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CPIA:我国海上光伏发展现状及挑战

时间:2023-07-04

来源:中国光伏行业协会CPIA

导语:近年来,持续的高速增长使得陆上可再生能源利用空间已变得十分有限,陆上面积趋于饱和,过度过量开发也会造成土地占用、自然资源过度消耗和环境压力等问题。同时,近两年的生态红线问题也使得陆上电站开发存在诸多变数,众多电站开发企业便将目光转向了海洋清洁能源。

  一、海上光伏开发前景广阔

  海上光伏是一种全新的海洋能源利用和资源开发方式。海上环境不同于陆地,在同等光照条件下,海面开阔,无遮挡物,日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高,海上光伏电站发电量显著提升。我国海岸线绵长,近海海域辽阔,沿海地区太阳能资源丰富,日照时间较长,太阳能可被更充分的利用。有专家指出,我国大陆海岸线总长度超过1.8万公里,理论上可开发海上光伏项目的海洋面积能达到约71万平方公里,可安装海上光伏超百GW。大力发展海洋新能源将成为我国能源结构转型的重要战略支撑。同时,海上光伏的消纳市场也是经济体量大、发展速度快、用能需求高的东南部沿海地带,海上光伏项目的规模化开发或将为沿海地区的能源供给提供新的发展思路与路径。

  可以说,海上光伏既符合节能减排、能源机构转型的需求,又与海洋资源的合理开发利用理念相契合,并且资源储量和技术发展都使得海上光伏具备规模化开发的潜力,商业化前景广阔。海上光伏市场潜力巨大,有专家认为海上光伏市场是继地面电站、工商业分布式光伏电站及户用光伏电站之后的未来第四大光伏市场支柱。

  二、海上光伏开发现状

  (一)政策支持力度较大

  近两年,我国对于海洋能源发展十分重视,相关部委也表示海洋能源将在新型能源体系构建中扮演更加重要的角色,围绕海洋能源完善建立海洋产业体系,可以推动将新型能源体系有机整合到全产业链的转型中,培育经济发展新动能,服务经济社会可持续发展。2023年,自然资源部办公厅发布《关于推进海域立体设权工作的通知(征求意见稿)》,其中指出明确可以立体设权的用海类型海域是包括水面、水体、海床和底土在内的立体空间。在不影响国防安全、海上交通安全、工程安全及防灾减灾等前提下,鼓励对海上光伏、海上风电、跨海桥梁、养殖、温(冷)排水、浴场、游乐场、海底电缆管道、海底隧道、海底场馆等用海进行立体设权。

  对于我国东部沿海的山东省、河北省、浙江省、江苏省、广东省、福建省等分布式光伏大省而言,在非耕地空间充分开发以后,最大的潜力市场就是海上光伏市场,这几个省份也陆续出台了海上光伏的支持政策,涉及立体确权、发展规模及补贴方案等。2021年12月,山东省海洋局发布《关于推进光伏发电海域使用立体确权的指导意见(征求意见稿)》,文件中明确提出鼓励各市因地制宜探索利用已确权的养殖用海、盐田用海区域,科学布局光伏发电项目。2022年7月,山东省提出了《山东省海上光伏建设工程行动方案》,其中提到“十四五”期间共规划海上光伏容量4260万千瓦,其中漂浮式光伏容量接近3000万千瓦。2022年4月,山东省在《山东省2022年“稳中求进”高质量发展政策清单(第二批)》中明确提出,对2022-2025年建成并网的“十四五”漂浮式海上光伏项目,分别按照每千瓦1000元、800元、600元、400元的标准给予财政补贴,补贴规模分别不超过10万千瓦、20万千瓦、30万千瓦、40万千瓦。浙江省也在《关于促进浙江省新能源高质量发展的实施意见(修改稿)》中提出“鼓励利用围海养殖区、近海滩涂区、围而未填海域等海域空间建设滩涂光伏项目”。据不完全统计,近两年各省份出台的政策中,有6个省市的16条政策中均提到了海上光伏项目建设的促进办法与激励手段。

  (二)光伏+水面为海上光伏提供了一定技术基础

  近几年,水上光伏技术已在湖泊、水库等多种场景下应用,在发电量、安全性等方面得到了业界认可,随着我国光伏行业全产业链发展的不断成熟及完善,适用于海洋环境的光伏技术正在取得突破,海上光伏电站的建设已具备技术可行性。可以看出,我国目前已经具备海上光伏项目规模化发展的初步条件。

  (三)部分企业已开始针对性进行技术与产品储备

  在产品方面,已有多家企业针对海上光伏项目推出了海上用组件。2022年下半年,阿特斯就已完成固定桩基式海上光伏应用组件的开发,并已进入第二代海上光伏组件“漂浮式”应用产品的开发。2023年2月,晶科凭借强大的研发实力以及大量的实验验证,成功开发出全新适用于海洋环境的n型高效组件产品。为满足海上光伏场景的特殊要求,隆基专门开发了海上光伏产品方案,并已大规模投入商用,凭借其产品优异的可靠性,2023年5月隆基成为首批获得光伏组件差异化耐候性“国品优选”-深蓝海洋环境检测证书的企业。同月,华晟针对性研发并推出了喜马拉雅系列V-ocean海光组件以适配海上光伏电站,为海上光伏市场带来更高效、更可靠、更低碳的产品。

