面向美加土地约束与多样化可再生能源供应的浮式海上太阳能光伏研究
《IEEE Journal of Photovoltaics》：Floating Offshore Solar Photovoltaics for Land-Constrained and Diverse Renewable Supply Conditions in the United States and Canada
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时间：2025年11月25日
来源：IEEE Journal of Photovoltaics 2.6
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本刊编辑推荐：针对美国东部等土地受限地区在能源转型中面临的供应多样性挑战，研究人员开展了浮式海上太阳能光伏(PV)与海上风电、波浪能协同优化研究。通过LUT能源系统转型模型(LUT-ESTM)模拟显示，当陆上太阳能光伏发电量限制在60%时，2050年将部署434 GW浮式海上光伏，与414 GW海上风电形成混合电站，使平准化度电成本(LCOE)降至32.7�/MWh。该研究为沿海地区实现净零排放提供了技术经济可行的多元化解决方案。
随着气候变化对生态系统威胁的加剧，美国和加拿大设定了2050年净零排放目标，但实现路径仍存争议。以往研究认为陆上可再生能源足以支撑转型，其中太阳能光伏(PV)可能贡献78%发电量，仅需占用0.5%土地面积。然而在人口稠密的美国东海岸等地区，陆上风电已触及4%的土地利用上限，大规模太阳能电站又面临社会接受度挑战。这种土地约束与供应单一化的矛盾，促使科学家将目光投向广阔的海洋能源资源。
威廉姆斯等学者曾指出美国可能需要1.0 TW海上风电，雅各布森团队则预估需855 GW海上风电配合3.8 TW太阳能光伏。但现有研究多聚焦单一海上技术，尚未系统分析浮式海上光伏与海上风电、波浪能的协同潜力。这种技术耦合具有独特优势：互补的发电特性可提升能源密度，共享电网基础设施降低成本，混合电站还能减轻对海洋环境的视觉冲击。为此，洛佩兹(Gabriel Lopez)团队在《IEEE Journal of Photovoltaics》发表研究，首次针对美加大陆系统探讨浮式海上光伏在多元化能源供应中的角色。
研究方法上，团队采用LUT能源系统转型模型(LUT-ESTM)，将美加划分为16个区域进行精细化模拟。关键创新在于设定了"最佳政策情景-60%(BPS-60)"，即限制陆上光伏发电占比不超过60%，强制系统发展海上能源。技术经济参数显示，浮式海上光伏的资本支出(CAPEX)将从2020年的1425�/kW降至2050年的322�/kW，与海上风电(2130�/kW)、波浪能(1731�/kW)形成竞争力。模型特别设定了协同扩展机制：波浪能容量至少为海上风电的67%，浮式海上光伏则保持95%-105%的配比，模拟现实中的混合电站部署。
研究结果揭示了多元化能源结构的演变轨迹。在电力供应方面，当陆上可再生能源潜力耗尽后，海上能源成为关键补充。到2050年，美国东部将部署434 GW浮式海上光伏、413 GW海上风电和277 GW波浪能，贡献该区域32%的发电量。整个美加系统安装7.4 TW太阳能光伏容量，其中浮式海上光伏虽仅占5.8%，但在沿海地区发挥不可替代作用。
储能系统优化是另一重要发现。与传统光伏主导系统相比，BPS-60的集中式储能容量减少27%至4.3 TWhcap，储能吞吐量下降35%至1883 TWh。这种优化源于电源互补性提升——风电和波浪能弥补了冬季光伏发电低谷，使系统对大规模储能的依赖降低。
运营动态分析显示，电解槽年利用小时数(FLH)提升至4117小时，氢储能呈现季节性特征。电网传输峰值出现在风电和波浪能富集的冬季，而夏季主要依赖光伏发电。这种差异化运行模式表明，海上能源更适合满足直接用电需求，而低成本光伏电力则优先用于Power-to-X(PtX)过程。
燃料与化学品供应转型方面，研究观察到明显的路径依赖。直到2045年，美国东部仍有37%的燃料供应依赖天然气制蓝氢。到2050年才完全转向生物能源、电子燃料(e-fuel)和电子化学品(e-chemicals)，全系统电子燃料供应达8470 TWh。区域贸易分析显示，12%的电子费托合成液体(e-FTL)和33%的电子甲醇(e-methanol)通过区域交易实现平衡，加拿大东部凭借丰富风电资源成为主要出口方。
经济性分析指出多元化转型的成本影响。虽然电力成本显著下降——全系统平准化度电成本(LCOE)从2020年的56.8�/MWh降至2050年的32.7�/MWh，但最终能源成本(LCOFE)比成本最优情景高出28%，达到52.7�/MWh。这种溢价可视为满足社会约束的合理代价，特别是在追求能源自给率和供应安全的目标下。
讨论部分强调，该研究提供了近成本最优的多元化转型方案。浮式海上光伏的度电成本在205年降至21.7-25.4�/MWh，而混合电站的加权平均成本约58.7�/MWh，年利用小时数达2737小时，在经济上已具备可行性。研究建议未来探索离网式电子燃料生产模式，将海上能源直接用于PtX过程，进一步优化系统成本。
结论肯定了大洋能源技术在陆地受限地区的转型价值。尽管成本有所增加，但浮式海上光伏与海上风电、波浪能的协同发展，能够在不牺牲PtX经济结构的前提下实现净零目标。这种混合电站模式不仅提升供电稳定性，还通过资源共享降低海洋空间利用冲突，为沿海地区能源转型提供了新的范式。未来研究需进一步分析离网式PtX生产、工业区位重构等深层影响，完善大洋能源驱动的大陆系统转型理论。
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