筱豪新能源周程晟：双碳目标下预应力全柔性漂浮式海上光伏应用研究

1月10日，索比光伏网主办的第二届光能杯·创新分享会在苏州盛大召开。会上，众位大咖围绕新技术、新产品、新模式三大主题展开讨论，并对2024年年度创新产品作出表彰。

湖南筱豪新能源有限公司技术总监、南开大学海洋工程研究中心博士 周程晟表示，目前海上光伏案例形式有：桩基式、半潜式、漂浮式、预应力全柔性漂浮式。预应力全柔性漂浮式具备高性能与耐久性、轻量化与高强度、成本优化、环保与可持续性、智能化与自适应性几个优势。全柔性设计的挑战主要体现在结构的复杂性，以及材料性能要求较高，需要具有高弹性、耐腐蚀和长期耐久性的新型材料。此外，需要对柔性结构在长期海洋环境中的性能进行有效评估，进行复杂的模拟和实地测试。当前，湖南筱豪新能源是国内“光伏+水务”领域大规模应用预应力柔性索结构光伏支架系统的开拓和引领者，目前公司在水务系统领域投资、建设的光伏电站装机容量已突破100MW。

以下为嘉宾发言实录：

大家下午好。今天上午国家海洋中心发布了一个文件，限制海上资源的用海申报。但今天我讲海上光伏，我觉得这个契机比较好。因为在海上光伏发展两三年的过程中，发现了许许多多的问题。

这个研究不同于其他海上光伏的应用，海上光伏是需要提高门槛的，不是说什么样的结构形式都可以推向大海，所以国家今天就朝着这个方向颁发了用海申请限制暂停文件，所以今天这个题目还是比较契合的。

今天我主要从这八个方面给大家阐述预应力海上光伏的研究。

一、预应力研究背景

大家都知道，双碳目标下光伏发电正成为未来能源发展的组成部分。随着光伏装机迈向太瓦时代，“光伏+”应用场景不断拓展，已经从普通的地面走向更复杂的应用环境，例如环境恶劣的海洋、地势起伏的山地、沙漠、水位较深的鱼塘、地质条件较差的滩涂以及对原有功能保存较高的农光/畜牧、停车场/污水处理厂等。柔性光伏支架由于“大跨度、高净空”的特点，逐渐成为助力光伏实现全场景应用的一种选择。海上光伏作为新能源的重要组成部分，在利用海城空间、减少陆地资源占用等方面具有独特优势，正在逐渐成为光伏行业的新热点。

“双碳”目标是指中国提出的到2030年前实现碳排放达峰，到2060年实现碳中和的战略目标。在这样的宏观日标指导下，可再生能源的开发与应用成为了研究和工业界的热点之一，其中包括海上光伏发电系统。预应力全柔性漂浮式海上光伏是这一领域内的一个创新点，具有很大的发展潜力和应用价值。

二、预应力全柔性漂浮式海上光伏系统概述

预应力全柔性漂浮式海上光伏系统，是一种结合预应力技术和全柔性设计理念的新型海上光伏发电解决方案。该系统旨在解决传统硬质漂浮光伏系统面临的海洋环境挑战，如波浪、风力等对设施稳定性的影响，以及材料在恶劣海洋环境中的耐久性问题。右边这张图是我们设想的图。

预应力漂浮是海上光伏系统的组成部分。预应力全柔性漂浮式海上光伏系统主要由光伏板、预应力结构、漂浮基座、锚固系统以及电气设备和控制系统这六个方面组成。系统采用预应力技术，通过预先施加的张力来提高结构的整体稳定性，降低海上动态负荷的影响。全柔性设计指的是具有高度可塑性和适用性的材料和结构，使得整个系统更好地适应波浪和风力的动态变化。

预应力全柔性漂浮式海上光伏技术特点，主要有五个方面：

(1)预应力技术应用。通过预应力的施加，提高光伏结构的刚度，减少环境负荷引起的位移和形变，提升系统的稳定性和耐久性。

(2)全柔性设计。这种设计方式使得系统能够更好地吸收和分散海洋环境中的能量，减少结构疲劳，延长寿命。

(3)漂浮基座。通常采用的是高密度材料，保证光伏板高效运行所需要的浮力，并具有良好的波浪响应特征。

(4)锚固系统。能够保持系统的稳定，又能允许一定程度的自然运动，减少波浪和风的作用。

(5)适用性。系统设计需要考虑不同海域的特殊条件，如盐雾、湿度、温度变化，以及波浪高度和周期性。

三、预应力全柔性漂浮式海上光伏技术研究

首先了解一下它的应用原理。预应力技术在海上光伏中的应用，主要是为了提高漂浮平台的结构性、稳定性。通过平台结构施加预先设计的张力，预应力技术能够有效提高系统对环境负荷的抵抗力，减少波浪、风力等引起的结构变形和位移，它的技术点主要有三点：

