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发布：2025-07-04 · 事件：2025-07-04

点击上方蓝字关注我们 （文章全文由本期专家本人提供并同意公布，其余机构或个人未经允许请勿转载） 迈向深远海——海上光伏设计、建造 与运维关键技术研究综述 01· 绪论 在全球能源转型与“双碳”目标的共同驱动下，可再生能源已成为全球能源领域的核心发展方向。太阳能作为清洁低碳的可再生能源，虽已实现全球范围内的大规模应用，但陆上光伏面临土地资源紧张、遮蔽效应影响发电效率等突出瓶颈。海上光伏凭借不占用土地资源、利用水体冷却提升发电效率、可开发水域广阔等独特优势，具有巨大的市场潜力与发展空间。

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点击上方蓝字关注我们 （文章全文由本期专家本人提供并同意公布，其余机构或个人未经允许请勿转载） 迈向深远海——海上光伏设计、建造 与运维关键技术研究综述 01· 绪论 在全球能源转型与“双碳”目标的共同驱动下，可再生能源已成为全球能源领域的核心发展方向。太阳能作为清洁低碳的可再生能源，虽已实现全球范围内的大规模应用，但陆上光伏面临土地资源紧张、遮蔽效应影响发电效率等突出瓶颈。海上光伏凭借不占用土地资源、利用水体冷却提升发电效率、可开发水域广阔等独特优势，具有巨大的市场潜力与发展空间。 02· 全球与中国发展现状 2.1  我国海上光伏发展现状 截至 2025 年，我国海上光伏已从示范验证阶段加速迈向大规模商业化示范阶段，累计装机规模以百兆瓦至吉瓦级项目为主，单体项目容量与建设速度均位居全球领先地位。山东东营垦利 1GW 海上光伏项目的建成并网成为重要里程碑，年发电量约 17.8 亿千瓦时。同时，我国浮式光伏也开启了科研示范时代，以天津理工大学、天津大学、浙江大学、中国海洋大学等高校为代表的科研力量，以国家电投、华能清能院、中集来福士、阳光水面光伏等为代表的工程实践主体，近三年在国内开展了大量的工程示范和技术验证工作。 我国海上光伏的快速发展离不开强有力的政策引领、完备的产业链支撑及丰富的工程实践积累。 2022 年是海上光伏发展的元年，我国单次招标容量超过 1000 万千瓦，各沿海省份积极加入海上光伏开发行列。 2024 年为了进一步控制有步骤合理开发，我国明确了海上光伏用海主要支持四类用海方式，为项目合规发展提供了清晰指引。在产业层面，我国已形成从核心设备制造到工程建设、运维服务的完整产业链，为项目规模化推进提供了坚实保障。 2.2   国外海上光伏发展现状 国外海上光伏虽然起步较早，但整体仍处于从示范验证向早期商业化转型的初期阶段。与我国以固定桩基式平台为主的发展路径不同，国外主要试点项目以浮式海上光伏为主，适配水深较大、高海况、强风暴等海洋环境，聚焦深远海资源的开发利用。 以荷兰、挪威、比利时为代表的欧洲国家处于领先地位。荷兰 Oceans of Energy 公司自 2019 年在北海开展实证项目，系统可抵御 13 米波高及强风暴。挪威 Moss Maritime 与 Solar Duck 机构合作开发的模块化浮式平台， 2024 年完成 0.5 MW 安装，计划 2026 年扩展至 5MW 。比利时相关机构参与欧盟 SCORES 项目，已搭建 2.6 MW 系统用于长期测试。 03· 不同分类的技术进展 3.1  固定式海上光伏 （ 1 ）固定式桩基技术 当前主流桩基类型包括预应力混凝土管桩（ PHC 桩）与钢管桩。 PHC 桩凭借抗压抗拉强度高、成本低及施工快等优势，广泛应用于浅海区域。钢管桩则以卓越的抗弯抗剪性能适配复杂地质，通过分区防腐技术保障长期服役稳定性[1] 。 （ 2 ）支撑结构技术 支撑系统已形成多方案适配体系，可根据水深、地质及海况条件实现精准选型。