伏项目。根据EOI的条款,SECI 公司会收集此类电站的可行性信息和潜在开发商信息,用于制定不同装机容量的招标方案。SECI 公司还会和国家机构合作,根据水体和水库的性质确定水上光伏电站的类型。EOI 已于2018 年1 月5 日截止。


2.2.2 泰国

      2019 年3 月,泰国能源部公布了其水上光伏电站建设列表,明确提出了将于2037 年前在9 座大坝建设16 座漂浮式水上光伏电站的计划,累计装机容量将超过2.7 GW。首个试点项目(Sirindhorn 大坝,45 MW) 已于2019 年10 月完成招投标,预计在2020 年实现商业化运行。


3 我国水上光伏产业的发展优势及建议


3.1 优势

      我国水上光伏产业起步较晚,首座水上光伏电站试验项目——湖北省枣阳市熊河水库项目( 装机容量为20 MW) 于2016 年才建成投产,但由于支持政策好、商业模式成熟,目前我国已成为全球水上光伏项目总装机容量第一的国家,同时也是大规模水上光伏电站的主要建设国。目前,我国水上光伏项目主要分布在沿海、沿江城市,其中,江苏省的建设项目数量最多,而天津市的并网容量最多。结合我国光伏产业的发展情况,我国水上光伏产业的发展具有以下优势。


3.1.1 商业化模式成熟

      我国充分利用沿海滩涂、采煤沉陷区等废弃土地,因地制宜地扩大水上光伏发电的应用,在追求光伏技术发展进步的同时,注重提升光伏发电的附加价值,发展了结合传统水产养殖的“渔光互补”等模式。上述模式除了因水面冷却作用、反光率高、灰尘少等因素对光伏发电本身的增益外,还推动了传统水产养殖的规模化、专业化、智能化发展,利用养殖场水上和水下资源进行发电与养殖一体化经营,形成了较好的商业模式。此类一地两用的商业模式既提高了水域的利用效率,又提高了单位面积水域的产值[5]。


3.1.2 项目经验丰富

      我国水上光伏产业链持续优化升级,成熟的应用案例和解决方案不断出现。如阳光电源股份有限公司等企业提出了“大型水面光伏电站智慧解决方案”理念,采用“水上光伏专用智能汇流箱+ 箱式逆变房”的模式,具有“入水不浸、无线通信、灵活接线”3 大特点,使发电量更高、更安全可靠,且投资更少。浙江正泰新能源开发有限公司等企业提出了“合筑锦绣光伏”理念,发展渔光互补电站,实现水下养殖、水上发电,还依托大数据云服务平台,全方位远程监控、专人管理,保障了系统的可靠运行。


      此外,随着挡浪墙、围堰施工等工程技术方案的改进和提升,我国水上光伏项目的开发经验已进入海域,已成功开展了如慈溪海涂项目等海上光伏项目,进一步拓展了水上光伏的开发应用领域。


3.1.3 价格优势明显

      根据IRENA 的数据显示,我国光伏发电的度电成本比全球光伏发电的平均度电成本低22.3%, 建设成本比全球平均建设成本低27.3%。可以看出,在光伏设备和开发应用方面,我国成本优势明显。此外,根据文献[1] 可知,虽然水上光伏电站的建设成本比地面光伏电站的约高5%~12%,但结合发电增益,水上光伏电站具备同地面光伏电站竞争的条件,并且我国建设水上光伏电站的经验丰富,价格优势将更为明显。


3.2 建议

      随着泰国、印度、巴西等国家的水上光伏建设规划不断涌现,面对400 GWp 的全球水上光伏发展潜力,我国建设水上光伏项目的企业应利用这一机遇,不断开辟新的发展空间。


      1) 针对已有发展规划的目标市场,加强市场交流,密切关注相关市场信息,积极参与项目投标建设,利用已中标项目创建具有中国品牌效应的示范工程。如泰国已规划了2.7 GW 的水上光伏项目,且项目选址也已确定。我国政府和企业可以有针对性的加强沟通,探寻合作机会,同时通过已中标的项目,如诗琳通大坝浮体光伏项目,深入分析对比各环节的成本和经验,形成标杆数据,以便推广示范。


      2) 针对已出台的政策及尚无发展规划的潜在光伏市场,重视市场培育。对于水资源丰富、土地资源紧张、电价机制完善、光伏支持政策好的国家和地区,可通过“规划联合研究、技术转移推广、商业模式宣介”等途径做好市场培育。如对于水域面积广、农渔业比重大的东南亚国家,可以通过开展能力建设培训、联合研究、技术路演等工作,在国际市场建立品牌美誉度与信任度,宣介我国企业在采煤沉陷区废弃土地治理、渔业光伏等领域积累的丰富经验和技术开发实力,推动我国光伏企业从制造优势向品牌优势转化,提高其国际影响力。在开展品牌建设的同时,培育当地市场对水上光伏的开发信心。


      3) 利用已有的国际多边、双边合作机制和平台,打造国家名片。充分利用政府间搭建的多边、双边合作平台,推动示范项目建设,打造中国“水上光伏”国家名片,不断扩大“水上光伏”的内涵和外延,通过政府牵头、项目带动,为光伏企业走出去提供良好的外部环境。


4 结论


      水上光伏是未来光伏产业新的发展方向,当前全球水上光伏产业正处于提速发展阶段,我国企业应积极把握产业合作新的机遇期,充分发挥技术与成本优势,深入参与全球市场竞争,展示我国成熟的项目开发与建设经验。同时,我国政府可加强相关政策引领和规划布局,通过政府间合作推进重点市场培育,为光伏企业走出去营造有利条件。


水电水利规划设计总院

张木梓,王艺澄

来源:《太阳能》杂志2020年第7期(总第315期)


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