一是预应力施加的计算与设计，确保足够的张力，以抵抗海域环境的动态负荷。

二是预应力组件的选择，包括钢绞线、锚具和张力设备，以及保证长期可靠性的性能。

三是张力调整策略，以维持长期稳定的预应力水平。

我们来聊一下全柔性设计的优势与挑战。

优势：

(1)适用性强：全柔性设计使得海上光伏平台能够适应复杂多变的海洋环境，减少硬性结构在动态负荷下的损伤。

(2)减少维护：柔性结构能够降低由于海浪、风等引起的疲劳损伤，从而降低维护工作量和成本。

(3)安装便捷：柔性结构通常重量轻，易于运输和安装，有助于降低项目的整体建设成本。

挑战：

(1)结构复杂性：设计一个能够在多变海况下保持稳定性和耐久性的全柔性系统，要求高水平工作的工程设计和材料科学。

(2)材料性能：需要具有高弹性、耐腐蚀和长期耐久的新型材料，这些材料的研发和测试是主要面临的挑战之一。

(3)性能评估：对于柔性结构长期在海洋中的性能进行有效评估，需要复杂的模拟和实地的测试。

接下来说一下漂浮基座与锚固系统的设计，这是预应力很重要的两点。

首先是漂浮基座设计：应考虑光伏板布置、浮力分布、波浪和风力作用。漂浮体的稳定性，包括抗翻转和抗侧移的能力。材料选择要考虑浮力、耐久性以及对海洋环境的抵抗力。

锚固系统设计：需要保证整个结构的稳定性，同时允许一定范围内的自然运动，锚固设计需要考虑海床条件、水流、波浪等因素，必须有足够强度和耐久性，同时还要考虑安装和维护的便捷性。

在材料选择和耐久性分析方面需要注意的是，必须具备良好的耐腐蚀性、抗海水、紫外线等环境因素，需要有高弹性和足够的抗拉强度，以适用预应力施加和海洋动态的负荷。考虑到环境保护的要求，材料选择应遵循可持续和环保的原则。后面会给大家讲为什么要遵循可持续和环保的原则，这也是今天这份文件颁发的主要原因。

耐久性分析：长期暴露在海洋环境中的材料性退化的研究，通过加速老化实验、海上实验等手段来评估材料的实际使用寿命。大家都知道，海上光伏其实发展不到两年，对于材料寿命的老化实验极缺标准。

结合设计模型技术，预测结构设计寿命的性能变化。

四、预应力全柔性漂浮式海上光伏环境适应性与效率研究

海洋环境因素的分析：

(1)波浪动力：波浪高，周期和方向都会影响漂浮光伏平台的稳定性，需要在设计时考虑到波浪对结构的冲击力和长期疲劳的效应。

(2)风载：风灾、风速和风向也是关键的参数，对光伏板的冷却有益，但强风可能对结构稳定性构成威胁。

(3)水流与流冰：海流和流冰可以对漂浮结构产生拖拽及挤压，影响其位置的确定性。

(4)盐雾与湿度：盐分和湿度可加速材料的腐蚀过程，影响电气连接和金属结构的耐久性。

(5)温度：温度的变化，会影响光伏板的效率和性能。

光伏效率与环境因素的关系：

(1)温度：光伏板的效率通常随着温度的升高而降低。海上光伏由于水体的冷却效应，可能会有比陆地更好的温度表现。

(2)光照强度：显而易见，光照强度直接影响到发电效率，海面反射可能会增加光照有效性，但同时也可能因为光照的角度以及气候条件而变化波动，因为水面是波动的，它的最佳倾角，以及倾角在计算的过程中是很难界定的，因为波浪是无方向的。