例如， PHC 桩 + 钢支架方案适用于水深 0~5 m 无海冰海域，具有用钢量少、经济性优的特点。 PHC 桩 + 纵钢桁架方案适用于水深 0~8 m 、可能存在海冰的近海滩涂区域，通过大跨距设计减少用桩数量，提升抗风能力。钢管桩 + 网架平台方案则面向水深 ≥8m 的复杂海域，凭借整体安装优势保证结构稳定性。 3.2  漂浮式海上光伏 （ 1 ）浮体平台技术 浮体平台是浮式光伏系统的基础，为光伏组件、电气设备等提供浮力支撑，需具备抵抗风、浪、流等海洋环境载荷的能力。根据与海面的接触特性，浮体平台可分为零气隙型和非零气隙型两类。 零气隙型浮体平台 与水面紧贴，随入射波移动、弯曲，具有节省材料、造价相对较低、光伏组件水冷效果好、易于扩展等优势，但对光伏组件安全特性要求高、运维难度大。 挪威 Ocean Sun 公司 的薄膜式光伏平台，采用环形浮力系统支撑柔性薄膜，光伏组件直接集成于内膜表面，已在菲律宾、阿尔巴尼亚、中国等多地开展示范应用。 国内近年来零气隙型浮体平台的技术路线更加新颖与独特，天津理工大学研发了新型气膜浮式光伏，并在天津开展了技术实证，在应用具有成本与性能优势的薄膜材料基础上大幅增加了浮力储备，提高了浮体平台的安全性。浙江大学、交通部水运科学研究院等开展了柔性光伏连接实证，光伏组件通过柔性连接直接铺设于海面上，实现以柔克刚的抗浪效果。 非零气隙型浮体平 台 将光伏组件抬高至水面以上，防止甲板上浪，具有安全性较高、承载能力强等特点，但造价偏高、不易大面积扩展。典型案例有荷兰 Solar Duck 公司的 King Eider 平台，采用立柱式结构设计，抗浪指标可达 14 m 。 德国 SINNPower 开发的多功能浮体平台 ，采用模块化桁架式钢结构，该结构型式面临的核心问题是在开敞海域运行的安全性和大面积扩展导致的造价骤升。 近年来，国内多数光伏浮体也采用了半潜式结构方案。中集来福士研发的半潜式海上漂浮式光伏平台总装机量达 400 kW 。国家能源集团、华能集团、国电投山东院、中电建华东院等单位均已研发多种型式浮式平台，并开展相关海测试验，其中华能清能院的“黄海 1 号”具有典型代表性，标志着我国半潜式浮式光伏技术正加速向深远海迈进。但业界也普遍认为，如果能够突破传统海洋工程“半潜式”技术路线，有望更快推动技术成熟。为此，以天津理工大学、天津大学为代表的科研团队，联合国家电投等企业，研发并推出“水面式”浮体平台，为科技创新提供了有力支撑和推动作用。 （ 2 ）系泊与锚固技术 根据光伏产业从陆地走到海洋、由近岸迈向深远海的发展路径，当前海上浮式光伏系泊研究主要围绕解决适应大潮差、浅水系泊等关键问题。针对极浅水、大潮差海域，通过调整系泊半径、系泊预张力等关键参数，使系泊系统性能得到改善[5] 。由于目标浮体结构材料一般为轻质材料，所以降低系泊对结构的作用力也尤为关键。张紧式系泊型式可有效降低系泊缆和连接缆的张力，但对施工要求较高[4]。当浮体遭受较大海洋环境载荷时，系泊系统为实现限位将承受较高张力。因此，一些学者致力于优化结构水动力性能以实现系泊性能提升[7]。在锚固技术方面，针对不同海床地质条件，重力锚、桩锚、吸力锚等锚固形式已得到应用，通过合理选型与优化设计，可有效保障系泊系统的整体稳定性与长期服役可靠性。 04·海上光伏发电的海洋性适应性改造 4.1   逆变器与电气系统技术改进 海上漂浮式光伏将逆变器从通用电力电子设备提升至海工环境的关键装备。盐雾湿热与凝露会加速腐蚀与绝缘退化，浮体运动放大了电缆与连接点的机电耦合应力，有限的运维窗口将显著提高停机与误动作的代价。 海上逆变器适配从提高外壳防护等级扩展为整机耐盐雾与薄弱环节治理，具备 IP66 与 C5 级抗盐雾能力，用于高湿重盐雾环境下稳定运行。为解决散热与温升可控技术难题，可通过强化热路径与热扩散结构、引入环境自适应降额与热保护恢复逻辑，实现温升可控。