由于地面光伏电站的能量密度较低且占用的土地面积较大，随着光伏发电装机容量持续攀升，受土地资源有限的制约，地面光伏电站的发展将会越来越受到限制。
而我国的内陆水域面积较为宽广，约为1750万公顷(约为17.5万km2)，利用内陆水域如湖泊、水库等区域建设水上光伏电站，既不占用土地面积，同时又增加了光伏发电装机容量，是一种高效的光伏发电新形式。
水上光伏电站的站址选择和总平面布置对电站的经济效益具有决定性作用，是水上光伏电站设计中需重点研究的内容。
根据建设场地条件的不同，水上光伏电站可分为固定式水上光伏电站和漂浮式水上光伏电站2大类，下文将分别进行具体介绍。
固定式水上光伏电站与传统的地面光伏电站采用的安装方式相同，都是将光伏组件支撑在光伏支架上，而光伏支架固定在桩基上。
但固定式水上光伏电站与地面光伏电站的区别主要在于固定式水上光伏电站的桩基是布置在水中，增加了桩基成本及施工难度，但有利于光伏组件的清洗，并可以节约土地资源。
根据采用的桩基形式不同，固定式水上光伏电站可分为打桩式固定式水上光伏电站和架高式固定式水上光伏电站2种形式，具体如图1所示。
图1 不同形式的固定式水上光伏电站
固定式水上光伏电站具有施工简便、适用性广泛、成本较低、结构稳定性好、施工速度快等优势；且固定式水上光伏电站所在水域可兼做鱼塘，有助于提高项目的整体经济效益等。
但固定式水上光伏电站也存在船运维护困难、水深较大会导致电站的建设成本高等劣势。
通常，在最高洪水位时的水深小于5m的水域，且站址区域为稳沉区时，可考虑优先建设固定式水上光伏电站。
漂浮式水上光伏电站一般建设在水域深度较大的区域，利用浮体的浮力承受光伏组件及相关设备的重量，并由锚固系统对浮体进行固定。
根据浮体形式的不同，漂浮式水上光伏电站可分为浮管式(浮管+金属支架+光伏组件)漂浮式水上光伏电站和浮箱式(浮箱+光伏组件)漂浮式水上光伏电站2类，具体如图2所示。
图2 不同形式的漂浮式水上光伏电站
浮管式漂浮式水上光伏电站的优势在于光伏组件可以按最佳安装倾角进行布置，电站的整体发电量较大；但该形式的劣势是钢材及浮体的使用量都较大。
而浮箱式漂浮式水上光伏电站具有用钢量少、浮体的整体重量小，且安装、维护方便等优势；但该形式的劣势在于受浮体形状的限制，光伏组件的安装倾角一般不超过20°，无法达到最佳安装倾角，从而会影响电站整体的发电量。
因此，对于漂浮式水上光伏电站具体形式的选择，应根据项目的实际情况而定。
通常，对于最高洪水位时的水深大于5m且最低枯水位大于1m的非稳沉区水域，可建设漂浮式水上光伏电站。
水上光伏电站的设计资料和地面光伏电站的设计资料基本相同，仅在勘测资料方面有所差异。水上光伏电站的勘测资料包括：
地形图需要包含水面外形图、水底地形图、水面标高等；
水文资料或洪评报告中需要收集与站址相连的河道的水文资料，分析当地河流分布情况及历年洪水情况、站址处50年一遇最高洪(潮)水位、枯水期的最低水位、常年平均水位等水位变化情况等，并对站址区域的极端水位进行分析评估。
固定式水上光伏电站的布置范围一般为水面指定范围，多数情况下为项目确定的用地红线(即国土或规划部门对项目占地的批复范围)内的水面范围，基本不受水位的限制，只需满足洪(潮)水位要求即可。
漂浮式水上光伏电站的布置范围需要根据浮体厂家提出的浮体使用时的最小水深要求，并结合该类水上光伏电站所在区域的地形图和水文资料中枯水期最低水位，在用地范围内划定区域。