(3)腐蚀：海洋环境下金属腐蚀可能会导致光伏板支撑结构和电气连接的故障。

(4)污染：大家都知道海洋是敞开的，海鸟排泄物、盐分沉积等可能在光伏板表面形成污染层，影响光照的吸收。

我们做了一个动态响应与稳定性的研究。对于海上光伏系统的响应和稳定性的研究，主要包括三个方面：(1)结构动力的模拟：使用计算流体学等工具模拟漂浮结构在环境负载下的响应，以优化设计，保证其恶劣天气情况下结构的完整性和稳定性;(2)锚固设计：需要确保锚固系统能够抵抗运动动态和静态的负荷，防止漂浮浮体的漂移;(3)材料疲劳与寿命分析：长期受到波浪和风力、水流影响的结构，会经常有疲劳过程，需要进行疲劳预测和设计寿命的评估。(PPT图示)右边这张图就是通过分析材料的受力对锚固系统进行的设计。

五、光伏系统集成与优化

集成方案设计：

(1)技术兼容性：确保各个系统之间可以无缝连接以及技术参数的匹配。

(2)系统配置：根据能源需求和环境条件，优化光伏板的布局、转化器的选择、储能设备以及控制系统。

(3)多能互补：考虑到光伏系统与其他能源(如风力、波浪能、潮汐能)的结合，实现能源的多元化供应。

(4)能源管理：集成先进的能源管理系统，优化能源，有待分配与使用。

与其他可再生能源的互补性：

(1)风能：海上风机和漂浮可共享锚固设施，风力发电在夜间或多云的日子里可以持续发电，而光伏则在晴朗的白天发电，两者互补，可提高整体系统的发电稳定性。

(2)潮汐能与波浪能：这些能源具有预测性强的特点，可作为光伏发电的补充，特别是在光伏效率低下的时段。

(3)储能系统：电池储能和其他形式的储能，与液流电池、压缩空气储能等，可平衡光伏发电间歇性和其他可再生能源的波动。

(4)智能电网：与智能电网集成，可实现能源的优化分配，特别是在需求侧的管理和负载调节方面。

通过这些项目的实证及研究，我们提出了优化方法与策略。

(1)性能监测。实时监测系统性能，分析数据，优化运营策略。

(2)预测性维护。使用互联网技术、机器人学习模型，预测故障中的维护和需求。

(3)能源调度。动态能源生成与储存，依据天气预报和电网的需求来优化电力的输出。

(4)多目标优化。采用应用算法(如遗传法、粒子群优化等)，进行设计和操作参数的目标优化，以实现成本、效率和可靠性之间的最佳平衡。

(5)集成控制系统。开发集成控制系统，协调各个发电单元和储能设备，提升整体系统的运行效率。

六、案例研究与实证分析

目前海上光伏案例形式有：桩基式、半潜式、漂浮式、预应力全柔性漂浮式。

1.桩基式海上光伏是一种在水体表面安装光伏板的方式。首先，通过在海床打入桩基来固定光伏结构。桩基机组海上成本相对较高，不仅是水下作业，安装和维护比较昂贵。此外，特殊的材料和防腐会增加额外成本。其三，维护困难。期上环境恶劣，盐雾、湿气、风浪等因素都会对光伏设施造成损害，导致维护成本的上升。其四是物流的挑战，材料运输、设备安装都会遇到挑战。主要是第五点，水泥森林，(PPT图示)大家看这张图像不像森林一样?因为水泥的生产本身是能耗和碳排放较高的过程，大规模的水泥使用可能会与环保和可持续发展的目标相冲突。这也证明了海上光伏如果需要采用这种近海打桩的方式，是需要大家商榷的。

2.半潜式海上光伏是指光伏板安装在半潜式的平台上，这些平台可以漂浮于水面，部分结构潜入水下，因此降低海浪和风的影响，提高结构的稳定性。它的特点是造价高于其他的海上光伏，发电密度比较低，技术复杂。半潜式结构需要复杂的浮动和锚定系统来稳定，这些技术设计、实施及维护相对比较复杂，成本比较高，维护困难。盐雾、紫外线等因素，都会加速设备的老化，导致更高的维护成本。还有环境的影响，半潜式平台及其锚定系统，可能会对海洋生态系统进行干扰，影响鱼类的迁徙路线，破坏海底生态等。