电气系统并网安全与防护技术需全面升级，包括配置专用浪涌保护器，采用电弧抑制技术，强化过流、过压、欠压、过热与孤岛效应防护，从而有效抵御海上雷电冲击和电压波动，避免设备损坏与电网冲击。 海上逆变器的主要关键技术进展主要包括以下四个方面： （ 1 ）环境适应性与防护体系 截至 2025 年，海上逆变器的适配工作已从提高外壳防护等级，扩展至整机耐盐雾与薄弱环节治理，薄弱环节主要集中在端子与接插件接触劣化、紧固件与异种金属电偶腐蚀、风道与散热器盐雾沉积、 PCB 与器件引脚腐蚀等。工程上的共识是外部防护与内部防护并重，关键区域涂覆或灌封、密封设计、排水与凝露路径管理、耐腐蚀材料与工艺形成闭环，同时确保可检查与可更换。 （ 2 ）高防护条件下的散热与温升可控 海上逆变器面临的典型问题是防护越强，密封越严，换热越受限，温升与热循环加速功率器件与关键无源器件老化。常见的解决方案是强化热路径与热扩散结构，降低对洁净风道的依赖，并将过滤与盐雾沉积风险纳入运维计划。另一类做法是引入环境自适应降额与热保护恢复逻辑，将极端工况下的热风险从不可逆损伤转为可控退让。通过关键温度点与散热健康状态的监测，减少热失控到停机的黑箱区间，提升故障定位与备件决策效率，最终提高可用率与停机恢复能力。 （ 3 ）直流侧安全与绝缘健康 在盐雾湿热条件下，绝缘劣化与漏电风险更容易呈现为渐进劣化与间歇异常，连接接触劣化也会放大直流拉弧风险。若停机后仍难定位根因，海上修复成本会快速上升。因此，直流侧治理正在从保护动作转向早期诊断与可处置闭环，重点包括误报率控制、定位粒度、分区隔离与可复位策略的协同。 （ 4 ）并网友好与运维数字化 在海上场景中，通信链路不稳定且并网边界复杂，逆变器控制目标从达标扩展为高可用率保障。需要稳定的有功无功调节和电压支撑能力，同时减少误保护、误限发与复位失败造成的长时间停机。控制策略通过与系统分区、保护配合、故障隔离边界一体化设计，使故障影响范围可控，恢复路径明确，从而高效利用有限的运维窗口。在系统化框架方面， DNV 发布的 DNV-RP-0584 覆盖全生命周期，支持从设计到退役的系统工程要求，为浮式光伏电气系统与运维闭环的工程化提供框架。截至 2025 年，海上逆变器与电气系统技术重心从通用机型指标竞争转向耐盐雾湿热与凝露条件下的高可用率设计，注重防护、散热协同、直流风险治理、故障定位与快速恢复、远程监测和运维闭环。全海水环境工业运行示范将推动技术从示范到可复制，未来的竞争优势将体现在可靠性设计与运维组织能力上。 4.2    电力传输技术改进 在强海况下，动态电缆与运动适配技术从可选项转变为设计约束，形成浮式海上能源动态电缆设计与风险防控方法，结合动态电缆与疲劳寿命设计，满足不同海况需求。创新汇集与送出架构的分区隔离设计可降低单点故障的影响，确保故障定位与修复的可行性，并在方案设计阶段兼顾考虑可维护性与运维可达性。通过 “ 光电融合 ” 的立体感知系统，海缆内置光纤可实时监测温度、振动等参数，结合人工智能算法实现预测性维护。 电力传输方面的关键技术进展主要包括以下四个方面： （ 1 ）汇集与送出架构的分区隔离 海上运维窗口短，使故障影响范围可控、隔离边界清晰、恢复路径明确比理论损耗最小更具系统价值。工程上因此更强调分区汇集与保护配合，通过分区隔离降低单点故障对全场的拖累，并为定位与修复提供结构化边界。 DNV-RP-0584 强调全生命周期系统化设计，支持把可维护边界与运维可达性前置到方案阶段。 （ 2 ）海缆系统全寿命治理 截至 2025 年，海缆工程的关注点从材料与载流扩展为全寿命治理，路由与登陆段风险、接头与终端工艺、在役监测与故障定位、修复预案与备件组织需要成套考虑。 （ 3 ）更强海况下的动态电缆与运动适配 当海上光伏走向更开阔水域、更强海况或平台更集中形态时，电缆系统将面临动态弯曲、张力与疲劳问题，动态电缆与运动适配将从可选项上升为约束项。世界海上风电论坛 WFO 发布的动态电缆白皮书系统梳理了浮式海上能源动态电缆的设计与风险关注点[16] ，可为海上光伏后续外海化提供方法参考。 （ 4 ）远距离外送背景下的交流与直流并行评估 随着规模与送出距离增加，系统可能面临无功需求、损耗与电压控制等约束，推动交流与直流方案并行评估。海上光伏是否采用类似路径，取决于规模、距离、海缆能力、系统复杂度与全寿命成本。 05·运维与安全技术进展 海上光伏正从示范迈向规模化应用，运维已成为产业发展的关键制约。与陆地光伏相比，其安装环境复杂、设备分散、运维成本高、安全风险大，传统人工巡检模式已难以适配。截至2025年，随着监测技术升级与数据驱动方法落地，海上光伏运维已从“故障后处置”，转型为基于实时状态感知与数据分析的预防性维护，有效实现运维决策优化与主动干预，大幅提升系统运行可靠性与效率。 5.1  多源感知与状态监测体系 设备运行状态全面感知是海上光伏运维的基础，但海上强风浪、盐雾腐蚀、结构耦合运动等因素，易导致监测设备漂移、失效、数据缺失，增加状态评估不确定性，单一传感器监测模式已无法满足工程需求。 针对传感器易腐蚀、失效频发的问题，研究形成“数据驱动补偿+非接触感知”的技术路径。一方面，通过数据修复与时序预测模型重构受损、缺失数据，保障传感器异常时的数据连续性，奥斯陆城市大学研究证实，数据修复结合LSTM模型对孤立缺失数据的恢复精度达95%~100% [1 8] 。另一方面，非接触式监测成为重要补充，依托视觉感知与深度学习实现结构运动远程识别，减少现场传感器布设维护成本，天津理工大学已在实验中验证其可行性[19]。目前，监测体系正从“传感器依赖”向“数据与感知融合”演进。 5.2  数字孪生与预测性运维技术 监测数据的丰富推动数字孪生与数据驱动方法成为运维效率提升的关键方向，但截至2025年，海上光伏数字孪生仍处于概念探索阶段，缺乏成熟工程应用。核心瓶颈在于海上环境复杂，系统建模难度大，且对多源异构数据的连续获取与高精度融合要求极高。 随着监测数据质量与规模提升，机器学习逐步融入运维体系，推动维护策略从经验驱动的周期性检修，转向数据驱动的按需维护。相关研究聚焦复杂海况下的时序预测与故障识别：江苏科技大学研究表明，CNN-Bi-LSTM模型可精准刻画系泊张力动态特征，在波浪作用下具备良好预测鲁棒性[20]；天津大学提出考虑波浪干扰的故障诊断模型，在保证高精度的同时大幅降低诊断延迟[21]。预测与诊断技术正从单一算法应用，向复杂环境鲁棒建模方向发展。 5.3 无人化巡检与运维装备 针对海上作业风险高、环境复杂问题，无人化运维技术快速发展，形成无人机、无人船、水下机器人立体化巡检体系：无人机负责组件缺陷与热斑检测，无人船执行阵列巡检与数据采集，水下机器人专注系泊系统及水下结构检测，大幅降低人员作业风险，提升巡检效率与覆盖范围。 国内相关探索持续推进：中国电建西北勘测设计研究院提出多功能红眼机器人思路，打造海陆空一体化运维能力[22]；哈尔滨工程大学提出改进遗传算法的热斑巡检路径规划方法，陆上测试显示，其对子区域最佳遍历顺序的求解收敛速度提升约40%，最优距离缩短约15%[23]。目前，国内在“无人机+智能识别”领域形成初步应用，国外则聚焦多装备协同运维，无人化已成为核心发展方向。 5.4 数字化运维平台与安全保障技术 随着海上光伏运维向智能化与集约化发展，数字化运维平台逐步成为集监测、分析与决策于一体的核心载体。基于多源监测数据积累，集中化平台实现设备状态、环境信息、运行数据的统一接入与可视化管理，融合垂类智能体强化分析调度能力，形成“数据集成—协同分析—决策优化”一体化体系。云—边协同架构兼顾实时性与计算能力，推动监测、运维与环境数据协同融合。 运维安全已从单一设备层面，拓展至作业与系统层面：通过远程监控降低现场作业风险，依托数据驱动的预警实现隐患前置识别，结合气象与海况信息优化运维调度，借助冗余设计与故障隔离提升系统稳定性。工程实践中，中国电建集团西北勘测设计研究院搭建的智慧运维一体化平台已成功应用，结合气象数据生成的运维窗口表，将恶劣天气作业风险降低30%，成功识别3次盐雾导致的接线端子虚接故障，预警准确率达92%[24,25]。