“以竹代塑”产品在海洋领域新应用：竹基海上光伏平台
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广东国能中林投资有限公司 日期：2024-02-21 1429 属于：行业动态
在推进国家“双碳目标”战略、落实“以竹代塑”倡议的背景下，竹基海上光伏平台是利用竹基海工材料生产制造的绿色低碳海工装备，具有浮力性能好、环境友好性高、耐海水腐蚀性强、使用寿命长、成本低等优势，可替代目前由高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体组成的漂浮式水上光伏平台，创新性拓展了“以竹代塑”产品在海洋工程装备领域的应用。
随着我国海洋工程装备和光伏新能源行业的不断发展，漂浮式水上光伏发电系统已成为水上光伏领域的发展新趋势。而作为漂浮式水上光伏发电系统的一个前沿分支，当前全球漂浮式海上光伏尚未进入大规模的商业化开发，仅处于产业萌芽阶段。目前漂浮式水上光伏发电系统的漂浮结构体主要采用改性高密度聚乙烯（改性HDPE）作为浮体材料、钢质焊接结构作为浮体框架。在推进国家“双碳”目标战略、落实“以竹代塑”倡议的背景下，开发研制竹基海上光伏平台是漂浮式海上光伏系统运用具有绿色低碳、环境友好型、轻质、低成本、使用寿命长的新材料的新发展方向之一，也可为“以竹代塑”产品进入海洋工程装备领域和光伏新能源领域、开拓新的应用场景打下良好基础。
本文简述了竹基海上光伏平台研制的背景和产品，以期为今后竹基海工材料在海洋工程装备领域的新产品开发提供参考。
背 景
1、漂浮式海上光伏平台
在全球新一轮能源革命的背景下，作为未来新能源应用的重要形式，光伏电站发展迅速，2018年全球新增光伏装机规模约106 GW。我国有3.2万km长的海岸线，拥有近300万km2的海域。海上环境优越，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提升潜力大。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。
2022年5月科技部发布国家重点研发计划，近海浮式光伏建设研究被列入“可再生能源技术”重点专项，海上浮式光伏进入大众视野。发展海上光伏电站，可以有效解除土地因素的约束，拓展光伏发电的应用，同时可为沿线经济发达地区提供电力支持。与传统光伏电站相比，漂浮式光伏电站将光伏发电组件安装在水面漂浮体上，具有不占用土地资源、减少水量蒸发、漂浮体遮挡阳光抑制藻类生长等的作用，同时水体对光伏组件及电缆的降温冷却作用可明显提高发电效率。近年来，相较于传统支架式水上光伏发电系统，漂浮式水上光伏发电系统已成为水上光伏领域的发展新趋势，而海上光伏作为一个前沿分支，当前全球漂浮式海上光伏尚未进入大规模的商业化开发，仅处于产业萌芽阶段。
漂浮式水上光伏电站主要由浮体结构和系泊锚固系统组成，根据工作区域分为湖面或者峡湾区域水面光伏和开阔性海域海上漂浮式光伏。其中浮体结构的设计应综合考虑浮体强度及适应性、经济性、运维便捷性、安全性、环境友好型、发电效率等因素。目前，已应用于水上的漂浮结构形式主要有浮体+杆件漂浮系统、纯浮体漂浮系统、浮管漂浮系统、金属+EPS发泡漂浮系统。比如，浮管式结构形式包括高密度聚乙烯（HDPE）浮管+支架、薄壁钢管+管内填充物+外防腐涂料+外防腐橡胶+支架、不锈钢管+管内填充物+支架等形式；浮箱式结构形式包括HDPE标准浮箱、HDPE浮箱+支架、不锈钢浮箱+支架、高强复合混凝土浮箱+支架等形式。在之前的探索阶段，业界曾分别使用过竹子、混凝土、不锈钢、玻璃钢、铝镁合金以及HDPE等作为浮体材料，但效果参差不齐。经过几年发展，目前行业主流工艺是采用改性HDPE作为浮体材料。虽然HDPE原材料易获取，且加工简单，但也存在一些突出问题，表现为：聚乙烯的抗紫外线性能及韧性有待改进，使用寿命有待验证；随着使用年限增长，HDPE易老化分解成微塑料，有造成海水水质污染和海水生物食品安全性的风险；以及HDPE浮管漂浮系统的结构浮力与负重出现不均衡，很容易造成方阵凹凸不平，浮管横向贯通，一处破损会导致整行浮体下沉。因此，寻求替代塑料的轻质高强、环境友好型、使用寿命长的新材料成为漂浮式水上光伏电站浮体研发的重要方向。另一方面，漂浮式海上光伏电站的框架主体为钢质焊接结构，存在着易被海水腐蚀、综合成本高等缺点，难以满足漂浮式海上光伏商业化推广的需求，开发研制兼具环境友好型、耐海水腐蚀、轻质高强、使用寿命长和低成本的浮体，以及与浮体框架主体一体化的浮体结构系统是漂浮式海上光伏电站的一个重要发展方向。
