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《太陽能》《太陽能學報》

  創刊于1980年,

  中國科協主管

  中國可再生能源學會主辦

《太陽能》雜志社有限公司出版

《太陽能》雜志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  國內發行2-165  國外發行Q286

《太陽能學報》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  國內發行2-165  國外發行Q286

详细内容

全球水上光伏產業的發展現狀及市場前景分析

      隨著光伏產業的快速發展,其應用領域也越來越廣泛,水上光伏便是其中一種。由于既不占用土地資源,又具有高發電量和高附加值的優勢,水上光伏被喻為新能源利用方式中“加速向太陽能驅動未來過渡的最有效杠桿”。本文分析了全球及我國水上光伏產業的發展現狀,并對市場前景進行了分析。


1 水上光伏電站的背景介紹


1.1 概念及種類

      水上光伏電站是指在水塘、中小型天然湖泊、水庫、蓄水池,以及采煤塌陷區形成的湖泊等水面上建立的光伏電站。作為光伏發電的新型利用方式,根據其基礎類型不同,水上光伏電站主要分為樁基固定式和漂浮式2 類,具體如圖1 所示。


a. 樁基固定式

b. 漂浮式

圖1 水上光伏電站的2 種主要類型


      樁基固定式水上光伏電站的形式以“固定樁基+ 固定支架”為主,以“固定樁基+ 跟蹤支架”為輔;漂浮式水上光伏電站可分為浮管式和浮筒式2 種形式。然而,實際的水上光伏電站具體采用哪種類型通常是由水深決定的,淺水區,即水深≤3 m 時,可采用樁基固定式;深水區,即水深> 3 m,且徑流穩定、水位變化一般< 6 m 時,可采用漂浮式[1]。


1.2 效益及優勢

水上光伏電站的優勢主要體現在:

      1) 發電量高。一方面,因為水面較為開闊,可以避免陰影對光伏組件發電帶來的不利影響,而且對于雙面光伏組件而言,水面的反射率也遠大于地面和山地表面的反射率;另一方面,水面具有冷卻作用,能夠有效降低光伏組件的工作溫度,從而降低光伏發電系統的溫度損耗。通常水面上的光伏組件的工作溫度比地面上的約低5℃,因此,相比同條件下的地面光伏電站,水上光伏電站的發電量約高5%~7%[1]。


      2) 不占用土地資源。因為水上光伏電站建設在水面上,不占用土地資源,且對水的生態環境影響較小,規避了地面光伏電站的用地難題,是人口密集、土地資源有限但水資源豐富的國家和地區發展光伏項目的良好選擇。


      3) 易與其他產業相結合。水上光伏可充分發揮“光伏+”模式的優勢,將光伏電站與水產養殖等進行深度結合,增加商業效益。一方面,光伏組件的覆蓋可減少水的蒸發量,且遮擋掉的陽光可減少光合作用,對于藻類的繁殖起到一定的抑制作用[2];另一方面,光伏電站可為水產養殖時的輔助設備,如增氧機等提供電力,既減少了電網基礎設施建設的成本,又提高了水產養殖的產量,從而提升了整體商業模式的附加值。


1.3 面臨的問題與挑戰

      相較于地面光伏電站,水上光伏電站的現場環境通常具有高濕、鹽霧、陣風有浪的特點,無論是光伏組件、浮體架臺,還是電氣設備,都容易出現損壞的狀況。因此,水上光伏電站對設備的耐候性、可靠性提出了更高品質的要求。對于樁基固定式水上光伏電站的場地條件來說,水底最上層土質通常為淤泥層,地表穩定性差、承載能力弱,存在定位難、施工慢等問題,無法使用重型機械進行大體量施工;而對于漂浮式水上光伏電站來說,由于其潛水或船上作業較多,面臨施工安全性風險,而且,電站所使用的浮體材料也需要考慮環保和25 年使用壽命等要求。


