陳偉旗，賀楚平（湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司電力設(shè)備廠，湖南　株洲　412000）

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山地光伏電站優(yōu)化方案設(shè)計(jì)分析

陳偉旗，賀楚平（湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司電力設(shè)備廠，湖南株洲412000）

科學(xué)設(shè)計(jì)光伏電站直接決定了電站的初始投資及其所能取得的收益。本文通過(guò)對(duì)電站地理特征、光伏組件特性、光伏陣列特性以及對(duì)電站的監(jiān)控和保護(hù)等多個(gè)對(duì)象進(jìn)行全方面研究，概述了影響光伏電站安全可靠性、發(fā)電量及電網(wǎng)友好性等實(shí)質(zhì)問(wèn)題的內(nèi)涵，并且針對(duì)具體問(wèn)題給出了山地光伏電站的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法和選型指南，提出“因地制宜、科學(xué)設(shè)計(jì)”的光伏電站設(shè)計(jì)理念，為山地光伏電站的合理設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

山地光伏；選址；布局；優(yōu)化方案

引言

山地光伏電站的施工常常伴隨土地大面積的平整、開(kāi)挖，如果不合理的施工就容易導(dǎo)致原有生態(tài)系統(tǒng)破壞，從而造成水土流失，這將給光伏電站設(shè)備和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的危害。作為光伏電站前期規(guī)劃的重要步驟光伏電站的選址是個(gè)不容忽視的問(wèn)題，合適的地理位置不僅不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，還會(huì)延長(zhǎng)光伏發(fā)電設(shè)備的使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)利益，因此在特殊的地理環(huán)境中建造光伏電站就需要對(duì)光伏電站進(jìn)行特定環(huán)境的防護(hù)。

1　盡量保持山地原有地表地貌，防止水土流失發(fā)生

發(fā)電站建設(shè)類型和施工方式主要取決于光伏電站施工地的地理特征，由此造成的影響將直接關(guān)乎到光伏電站的成本投入、投資回報(bào)以及后續(xù)的運(yùn)維方式等。山地光伏電站作為所有光伏供電體系中規(guī)模較大的一個(gè)分區(qū)，更需要引起施工方的重視，能否合理地對(duì)山地光能加以利用，不僅對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生影響，還會(huì)在一定程度上影響人與自然的和諧。電站選址在地形不平坦的山地，就需要施工人員針對(duì)特定的地勢(shì)合理安排電池陣列的排布朝向從而減少遮擋失配現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)在陣列的排布以及逆變器選型上也要根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整，在整個(gè)山地光伏電站施工過(guò)程應(yīng)盡量做到對(duì)山地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，在保證生態(tài)穩(wěn)定的前提下，做到對(duì)山地太陽(yáng)能資源的高效利用。山地光伏電站施工要求光伏設(shè)備所使用的支架盡量采用鉆孔樁或者螺旋樁，這樣可以做到在小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏設(shè)備的固定。

2　單個(gè)發(fā)電單元依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，規(guī)模適中

陰影造成的遮擋會(huì)嚴(yán)重影響光伏電站的發(fā)電效率。地形起伏多變使得山地光伏電站中的遮擋現(xiàn)象變得尤為突出。為減少和避免遮擋現(xiàn)象的發(fā)生，就要對(duì)山地光伏電站的組件進(jìn)行合理布局并根據(jù)電站施工所在山地的實(shí)際地形變化進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的合理化不僅體現(xiàn)在對(duì)有限土地面積的合理利用，同時(shí)還要盡可能減少甚至是避免遮擋現(xiàn)象的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)山地光伏電站的高效發(fā)電。山地光伏電站施工所使用的光伏板（250W）的規(guī)格在1662×992，由于一個(gè)發(fā)電單元需要集成20塊（2行，10列）光伏板，這樣一個(gè)發(fā)電單元的尺寸就將超過(guò)3400×10000，光伏板如圖1所示。這就要求施工地點(diǎn)具備很大的平整度，而山地環(huán)境中起伏的地勢(shì)是很難有這種大面積的平地的，所以在施工過(guò)程施工單元需要根據(jù)地勢(shì)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。充分運(yùn)用山地中高低起伏的地勢(shì)，使得光伏單元按照地勢(shì)的走向形成陣列發(fā)光單元，既保證對(duì)山地中光能的充分利用，又可以減少土地整平，從而減少對(duì)山地環(huán)境造成的損害。