2、“以竹代塑”产品
中国是世界上最主要的产竹国，竹类资源丰富，竹产业规模发展迅速且产品种类众多，竹材加工利用水平领先世界，近10多年来竹产业总产值基本保持了年均10%的增长速度，预计到2025年将突破7 000亿元，到2035年将超过1万亿元。基于中国竹资源和竹产业优势，2022年11月中国政府与国际竹藤组织共同发起了“以竹代塑”倡议，以加快落实联合国2030年可持续发展议程。积极推动落实“以竹代塑”倡议，有助于促进竹产业健康发展，减少塑料污染，应对全球气候变化，保护生态环境。
竹材作为一种绿色、可再生、可降解的生物质材料，是基于自然的可持续替代塑料的优质选择。竹材性能优异、纹理自然、单元形态多样，可为竹质代塑产品的开发提供多种可能与选择，应用于小到纽扣、餐具、包装等产品，大到房屋建筑、管道管廊、汽车、高铁等领域，涵盖一次性用、日用、建筑、交通、工程设施等诸多品类，广泛应用于电子电器、交通工具、日用品、体育健身、医用保健、军工、农林业、建筑装饰以及儿童用品等多个领域。随着竹材加工技术的不断创新发展，新材料、新设备、新产品的不断研发，以竹代塑技术与产品的应用领域将逐步拓宽。
目前，采用竹基海工材料制成的竹管状浮体和漂浮式框架，经组合装配制作而成的功能结构一体化的竹基浮管浮体结构，具有浮力特性好、环境友好、使用寿命长、成本低等优势，在替代目前漂浮式水上光伏系统中的高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体上具有较大潜力。因此，研制竹基海工光伏平台将为“以竹代塑”产品应用于海洋工程装备领域提供新路径。
竹基海上光伏平台
竹基海上光伏平台是由钢节点和竹基海工材料组成。竹基海工材料和钢节点采用承插连接，承插口空隙部分采用性能优良的胶粘剂连接和填补空隙，相对于传统的钢制焊接连接方式，这种连接方式质量更轻，耐海水腐蚀性能更佳；其次竹基海工材料以生物质材料作为原材料，大部分国家都有相应的补贴政策，因此竹基海上光伏平台更具有成本优势。
2023年8月28日，由中国林业集团与烟台中集来福士海洋科技集团合作研发的国内首个竹基海上光伏平台“集林一号”在烟台正式发布。此次发布标志着双方在绿色低碳海工装备研发制造领域取得重大突破，合作发展进入新阶段。这次合作只是起点，双方将优势互补，不断创新，研发更具有竞争力、绿色低碳的海洋设施，不断推动产业升级，为实现绿色低碳转型贡献一份力量。
“集林一号”竹基海上光伏平台长7 m，宽7 m，高2.4 m，总重约4 t，由中林集团和中集来福士集团共同研发建造，历经材料创新、试制检验和安装调试3个阶段，试制检验主要是根据海上浮体光伏平台功能，结合海上浮式结构运动和受力特性，开展竹基海工材料浮式光伏平台总体方案设计的对比研究，包括对浮体材料结构系统的关键节点形式及强度进行研究，对新型浮式光伏平台总体稳性及水动力性能进行评估。基于优化后的光伏平台设计方案，通过将仿真模拟竹基海工材料结构体的关键指标和相关理化性能进行参数化，明确具体要求，建立一套针对竹基海工材料基本理化性能的测试方法和体系，完成并通过材料相关的理化性能要求。这是国内首次采用质轻高强的竹基海工材料为主材，“以竹代钢”“以竹代塑”搭建的海上光伏平台。现“集林一号”光伏平台已成功下水测试，使海上光伏技术领域向前迈了一大步，对于实现海洋资源开发绿色低碳化具有较强的现实意义。
竹基海工材料用于平台的搭建，除了可提供浮力外，还具有环境友好性高、强度高、耐海水腐蚀性强、使用寿命长、成本低等优势，可替代目前漂浮式水上光伏系统中的高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体，在减少传统水上光伏系统对塑料的需求量和有效节约成本的同时，保护海洋生态环境，真正实现“绿电绿造”，引领全球绿色可持续发展。
总结