以江西省上饶市某漂浮式水上光伏电站为例，该漂浮式水上光伏电站建于湖上，其所在水域的湖底最低高程为12.91m，最低水位为15.34m，而浮体要求的最小水深为1m，因此，湖底高程大于等于15.34–1=14.34m的区域无法布置浮体，即无法布置光伏阵列，即湖底高程小于14.34m的区域为可布置光伏阵列的区域。
通过地形分析，以湖底高程在12.91～14.34m的区域作为可布置光伏阵列的区域，如图3所示，图中绿颜色填充的区域即为可布置光伏阵列的区域。
无论光伏组件是采用固定式光伏支架还是采用平单轴跟踪光伏支架，水上光伏电站的东西向和南北向光伏组件间距计算基本和地面光伏电站的计算相同，区别仅在于水上光伏电站的光伏组件间距计算时的基准面可按照水平面来考虑，不需要考虑坡度。
需要注意的是，计算得出不产生阴影遮挡的光伏组件间距后应提交给光伏组件的生产厂家进行复核，得到对方的确认后方可由设计人员进行后续设计。
漂浮式水上光伏电站除光伏组件、逆变器、箱式变压器等常规设备以外，主要由漂浮系统、锚固系统、敷设系统和接地系统组成，光伏组件安装在浮体上。除了保证常规的不产生阴影遮挡的东西向光伏组件间距外，浮体的总平面布置还需要注意以下因素。
光伏阵列的每块光伏组件、每台逆变器、每台汇流箱及电缆均应有专门的检修运维通道。
应确保极端天气条件下，浮体方阵间在发生最大位移时不会产生碰撞。
综合布置范围的情况，浮体方阵优先采用大方阵，局部使用小方阵，互为补充。
浮体位置允许随水位变化，但应防止其碰到岸边，因此需根据浮体离岸距离、水深等因素确定浮体采用的固定方式。浮体的锚固系统可分为配重锚固、专用锚锚固和桩锚固3种形式，浮体的总平面布置需要结合锚固系统的形式进行综合考虑。
浮体方阵的布置需要尽可能节省直流电缆，考虑到浮体由于温度产生的形变可自由释放，通过水动力计算确定浮体形变的最大尺度，并进行波浪力作用下浮体连接节点的疲劳分析。浮体厂家对浮体方阵的布置进行位移计算后，将浮体方阵(一整片浮体，不包含航道)布置好后直接提供给设计单位，然后再由设计单位向厂家提供遮挡及航道的相关要求。
水上光伏电站的总平面布置应兼顾航道的布置。航道是指供水上光伏电站的施工打桩船行驶和电站投产后检修船只进行检修时的通道，其布置要兼顾各光伏子阵中光伏组件的数量和电站施工、检修时的便利性。水上光伏电站的航道如图4所示。
光伏组件的维修和清洗是水上光伏电站应仔细考虑的问题，采用不同基础形式的固定式水上光伏电站的光伏组件维修与清洗方式大相径庭。
若采用高桩承台式基础形式，由于其自身包括了钢平台(或钢筋混凝土平台)可供工作人员通行，因此可通过其自身的平台实现光伏组件的维修与清洗；若采用单桩式基础形式(无平台)，则最好通过行船来完成光伏组件的维修与清洗。
因此在进行光伏子阵的布置时，应考虑行船所需的通道及行船掉头所需的空间。航道的宽度一般应大于等于10m，即可满足大部分施工和检修船型的要求。
光伏组件和航道布置完毕后，可进行光伏子阵(即发电单元)的划分。由于水域用地范围不规则，一般光伏子阵跨越航道的情况不可避免，如前文所述，光伏子阵跨越航道时会出现电缆影响船只通行、电缆工程量较大等问题。
此时若仅考虑每个光伏子阵的容量配比和电缆连接的要求而对光伏子阵进行划分，会导致划分好的光伏子阵未考虑到航道跨越的合理性，出现1个光伏子阵跨越3个甚至4个航道的情况。
此时应及时对光伏子阵的划分进行调整，对跨越航道较多的光伏子阵，应增补或删减光伏组件，从而尽量避免或减少光伏子阵跨越航道的情况出现。