  (四)全球范围内已经有相关成功案例

  目前在全球范围内有60多个国家和地区正在积极推进漂浮式光伏电站发展进程,其中超过35个国家和地区拥有超过350个漂浮式光伏电站。有数据显示,截至2020年8月底,全球漂浮式光伏电站的累计装机量已达到2.6GW。未来随着近海浅水区域资源陆续开发完成,未来将有更多沿海城市加大对漂浮式海上光伏的支持力度。但目前我国已建成的海上光伏电站均为规模较小实证电站,尚无单体规模较大(超过10万kw)的集中式海上电站,已建成的多为滩涂光伏电站,并且国内已建成的成功应用案例大多为固定式桩式近海光伏项目。

  三、面临的挑战

  (一)海上环境对项目提出新的要求

  海上光伏项目面临着复杂恶劣的服役环境,例如南方海域的大风浪、台风,北方海域的海冰,高盐雾、高湿、温度变化频繁等都意味着海上光伏的前期工作相比地面电站更为严苛。与此同时,海上工况带来的建设、运维、设备机械链接稳定性、设备安全等挑战也不一而足。

  从设备技术角度来看,海洋风暴、海冰、鸟粪+其他生物附着、盐雾腐蚀等给组件带来了与陆地上完全不同的威胁。海上电站的防腐蚀要求高,边框和支架腐蚀主要受到海上微生物及强盐雾腐蚀,而常规金属边框不具备海上环境抗盐雾腐蚀能力。除边框、支架容易被海水腐蚀外,玻璃腐蚀也是影响组件安全性的关键原因之一。玻璃腐蚀主要是水汽侵蚀到玻璃基体使其水解,导致镀层剥落,影响组件发电及发电性能。另外,接线盒和连接器密封性不好也容易导致水汽进入其内部造成绝缘体失效及导体腐蚀后发热烧毁等问题。组件整体需要针对海上环境进行抗腐蚀性和密封性的改进。

  从电站设计和建设角度来看,海上光伏项目的设计方案受环境条件影响较大,如台风、海冰、潮汐等,并且工程地质条件与陆上相比更为复杂,光伏组件及逆变器设备选型需要综合考虑海洋环境、发电效率、施工难度、成本经济性等因素,此时使用高效组件可以减少用海面积,减少海上作业工作量。电站支架单元的设计需要综合考虑地址条件、桩型、支架、施工船只。海上光伏项目发电设计倾角受海域使用成本、支架成本、风荷载、施工工期等因素影响,应综合成本经济性等各项因素,确定最佳倾角。海上光伏项目工程建设条件较难,项目安全性要求更高,工程建设时也需要考虑到太阳能资源、气象水文条件、工程地质条件、景观设计和立体化开发等难点。同时,海上光伏的建设还需要关注到资源环境的影响,比如大面积覆盖海域对溶解氧、海洋植物光合作用、鸟类、渔业资源、电磁辐射等资源环境会产生一定影响。

  (二)海上项目成本仍未找到合理下降路径

  海上光伏项目建设过程中涉及的成本包含海域使用金、渔业养殖赔偿、桩基础费用等。目前我国的海上光伏项目建设仍处于初级阶段,建设成本依旧较高,很难从商业化角度看待海上光伏电站的建设成本。

  海上光伏电站目前主要分为桩基固定式和漂浮式两种,桩基固定式适合水位较浅、无场地沉陷等地质灾害、水位变化较小的场地,如滩涂、潮间带等水深小于五米的水域滩涂环境,也是目前主流的海上光伏项目设计方案。2022年,按照直流侧50万千瓦项目为例,陆上固定式电站与海上桩基固定式电站[1]的成本差距依旧较大,陆上集中地面电站的建设初始投资约4.13元/W,而海上桩基固定式电站初始投资则超过6元/W。导致海上光伏电站成本较高的因素很多,海上桩基固定式电站建设过程中,海底泥深,且为了避浪使得桩顶高程高,桩基长度达到20米以上,还需要配备海上升压站,同时送出线路涉及到海缆送出的征地、征海问题。海上施工的打桩、吊装、海缆铺设受到海上施工窗口期影响,后期海上运维如清洗、更换、巡视等难度也较大。以上原因都导致了海上光伏项目成本整体高于陆上地面电站。

  另一种建设方案为漂浮式海上光伏电站,适合深海区域,以浮体、锚固等取代地桩和支架,方案灵活度更高。通常情况下,漂浮式水面电站组件需要依靠浮体漂浮在水面上,在适应水位变化方面具有天然的优势。这种方式比较适合面积较大、水位较深等不适宜打桩作业的深水区域。但目前海上漂浮式电站建设还处于0到1的过程当中,无法从商业化角度看待其盈利能力。2022年,有企业在山东下水的海上漂浮式光伏实证项目发电成功,成为了全球首个深远海风光同场漂浮式光伏实证项目。