数字化平台既是数据与决策基础，也是安全保障关键，推动运维向主动预防与协同优化转型。 5.5 未来发展趋势 截至2025年，海上光伏运维安全技术已从局部分散探索，演进为以多源感知、数据驱动、无人化执行为核心的综合性体系，标志着该领域从传统人工运维向智能化、系统化阶段跨越。但工程应用仍存在瓶颈：监测数据标准不统一、智能诊断模型泛化能力不足、无人化装备在复杂海况下的可靠性有待提升，制约技术规模化推广。展望未来，数字孪生与人工智能深度融合，将推动运维向全生命周期智能化管理演进，运维模式将从现场作业为主，转向岸基远程集中控制的“少人化”“无人化”。同时，运维安全理念将从单一设备被动防护，升级为系统级主动风险控制与韧性提升。通过构建数据驱动的标准体系、跨能源协同运维机制，海上光伏将形成更高效、安全、可持续的运维技术体系，为规模化商业化开发提供支撑。 06·总结与展望 6.1   总结 截至 2025 年，我国海上光伏已从示范验证阶段加速迈向大规模商业化示范阶段，以固定桩基式平台为主、浮式平台尚处示范验证期，依托政策引领、产业链支撑及工程实践积累实现吉瓦级项目突破。山东东营垦利 1GW 项目并网标志着我国海上光伏成功实现从兆瓦级示范向吉瓦级商业化的跨越。漂浮式光伏进入热烈的科研试验阶段，国内各企业、高校和科研院所纷纷投入开展大量工程示范和技术验证，正在大力推进漂浮式光伏技术成熟和产业化。 技术层面，固定式海上光伏在桩基和支撑结构上形成适配不同海况的成熟体系，大跨距螺栓球网架等技术实现性能与经济性优化；漂浮式海上光伏围绕浮体平台、系泊与锚固、连接与集成三大核心技术实现材料创新（竹基复合材料、碳纤维等）、结构优化与集成化发展。海洋性适应性改造方面，逆变器与电气系统从通用机型向高防护等级（ IP66/C5 ）适配转变，电力传输技术关注海缆全寿命治理与动态电缆适配。运维与安全技术正构建以多源感知、数据驱动与无人化执行为核心的综合技术体系。 海上光伏面临挑战主要体现在： 第一，技术挑战：浮式平台在极端海况下的长期可靠性有待验证，动态电缆与运动适配技术尚处探索阶段，漂浮式光伏技术路线仍处于广泛探索阶段。 第二，环境适应性：高盐雾、高湿度、强紫外线等海洋环境对电气设备寿命的影响需长期观测验证。 第三，经济性挑战：海上光伏建设投资成本仍远高于陆上光伏，运维成本受海况窗口限制居高不下，风光同场或多业态融合开发项目的经济性尚未得到充分验证。 第四，标准与规范：缺乏针对海上光伏的专项设计规范与认证体系，；监测数据标准不统一，制约智能化运维发展。 6.2   未来展望 随着技术进步与成本下降，海上光伏有望在未来 5-10 年内实现从商业化示范向规模化应用的跨越。固定式技术将在近海滩涂区域持续优化，浮式技术将向深远海拓展，形成 " 近海固定 + 远海漂浮 " 的差异化发展格局。多能互补与综合开发将成为主流模式， " 海上风光同场 "" 渔光互补 "" 海上风光氢储一体化 " 等复合开发模式将显著提升海域利用效率与项目经济性。 在技术创新方面，新型浮体材料（如竹基复合材料、碳纤维）的应用将推动平台轻量化与低成本化；数字孪生与人工智能技术将深度融合，实现从 " 被动运维 " 向 " 预测性维护 " 的转变；无人化运维装备将在复杂海况下的可靠性得到进一步提升，逐步实现 " 少人值守、无人巡检 " 的运维模式。 随着全球能源转型加速，海上光伏作为可再生能源的重要组成部分，将在 " 双碳 " 目标实现过程中发挥越来越重要的作用，成为光伏产业高质量发展的重要增长极。 参考文献 [1] 梁朝家 ,  刘军 .  滩涂 / 海上光伏桩基及支架现状及对项目经济性的影响 [J].  中国科技信息 , 2025(16): 160-163. 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