      此外,雖然水面環境可以減少灰塵對組件的污染,方便清洗組件,且能有效防止人員及動物對組件的破壞,但水上光伏電站可能會導致垃圾淤積,且存在由于枯、豐水期,大風降溫等不確定因素所帶來的水面條件變化,從而會影響運維人員進入電站進行作業,增大了運維難度。


1.4 設備特點

      為適應水面環境,降低故障率,在設計和應用過程中,水上光伏電站所選的光伏組件需具備抗電勢誘發衰減(PID) 能力、抗鹽霧腐蝕能力和更低的濕氣透過率;浮體除了要求低密度、承載能力強、壽命長以外,還需具備抗紫外輻照、抗腐蝕、抗凍脹、抗風浪等能力;支架需要采用強度、防腐蝕材料;匯流箱、逆變器及變壓器等電氣設備應提高防塵、防水等級( 至少滿足IP65等級),具備抗腐蝕能力。


2 全球水上光伏產業的發展現狀及趨勢


      研究數據顯示,全球水上光伏的可利用面積約為40.45 萬 km2,按1% 的開發量計算,水上光伏開發潛力至少為400 GWp[3]。自2008 年全球首個商業化水上光伏項目在美國應用至今,水上光伏產業在全球的應用規模持續擴大,并自2017 年起進入指數級增長階段。截至2019 年5 月, 全球已建水上光伏項目為353 個,累計裝機容量為1.4 GWp[4]。目前已形成以亞洲地區為中心、以小規模( 小于2MWp) 和漂浮式水上光伏電站為主的市場格局,水上光伏產業未來將向規模擴大、成本降低、完善技術等方向發展。


2.1 發展現狀分析

2.1.1 全球水上光伏產業已進入快速發展期

      全球水上光伏產業的發展大致可分為3 個階段。第1 階段是2007~2013 年,為緩慢增長階段,7 年間的累計裝機容量為4.8 MW;第2 階段是2014~2016 年,為發展提速階段,在大中型水上光伏設施和新興市場的帶動下,水上光伏的裝機量開始出現明顯增長;第3 階段是自2017 年起進入快速發展階段,全球水上光伏的累計裝機容量呈指數級增長,尤其是2017 和2018 年,年新增裝機容量分別達到了362 和771 MW,實現了跨越式發展。具體如圖2 所示。



      據伍德麥肯茲電力與可再生能源部預測,2019~2024 年全球水上光伏的需求量預計將以年均22% 的速度增長,到2022 年,其新增裝機容量將占全球所有光伏新增裝機容量的2%。由此可見,全球水上光伏產業已進入快速發展期。2.1.2 亞洲地區是水上光伏產業的主要市場2007 年,日本建立了首個試驗性水上光伏項目,其后法國、意大利、韓國、西班牙、美國等國家也開展了用于研發和示范的小規模項目。自2017 年以來,亞洲地區已成為全球水上光伏產業的主要市場。從截至2019 年5 月的累計裝機容量來看,亞洲地區貢獻了約96%的裝機容量;其中,中國以956 MWp 的累計裝機容量位居全球第一,占全球累計裝機容量的68%,而日本、韓國、中國臺北分別占18%、6%、3%。圖3 為截至2019 年5 月全球水上光伏的累計裝機容量的分布情況。



2.1.3 小規模應用是目前水上光伏項目的主要形式

      受水體面積、項目成本等因素的限制,當前水上光伏項目的形式主要為小規模應用。據截至2019 年5 月全球水上光伏項目規模的統計顯示,規模小于2 MWp 的水上光伏項目為249 個,約占全球水上光伏項目總項目數的71%,具體如圖4 所示。但隨著水上光伏產業發展需求的快速擴大,大規模水上光伏電站的建設已逐漸成為發展趨勢。