  (三)海上项目审批流程繁琐

  由于海上光伏项目的特殊性,项目开发影响因素众多。其开发时需要与能源局、海洋、国土及电网等相关部门进行统一的整体规划、统筹协调及审批。光伏项目的用海选址需要与国土空间规划、海洋生态红线、养殖、旅游等周边用海活动相符合,与航道等海上交通安全兼容,并且还要注意到项目对海洋生态环境敏感目标、环境敏感区、军用设施的影响,以及与其他行业性规划的衔接性。此外,海上光伏海上环境高湿度、高盐雾,滩涂土质松软,防腐蚀要求高,建设条件复杂,受到波、流、海水、潮汐等自然环境影响较大,也给海上光伏项目的选址增加了一定难度。

  光伏项目用海准备包含海洋环境调查、电缆管道铺设许可、工程可行性研究、用海申请、环境影响评价报告、电缆管道铺设施工许可等工作。当海上光伏项目拿到海域使用申请、海洋环境影响评价核准以及电缆管道许可后,方可进行下一步工作。并网电缆建设、岸上建筑用地(储能、升压站等)审批、电网消纳、配储等难题也都在制约着海上光伏的进展。

  另外,根据现行法律规定,项目用海、用地、施工等审批实行海上和陆上平行管理,需分别向海上与陆上主要部门办理相应的手续,这也增加了备案工作量。

  (四)参考标准及成功案例较少

  目前行业内关于海上光伏方面的标准仍较少,中国光伏行业协会曾经在2019年发布并实施了《水上光伏发电系统用浮体》《水上光伏发电系统设计规范》和《漂浮式光伏发电系统验收规范》等3项标准,2019年10月1日起正式实施了《水上光伏系统用浮体技术要求和测试方法》(NB/T10187—2019)。但海上环境与普通水上环境相差甚远,目前行业协会也正在编制《漂浮式水上光伏发电锚固系统设计规范》过程中。此外,由水电总院、西勘院、华勘院共同立项的国家标准有《海上光伏发电工程技术导则》《海上光伏发电工程可行性研究报告编制规程》《海上光伏发电工程规划报告编制规程》《海上光伏组件支承结构设计规范》《海上光伏电站工程勘察规范》《海上光伏发电工程勘测规范》《漂浮式光伏支撑系统技术规程》等。

  目前国际范围内的海上光伏电站仍处于示范或预商业化阶段,虽然已有多个国家开展了相关探索并针对性的进行了技术研发,但目前仍在突破瓶颈阶段。从我国角度来看,海上光伏产业正迎来跨越发展的关键期,但当前海上光伏产业还处于起步阶段,面临着无建设运营行业标准、无成熟可借鉴监管经验等实际困难。

  四、未来推进思路

  (一)加大研发力度,带动装备制造产业发展

  通过引进高端装备制造产业和配套企业、加大科技研发力度、设立相关奖项和奖金等激励制度针对性的进行技术研发,延伸到产业与市场上下游产业链,推动全产业协同发展,打造海上光伏制造产业集群,助推区域经济高质量发展。与其他海上建造行业借鉴施工经验,跨行业联动进行海上光伏施工用船等安装设备研发。

  (二)多角度、多维度尝试降低成本的手段

  海上光伏项目是光伏产业中的一个新兴分支,还处于发展的初级阶段,电站使用的各类产品及设备还未找到一种更优的适配手段以降低成本。未来是否可以通过使用更高效的组件、优化设计方案、本地化采购等方式降低建设成本值得探讨,此外,复合材料也或许是降低成本的一条有效途径。有专家认为,未来海上光伏电站将根据需求进行逐步调整,供应商的增多也会导致成本下降。据《海上漂浮式光伏系统兆瓦级海试方阵总体设计方案技术规格说明书》(一道新能,2022年)分析,随着海上漂浮式光伏技术的不断进步以及装机量增加带来的规模效应,相应电站的单瓦造价将会逐渐下降至合理范围。

  (三)完善顶层设计,各部门联手推进海上能源发展

  建议相关部门推出国家层面的海洋能源发展规划,鼓励海上能源综合发展,包括但不限于风电、光伏、储能、海洋牧场等形式,加强统筹协调推进工作。能源主管部门与海事部门、自然资源部门、电网公司等相关部门形成合力,共同研究制定海洋能源项目整体审批程序样板,指导开发企业整体推进。完善标准、认证体系建设,推动海上光伏产品等高质量发展。

  (四)鼓励示范项目建设,结合其他海洋能源共同策划

  建议有关部门在用海补偿金、立体化开发模式、电力接入、科技研发、装备制造等方面出台相关支持政策。加强科学规划指导,全盘考虑,整体布局,抢抓市场先机,争取多做一些我国乃至全球的海上光伏示范电站,并且将优秀案例整理后,总结成功经验,打造样板,在行业内进行分享与推介。

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