在推进国家“双碳”目标战略、落实“以竹代塑”倡议的背景下，竹基海上光伏平台是利用竹基海工材料生产制造的绿色低碳海工装备，具有浮力性能好、环境友好性高、耐海水腐蚀性强、使用寿命长、成本低等优势，可替代目前由高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体组成的漂浮式水上光伏平台，创新性拓展了“以竹代塑”产品在海洋工程装备领域的应用，为“以竹代塑”产品进入海洋工程装备领域和光伏新能源领域开拓新的应用场景打下良好基础。
转载自：https://mp.weixin.qq.com/s/uXFm7kERwd4rX2DC-6Au_g
随着我国海洋工程装备和光伏新能源行业的不断发展，漂浮式水上光伏发电系统已成为水上光伏领域的发展新趋势。而作为漂浮式水上光伏发电系统的一个前沿分支，当前全球漂浮式海上光伏尚未进入大规模的商业化开发，仅处于产业萌芽阶段。目前漂浮式水上光伏发电系统的漂浮结构体主要采用改性高密度聚乙烯（改性HDPE）作为浮体材料、钢质焊接结构作为浮体框架。在推进国家“双碳”目标战略、落实“以竹代塑”倡议的背景下，开发研制竹基海上光伏平台是漂浮式海上光伏系统运用具有绿色低碳、环境友好型、轻质、低成本、使用寿命长的新材料的新发展方向之一，也可为“以竹代塑”产品进入海洋工程装备领域和光伏新能源领域、开拓新的应用场景打下良好基础。
本文简述了竹基海上光伏平台研制的背景和产品，以期为今后竹基海工材料在海洋工程装备领域的新产品开发提供参考。
背 景
1、漂浮式海上光伏平台
在全球新一轮能源革命的背景下，作为未来新能源应用的重要形式，光伏电站发展迅速，2018年全球新增光伏装机规模约106 GW。我国有3.2万km长的海岸线，拥有近300万km2的海域。海上环境优越，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提升潜力大。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。
2022年5月科技部发布国家重点研发计划，近海浮式光伏建设研究被列入“可再生能源技术”重点专项，海上浮式光伏进入大众视野。发展海上光伏电站，可以有效解除土地因素的约束，拓展光伏发电的应用，同时可为沿线经济发达地区提供电力支持。与传统光伏电站相比，漂浮式光伏电站将光伏发电组件安装在水面漂浮体上，具有不占用土地资源、减少水量蒸发、漂浮体遮挡阳光抑制藻类生长等的作用，同时水体对光伏组件及电缆的降温冷却作用可明显提高发电效率。近年来，相较于传统支架式水上光伏发电系统，漂浮式水上光伏发电系统已成为水上光伏领域的发展新趋势，而海上光伏作为一个前沿分支，当前全球漂浮式海上光伏尚未进入大规模的商业化开发，仅处于产业萌芽阶段。
漂浮式水上光伏电站主要由浮体结构和系泊锚固系统组成，根据工作区域分为湖面或者峡湾区域水面光伏和开阔性海域海上漂浮式光伏。其中浮体结构的设计应综合考虑浮体强度及适应性、经济性、运维便捷性、安全性、环境友好型、发电效率等因素。目前，已应用于水上的漂浮结构形式主要有浮体+杆件漂浮系统、纯浮体漂浮系统、浮管漂浮系统、金属+EPS发泡漂浮系统。比如，浮管式结构形式包括高密度聚乙烯（HDPE）浮管+支架、薄壁钢管+管内填充物+外防腐涂料+外防腐橡胶+支架、不锈钢管+管内填充物+支架等形式；浮箱式结构形式包括HDPE标准浮箱、HDPE浮箱+支架、不锈钢浮箱+支架、高强复合混凝土浮箱+支架等形式。在之前的探索阶段，业界曾分别使用过竹子、混凝土、不锈钢、玻璃钢、铝镁合金以及HDPE等作为浮体材料，但效果参差不齐。经过几年发展，目前行业主流工艺是采用改性HDPE作为浮体材料。虽然HDPE原材料易获取，且加工简单，但也存在一些突出问题，表现为：聚乙烯的抗紫外线性能及韧性有待改进，使用寿命有待验证；随着使用年限增长，HDPE易老化分解成微塑料，有造成海水水质污染和海水生物食品安全性的风险；以及HDPE浮管漂浮系统的结构浮力与负重出现不均衡，很容易造成方阵凹凸不平，浮管横向贯通，一处破损会导致整行浮体下沉。因此，寻求替代塑料的轻质高强、环境友好型、使用寿命长的新材料成为漂浮式水上光伏电站浮体研发的重要方向。另一方面，漂浮式海上光伏电站的框架主体为钢质焊接结构，存在着易被海水腐蚀、综合成本高等缺点，难以满足漂浮式海上光伏商业化推广的需求，开发研制兼具环境友好型、耐海水腐蚀、轻质高强、使用寿命长和低成本的浮体，以及与浮体框架主体一体化的浮体结构系统是漂浮式海上光伏电站的一个重要发展方向。
2、“以竹代塑”产品