2.1.4 建設成本不斷下降

      根據世界銀行統計的水上光伏項目信息[3],2014~2018 年間,全球水上光伏電站的建設成本在0.92~3.12 美元/Wp 之間,但具體的建設成本取決于電站規模、所在位置及其水體環境,如圖5 所示。圖5 中,綠色柱狀為項目的實際建設成本,藍色柱狀為項目的競拍價格。其中,2018年印度的水上光伏項目的最低競拍價格可達0.83美元/Wp,這為進一步降低項目建設成本提出了更高的要求。此外,新加坡太陽能研究所認為,近年來亞洲地區水上光伏項目的浮體設備成本下降顯著[4]。與此同時,規模較大( 約50 MW) 的水上光伏電站的度電成本與相同規模的面電站的相差不大。



2.2 市場前景

      在財政激勵政策方面,在中國和中國臺北地區,水上光伏電站的上網電價補貼高于地面光伏電站;在美國馬薩諸塞州,水上光伏電站除可享受可再生能源補償費率外,還享有額外補償。此外,中國、中國臺北、印度馬哈拉施特拉邦等國家和地區對水上光伏項目設置了專門的招標流程[3]。目前,全球已有30 多個國家和地區有水上光伏電站待建計劃,包括阿爾巴尼亞、孟加拉、比利時、巴西、印度和泰國等,全球已規劃的水上光伏電站的總裝機容量超過了10 GW。具體如圖6 所示(2019 年6 月數據) [3]。



      在有待建水上光伏電站的國家中,印度和泰國的發展目標明確、規劃規模較大,下文對這2個國家進行具體分析。


2.2.1 印度

      印度制定了2022 年太陽能發電能力達100GW的雄偉目標,但同時受限于昂貴的土地成本,因此,其將水上光伏作為實現太陽能發電目標的主要途徑。印度政府建立的旨在推動太陽能發展應用的太陽能公司SECI 于2017 年發布了在印度修建10 GW 水上光伏電站的意向書(EOI),該意向書計劃在3 年內采用“建設- 擁有- 經營(Building-Owning-Operation,BOO)”模式,分期開發這一10 GW 的水上光伏項目。根據EOI的條款,SECI 公司會收集此類電站的可行性信息和潛在開發商信息,用于制定不同裝機容量的招標方案。SECI 公司還會和國家機構合作,根據水體和水庫的性質確定水上光伏電站的類型。EOI 已于2018 年1 月5 日截止。


2.2.2 泰國

      2019 年3 月,泰國能源部公布了其水上光伏電站建設列表,明確提出了將于2037 年前在9 座大壩建設16 座漂浮式水上光伏電站的計劃,累計裝機容量將超過2.7 GW。首個試點項目(Sirindhorn 大壩,45 MW) 已于2019 年10 月完成招投標,預計在2020 年實現商業化運行。


3 我國水上光伏產業的發展優勢及建議


3.1 優勢

      我國水上光伏產業起步較晚,首座水上光伏電站試驗項目——湖北省棗陽市熊河水庫項目( 裝機容量為20 MW) 于2016 年才建成投產,但由于支持政策好、商業模式成熟,目前我國已成為全球水上光伏項目總裝機容量第一的國家,同時也是大規模水上光伏電站的主要建設國。目前,我國水上光伏項目主要分布在沿海、沿江城市,其中,江蘇省的建設項目數量最多,而天津市的并網容量最多。結合我國光伏產業的發展情況,我國水上光伏產業的發展具有以下優勢。


3.1.1 商業化模式成熟

      我國充分利用沿海灘涂、采煤沉陷區等廢棄土地,因地制宜地擴大水上光伏發電的應用,在追求光伏技術發展進步的同時,注重提升光伏發電的附加價值,發展了結合傳統水產養殖的“漁光互補”等模式。上述模式除了因水面冷卻作用、反光率高、灰塵少等因素對光伏發電本身的增益外,還推動了傳統水產養殖的規;、專業化、智能化發展,利用養殖場水上和水下資源進行發電與養殖一體化經營,形成了較好的商業模式。此類一地兩用的商業模式既提高了水域的利用效率,又提高了單位面積水域的產值[5]。