箱式变压器平台在水上光伏电站中布置时应考虑以下因素：
原则上，箱式变压器平台的位置最好位于各个光伏子阵的中部或光伏子阵某一侧的中部，从而可以减少电缆长度。
箱式变压器平台应位于航道附近，一方面方便船只通行，另一方面可保证箱式变压器平台附近具有足够的水深，便于船只进行检修。箱式变压器平台附近需要预留独立的空间，但不可占用航道的宽度。
可将箱式变压器平台布置在2个光伏子阵之间，共用一条航道，有助于提高水面利用率，降低电站的建设成本。箱式变压器平台的布置位置示意图如图5所示。
箱式变压器平台上除了集中式箱式变压器，还有逆变器，因此应和水上光伏电站全站的集电线路规划进行统一考虑。箱式变压器平台的位置应尽量位于水上光伏电站出线方向的一侧，以减小出线线路的长度。
若漂浮式水上光伏电站的水面面积较大或电站位于塌陷区内，建议采用漂浮式箱式变压器平台。漂浮式箱式变压器平台分为2种，分别为钢结构浮箱式箱式变压器平台、预制混凝土漂浮式箱式变压器平台，具体如图6所示。
图6 不同形式的漂浮式箱式变压器平台
光伏阵列区的直流、交流电缆宜采用浮箱固定、设置桥架的方式。
高压交流电缆敷设优先采用水面漂浮敷设方式，其次选用水下敷设的方式；进行电缆敷设设计时应确保便于后期维护。
在水位变化较大或非稳沉区的水上光伏电站中，其电缆敷设及接地系统敷设需充分考虑水位的变化及光伏阵列的水平位移情况，电缆敷设可采用水面漂浮敷设方式，并设置冗余的“S”弯布置，如图7所示。
图7 采用水面漂浮敷设方式的电缆
应注意水域附近的线路杆塔对水上光伏电站中光伏组件产生的阴影遮挡影响，避免线路穿越光伏站区；若无法避免，应在线路两侧预留一定的宽度，以保证光伏组件不受阴影遮挡，并预留线路杆塔的检修通道。
若水上光伏电站站址内或站址周围存在坝体、高堤等设施，在布置光伏组件时应注意避让，光伏组件需要与坝顶、坝脚之间留出一定的安全距离，并需考虑坝体对光伏组件产生的阴影遮挡的影响。
漂浮式水上光伏电站若采用岸边锚固方式进行固定，光伏组件与坝顶、坝脚之间的安全距离应结合锚固长度进行综合考虑。
当水上光伏电站的光伏站区的征地范围位于水位线(指年平均水位覆盖的范围线)以外时，可参考地面光伏电站布置围栅，在光伏站区周围设置高度不低于1.8m的铁丝网围栅。
当光伏站区的征地范围位于水位线以内或水位变化幅度较大时，针对漂浮式水上光伏电站而言，若光伏站区的光伏组件距离岸边较远时，可不设置铁丝网围栅；若光伏组件距离岸边或人群聚集地(如村庄)较近时，可采用浮球、警示标，以及加装水网等形式对光伏站区进行围护。
针对固定式水上光伏电站而言，其围栅设计可采用支架管桩加装钢丝网围栅的形式，围栅的高度应大于所在水域的最高水位和最低水位差。
针对所有水上光伏电站而言，为了保证船只的航行要求，航道出入口处采用可拆卸的简易浮体进行围合。支架管桩加装钢丝网围栅的立面、平面示意图如图8所示。
与传统地面光伏电站的站址选择和总平面布置相比，由于水上光伏电站的光伏组件是布置在水域中，因此其在站址选择和总平面布置等方面有独特的设计特点。
目前很多水上光伏电站已建成投运，但仍有多项工程正在实施或开展前期工作，以期通过本文探讨的研究结果为业内相关人员提供参考借鉴。
来源：水上光伏电站站址选择及总平面布置设计要点探讨，石涛
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：水上光伏电站基本形式及其布置