圖1　工作環(huán)境下的太陽(yáng)能光伏板

山地光伏電站施工環(huán)境中如果出現(xiàn)明顯的東西坡，就應(yīng)該根據(jù)實(shí)際坡度大小對(duì)發(fā)電單元的間距進(jìn)行調(diào)整，以減輕前后排之間出現(xiàn)遮擋對(duì)電站發(fā)電量產(chǎn)生影響。理論上，山地光伏設(shè)備中發(fā)電單元的設(shè)計(jì)間距應(yīng)能保證在冬至當(dāng)天九點(diǎn)至下午三點(diǎn)間前后排不會(huì)產(chǎn)生遮擋。太陽(yáng)輻射是光伏電站所發(fā)電能的主要來(lái)源，所以光伏組件間一旦出現(xiàn)遮擋，勢(shì)必會(huì)對(duì)光伏電站的發(fā)電量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以在山地電站的施工過(guò)程，要對(duì)光伏單元進(jìn)行合理布局，保證對(duì)山地光能的充分利用，提高山地光伏電站的發(fā)電效率。

3　電纜采用橋架敷設(shè)，發(fā)電單元部分電纜利用中部支架做槽架

光伏電站施工過(guò)程中電纜的敷設(shè)問(wèn)題也要根據(jù)光伏電站的選址而做出相應(yīng)的變化，針對(duì)于山地光伏電站，人的活動(dòng)相對(duì)較少，所以外露的電纜不會(huì)對(duì)人的活動(dòng)空間造成影響，在山地施工過(guò)程中，為了降低工程作業(yè)難度，減少施工成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)山地環(huán)境的保護(hù)，光伏電站的電纜可以不用埋入地下，直接暴露于山體表面，但暴露在外的電纜需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓潭氨Ｗo(hù)，避免因山地環(huán)境對(duì)電纜造成損害，從而影響山地光伏電站的正常發(fā)電。在山地環(huán)境中對(duì)電纜進(jìn)行橋架式敷設(shè)是解決電纜布局問(wèn)題的較優(yōu)選擇，不僅降低了電纜鋪設(shè)過(guò)程的工作量，而且不會(huì)對(duì)山地地表造成過(guò)度的損害，既保證了山地生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，又降低了工程的難度，同時(shí)針對(duì)于電纜的檢修也變得方便、易操作。施工過(guò)程由于山地較惡劣的環(huán)境，對(duì)于施工過(guò)程中電纜的損害變得尤為突出。外部發(fā)電單元間的連接電纜可以通過(guò)電纜敷設(shè)實(shí)現(xiàn)它們之間的連接，這項(xiàng)工程可以在工程的最后階段統(tǒng)一進(jìn)行，所以中間施工過(guò)程對(duì)這部分電纜造成的損害相對(duì)較小。比較而言發(fā)電單元電池板之間的連接電纜損害相對(duì)較大，針對(duì)于這部分電纜可以通過(guò)將電纜的鋪設(shè)路線設(shè)計(jì)在電池板的支架中，利用光伏組件支架中部的槽型梁作為電纜鋪設(shè)的槽架，不僅減少了電纜在施工過(guò)程造成的磨損，也可以通過(guò)槽架的結(jié)構(gòu)減少電纜因風(fēng)雨和光照等自然因素而造成的損害，從而延長(zhǎng)電纜的使用壽命。

由于山地環(huán)境與平地環(huán)境存在較大差別，所以在山地電站施工過(guò)程中應(yīng)注意做到電站的防雷。因?yàn)樯降仉娬镜倪x址相對(duì)海拔都很高，所以電站遭受雷擊的概率也隨之提高很多，為了避免雷電對(duì)裸露的線纜產(chǎn)生影響，保證供電的穩(wěn)定，就需要充分利用光伏單元的金屬構(gòu)架，使其形成接地網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)減少雷電對(duì)光伏電站中電纜造成危害。

4　視屏監(jiān)控盡量覆蓋光伏電站邊沿地區(qū)

由于當(dāng)下對(duì)于太陽(yáng)能的利用率還不是很高，所以光伏電站用于光能轉(zhuǎn)化的電池板占據(jù)了光伏電站最大的面積，巨大的光伏面積也對(duì)其管理提出了更高的要求。同時(shí)問(wèn)題出現(xiàn)較多的邊緣區(qū)也應(yīng)引起電站維護(hù)人員的高度重視。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的全方位監(jiān)控是解決這一系列問(wèn)題的關(guān)鍵。①每一組電池單元都應(yīng)配有一塊監(jiān)測(cè)芯片，便于管理室的工作人員對(duì)光伏電站進(jìn)行全方位的監(jiān)控，問(wèn)題一旦出現(xiàn)，便可針對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行故障排查。②電站內(nèi)要根據(jù)其所占據(jù)的面積合理的布局視頻監(jiān)控器，從而保證工作人員對(duì)光伏電站運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行掌控，對(duì)可能對(duì)電站造成損害的情況進(jìn)行及時(shí)排查，保證電站正常運(yùn)作。由于山地光伏電站的選址特殊，電站整體可能都被草木包圍，這就要對(duì)消防問(wèn)題進(jìn)行高度重視，由此可見(jiàn)，完善的視頻監(jiān)控體系更是必不可少，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電站運(yùn)作情況的監(jiān)督，還能在消防安全問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，從而保證電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)其持續(xù)穩(wěn)定的電量供應(yīng)。