3.1.2 項目經驗豐富

      我國水上光伏產業鏈持續優化升級,成熟的應用案例和解決方案不斷出現。如陽光電源股份有限公司等企業提出了“大型水面光伏電站智慧解決方案”理念,采用“水上光伏專用智能匯流箱+ 箱式逆變房”的模式,具有“入水不浸、無線通信、靈活接線”3 大特點,使發電量更高、更安全可靠,且投資更少。浙江正泰新能源開發有限公司等企業提出了“合筑錦繡光伏”理念,發展漁光互補電站,實現水下養殖、水上發電,還依托大數據云服務平臺,全方位遠程監控、專人管理,保障了系統的可靠運行。


      此外,隨著擋浪墻、圍堰施工等工程技術方案的改進和提升,我國水上光伏項目的開發經驗已進入海域,已成功開展了如慈溪海涂項目等海上光伏項目,進一步拓展了水上光伏的開發應用領域。


3.1.3 價格優勢明顯

      根據IRENA 的數據顯示,我國光伏發電的度電成本比全球光伏發電的平均度電成本低22.3%, 建設成本比全球平均建設成本低27.3%?梢钥闯,在光伏設備和開發應用方面,我國成本優勢明顯。此外,根據文獻[1] 可知,雖然水上光伏電站的建設成本比地面光伏電站的約高5%~12%,但結合發電增益,水上光伏電站具備同地面光伏電站競爭的條件,并且我國建設水上光伏電站的經驗豐富,價格優勢將更為明顯。


3.2 建議

      隨著泰國、印度、巴西等國家的水上光伏建設規劃不斷涌現,面對400 GWp 的全球水上光伏發展潛力,我國建設水上光伏項目的企業應利用這一機遇,不斷開辟新的發展空間。


      1) 針對已有發展規劃的目標市場,加強市場交流,密切關注相關市場信息,積極參與項目投標建設,利用已中標項目創建具有中國品牌效應的示范工程。如泰國已規劃了2.7 GW 的水上光伏項目,且項目選址也已確定。我國政府和企業可以有針對性的加強溝通,探尋合作機會,同時通過已中標的項目,如詩琳通大壩浮體光伏項目,深入分析對比各環節的成本和經驗,形成標桿數據,以便推廣示范。


      2) 針對已出臺的政策及尚無發展規劃的潛在光伏市場,重視市場培育。對于水資源豐富、土地資源緊張、電價機制完善、光伏支持政策好的國家和地區,可通過“規劃聯合研究、技術轉移推廣、商業模式宣介”等途徑做好市場培育。如對于水域面積廣、農漁業比重大的東南亞國家,可以通過開展能力建設培訓、聯合研究、技術路演等工作,在國際市場建立品牌美譽度與信任度,宣介我國企業在采煤沉陷區廢棄土地治理、漁業光伏等領域積累的豐富經驗和技術開發實力,推動我國光伏企業從制造優勢向品牌優勢轉化,提高其國際影響力。在開展品牌建設的同時,培育當地市場對水上光伏的開發信心。


      3) 利用已有的國際多邊、雙邊合作機制和平臺,打造國家名片。充分利用政府間搭建的多邊、雙邊合作平臺,推動示范項目建設,打造中國“水上光伏”國家名片,不斷擴大“水上光伏”的內涵和外延,通過政府牽頭、項目帶動,為光伏企業走出去提供良好的外部環境。


4 結論


      水上光伏是未來光伏產業新的發展方向,當前全球水上光伏產業正處于提速發展階段,我國企業應積極把握產業合作新的機遇期,充分發揮技術與成本優勢,深入參與全球市場競爭,展示我國成熟的項目開發與建設經驗。同時,我國政府可加強相關政策引領和規劃布局,通過政府間合作推進重點市場培育,為光伏企業走出去營造有利條件。


水電水利規劃設計總院

張木梓,王藝澄

來源:《太陽能》雜志2020年第7期(總第315期)


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