中国是世界上最主要的产竹国，竹类资源丰富，竹产业规模发展迅速且产品种类众多，竹材加工利用水平领先世界，近10多年来竹产业总产值基本保持了年均10%的增长速度，预计到2025年将突破7 000亿元，到2035年将超过1万亿元。基于中国竹资源和竹产业优势，2022年11月中国政府与国际竹藤组织共同发起了“以竹代塑”倡议，以加快落实联合国2030年可持续发展议程。积极推动落实“以竹代塑”倡议，有助于促进竹产业健康发展，减少塑料污染，应对全球气候变化，保护生态环境。
竹材作为一种绿色、可再生、可降解的生物质材料，是基于自然的可持续替代塑料的优质选择。竹材性能优异、纹理自然、单元形态多样，可为竹质代塑产品的开发提供多种可能与选择，应用于小到纽扣、餐具、包装等产品，大到房屋建筑、管道管廊、汽车、高铁等领域，涵盖一次性用、日用、建筑、交通、工程设施等诸多品类，广泛应用于电子电器、交通工具、日用品、体育健身、医用保健、军工、农林业、建筑装饰以及儿童用品等多个领域。随着竹材加工技术的不断创新发展，新材料、新设备、新产品的不断研发，以竹代塑技术与产品的应用领域将逐步拓宽。
目前，采用竹基海工材料制成的竹管状浮体和漂浮式框架，经组合装配制作而成的功能结构一体化的竹基浮管浮体结构，具有浮力特性好、环境友好、使用寿命长、成本低等优势，在替代目前漂浮式水上光伏系统中的高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体上具有较大潜力。因此，研制竹基海工光伏平台将为“以竹代塑”产品应用于海洋工程装备领域提供新路径。
竹基海上光伏平台
竹基海上光伏平台是由钢节点和竹基海工材料组成。竹基海工材料和钢节点采用承插连接，承插口空隙部分采用性能优良的胶粘剂连接和填补空隙，相对于传统的钢制焊接连接方式，这种连接方式质量更轻，耐海水腐蚀性能更佳；其次竹基海工材料以生物质材料作为原材料，大部分国家都有相应的补贴政策，因此竹基海上光伏平台更具有成本优势。
2023年8月28日，由中国林业集团与烟台中集来福士海洋科技集团合作研发的国内首个竹基海上光伏平台“集林一号”在烟台正式发布。此次发布标志着双方在绿色低碳海工装备研发制造领域取得重大突破，合作发展进入新阶段。这次合作只是起点，双方将优势互补，不断创新，研发更具有竞争力、绿色低碳的海洋设施，不断推动产业升级，为实现绿色低碳转型贡献一份力量。
“集林一号”竹基海上光伏平台长7 m，宽7 m，高2.4 m，总重约4 t，由中林集团和中集来福士集团共同研发建造，历经材料创新、试制检验和安装调试3个阶段，试制检验主要是根据海上浮体光伏平台功能，结合海上浮式结构运动和受力特性，开展竹基海工材料浮式光伏平台总体方案设计的对比研究，包括对浮体材料结构系统的关键节点形式及强度进行研究，对新型浮式光伏平台总体稳性及水动力性能进行评估。基于优化后的光伏平台设计方案，通过将仿真模拟竹基海工材料结构体的关键指标和相关理化性能进行参数化，明确具体要求，建立一套针对竹基海工材料基本理化性能的测试方法和体系，完成并通过材料相关的理化性能要求。这是国内首次采用质轻高强的竹基海工材料为主材，“以竹代钢”“以竹代塑”搭建的海上光伏平台。现“集林一号”光伏平台已成功下水测试，使海上光伏技术领域向前迈了一大步，对于实现海洋资源开发绿色低碳化具有较强的现实意义。
竹基海工材料用于平台的搭建，除了可提供浮力外，还具有环境友好性高、强度高、耐海水腐蚀性强、使用寿命长、成本低等优势，可替代目前漂浮式水上光伏系统中的高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体，在减少传统水上光伏系统对塑料的需求量和有效节约成本的同时，保护海洋生态环境，真正实现“绿电绿造”，引领全球绿色可持续发展。
总结
在推进国家“双碳”目标战略、落实“以竹代塑”倡议的背景下，竹基海上光伏平台是利用竹基海工材料生产制造的绿色低碳海工装备，具有浮力性能好、环境友好性高、耐海水腐蚀性强、使用寿命长、成本低等优势，可替代目前由高密度聚乙烯浮体和钢制焊接结构体组成的漂浮式水上光伏平台，创新性拓展了“以竹代塑”产品在海洋工程装备领域的应用，为“以竹代塑”产品进入海洋工程装备领域和光伏新能源领域开拓新的应用场景打下良好基础。
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