電站外圍圍欄的設(shè)計(jì)對(duì)電站現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)同樣很重要，因?yàn)殡娬镜倪x址是山地，人的活動(dòng)大大減少，但山地環(huán)境中生活的動(dòng)物變成了影響電站正常運(yùn)作的主要因素。因?yàn)樯降貤l件下圍欄的作用主要是限制動(dòng)物，使其遠(yuǎn)離電站，所以圍欄在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)最先考慮其實(shí)用的功能，而不需要花費(fèi)太多的資金在圍欄建設(shè)方面。

5　每個(gè)發(fā)電升壓?jiǎn)卧謪^(qū)合理

5.1匯流箱選擇與布置

匯流箱的主要作用就是將多路光伏組串的輸出進(jìn)行一或多級(jí)匯流，以此來(lái)保護(hù)監(jiān)測(cè)各組串正常運(yùn)行。合理的選擇匯流箱并根據(jù)山地電站結(jié)構(gòu)對(duì)匯流箱進(jìn)行合理布局將直接影響匯流過(guò)程中電纜的實(shí)用量及匯流箱在整個(gè)山地光伏電站中的使用量。同時(shí)，電力在電纜傳輸過(guò)程造成的壓降損失以及發(fā)電系統(tǒng)的效率也會(huì)因此受到影響。匯流箱的選擇可以參照《光伏匯流箱技術(shù)規(guī)范》并根據(jù)具體的施工特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，匯流箱的回路數(shù)就必須根據(jù)電纜長(zhǎng)度、纜線磨損情況以及電站選址的實(shí)際情況進(jìn)行確定。

5.2逆變器選擇與布置

目前集中式逆變器（地面大型并網(wǎng)光伏電站使用較多）和組串式逆變器（屋頂分布式光伏電站使用較多）是當(dāng)下光伏電站中使用較多的逆變器。但針對(duì)于山地特殊的地理形貌，其高低起伏的地勢(shì)，如果應(yīng)用大型集中式逆變器，在早晨日出和晚間日落的時(shí)候會(huì)造成光伏單元長(zhǎng)時(shí)間的遮擋，而且山地光伏電站中各組串的輸出相差較大，系統(tǒng)之間的匹配性也很低，這就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成隱患，從而大大降低系統(tǒng)的發(fā)電量，所以，在選擇山地光伏電站的逆變器時(shí)，應(yīng)結(jié)合山地具體形貌確定逆變器的型號(hào)。這樣不僅會(huì)保證電站的發(fā)電量，還能節(jié)約電纜，降低光伏電站的建設(shè)成本。

6　結(jié)語(yǔ)

本文分別從技術(shù)和工程兩個(gè)角度對(duì)光伏電站建設(shè)過(guò)程中需要考慮的電站選址問(wèn)題、各個(gè)光伏組件選擇與連接過(guò)程的排列布局以及光伏逆變器配套選型等問(wèn)題進(jìn)行了較系統(tǒng)地闡述，并對(duì)光伏電站的設(shè)計(jì)方案提出了指導(dǎo)建議。今后的光伏電站設(shè)計(jì)施工應(yīng)根據(jù)本文提出的“因地制宜，科學(xué)設(shè)計(jì)”的電站設(shè)計(jì)理念和方法，實(shí)現(xiàn)光伏電站因地制宜的建設(shè)，從而使光伏電站在今后充分發(fā)揮其發(fā)電能力從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］宋春艷，高補(bǔ)偉.復(fù)雜地形光伏電站工程的場(chǎng)地設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)電力教育，2013（27）：238～240.

［2］馮耕，馬宇云．復(fù)雜地形下的太陽(yáng)能矩陣布置［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2015，S1：78～81．

［3］付強(qiáng)．關(guān)于山地光伏電站組件支架的方案設(shè)計(jì)［J］．網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)報(bào)·在線教育，2012（37）：225～229.

賀楚平（1978-），男，工程師，大學(xué)?？?，主要從事電力設(shè)備設(shè)計(jì)、施工工作。

TM615

A

2095-2066（2016）12-0063-02

2016-4-15

陳偉旗（1975-），男，工程師，本科，主要從事火電設(shè)備設(shè)計(jì)制造、設(shè)備安裝施工方面工作。