3.漂浮式海上光伏是通过水面光伏平台上安装光伏板的一种方式。(PPT图示)这是前一个月下了一场大雪，漂浮式光伏电站承受不住雪的荷载，因为温度比较低，雪没有化掉。化了一半，之后继续结冰，导致它的重量远超设计荷载，使电站沉于冰下。这种结构如果应用于海上，是特别需要商榷的。

4.预应力全柔性漂浮式海上光伏具有高性能和耐久性，使用的材料能够更好地抵御海上环境的腐蚀。具有轻量化与高强度的特性，同时保持足够的结构强度和稳定性。其次是成本的优化，大大减少了刚性材料、漂浮基座。其三，环保与可持续性，材料制造商将更加注重使用可再生资源、低污染和易回收的原料，以降低对海洋环境的影响。其四，光伏组件的回收和可再生利用也成为研究的重点，以实现整个生命周期的环保和可持续性。其五，智能化与适用性，光伏组件可通过智能传感器实时监测环境变化并调整工作状态，以提高发电量。浮体系统可根据海况变化自动调整浮力和稳定性，以确保系统的安全运行。

七、海上光伏挑战与机遇

海上光伏投资成本高，初期投资成本高于陆地光伏系统，包括海上的结构、安装和维护成本。其次是技术难题，海上环境恶劣，系统需要抵御强风等自然因素，海上光伏系统的维护和运营比陆地光伏更为复杂和昂贵，特别是在恶劣的天气条件下，将电力有效从海上传输到陆地，减少容量损失，是海上光伏项目的另一个技术难点。

环境影响，评估最小化对海洋生态系统的影响，也是海上光伏需要面对的挑战。

(1)政策与市场机遇。

(2)技术进步，不断降低海上光伏的成本并提高竞争力。

(3)市场需求，全球对清洁能源需求不断增长，尤其是在空间受限的地区，海上光伏提供了一种可行的解决方案。

(4)国际合作。跨国合作项目和国际资金的流动，为海上光伏提供了机遇。上个月我去巴基斯坦，他们的项目是150MW的漂浮，资金来源是国际资金来源。

海上光伏的挑战与机遇：

(1)规模经济。随着技术的成熟和规模化的生产，海上光伏的成本预计会进一步下降，目前海上成本在6块钱左右。

(2)技术融合。海上光伏与风能等其他海上可再生能源的结合使用，可以提高能源输出的稳定性和经济性。

(3)智能化管理。利用物联网、大数据和人工智能系统的技术，优化光伏系统的性能和维护。

(4)环境友好设计。设计更加环境友好的海上光伏系统，减少对海洋生态的干扰。

(5)新材料的应用。研发和应用新材料，提高系统的耐久性和效率，便于采用更耐腐蚀性的材料和更高效益的光伏组件。

八、公司介绍

湖南筱豪新能源有限公司聚焦于“光伏+水务”投资、开发、建设与智能化运维的高新技术企业，是国内光伏领域大规模应用预应力柔性结构光伏支架系统的开拓者和引领者。同时，公司通过自主研发光伏组件智能清洗机器人，破解了索结构柔性支架光伏电站运维的难题，实现了柔性支架结构光伏电站的智能化运维。目前公司在水务系统领域投资、建设的光伏电站装机容量已突破100MW。我们研发的光伏柔性支架产品具有高净空、大跨距、低成本的三大优势，较好地解决了传统光伏支架占用土地多、复用难度大、工程造价高等痛点，更好地助力于土地综合复用，推动了农光、林光、渔光、牧光、海光等综合性光伏+项目的应用普及。我们追求卓越，不断进步，积极投身全球能源的转型浪潮。

这是我们公司在苏州白荡水质净化厂采用的柔性结构方式。

这是我们公司自主研发的，解决了柔性光伏清洗问题的难题。柔性光伏组件智能清洗机器人，是一种专门用于清洗柔性光伏支架的机器人。柔性支架光伏组件是一种较新型的太阳能组件，其特点轻薄灵活，可使用于各种复杂的表面形状及曲面结构。

(播放视频：柔性支架清洗机器人解决了高空或离地比较高的地方，无法人工去清洗，别的机器人也无法根据曲面、动荡面进行清洗的情况，我们研发了自动清洗、自动上水、自动到指定位置去清洗的一款柔性光伏支架专用智能清洗机器人。)

如果对这种柔性支架机器人比较感兴趣的，可以一起探讨，谢谢大家。