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山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南250013

近年來，受石油價(jià)格上漲和全球氣候變化的影響，可再生能源開發(fā)利用日益受到國際社會(huì)的重視[1]。許多國家提出了明確的發(fā)展目標(biāo)，制定了支持可再生能源發(fā)展的法規(guī)和政策，使可再生能源技術(shù)水平不斷提高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，成為促進(jìn)能源多樣化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要能源[2]。我國政府高度重視可再生能源的研究與開發(fā)。國家經(jīng)貿(mào)委制定了新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“十五”規(guī)劃，并制定頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，重點(diǎn)發(fā)展太陽能光熱利用、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能高效利用和地?zé)崮艿睦肹3]。但同時(shí)，我國可利用從事光伏電站建設(shè)的荒地、荒山、荒灘以及屋頂?shù)荣Y源越來越少，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需要[4]。光伏產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，與其他產(chǎn)業(yè)互相協(xié)調(diào)發(fā)展成為一條重要出路。另一方面，農(nóng)業(yè)也在不斷尋求自我突破。光伏農(nóng)業(yè)這個(gè)新產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)性地將光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)開發(fā)及節(jié)約資源相結(jié)合，由此光伏農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生[5]。

1 農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站設(shè)計(jì)

1.1 電站選址

本電站站址位于山東省，場(chǎng)區(qū)共分為4個(gè)地塊，分別分布在濱河大道兩側(cè)區(qū)域，土地性質(zhì)主要為煤礦塌陷區(qū)，小部分為拆遷區(qū)、一般農(nóng)用地、林地等。規(guī)劃容量為100MW，面積約為5300畝，周邊有邁多河、邁多河路、鐵路、輸氣管道等市域道路及市政基礎(chǔ)設(shè)施。

其中，地塊1位于省道以南濱河大道以北的區(qū)域，用地面積2448畝，主要分為食用菌陰棚區(qū)、春秋拱棚區(qū)以及日光溫室區(qū)；地塊2位于濱河大道南側(cè)區(qū)域，占地面積1828畝，主要分為春秋拱棚區(qū)以及日光溫室區(qū)；地塊3位于地塊2西側(cè)，占地面積318畝，主要布置日光溫室區(qū)；地塊4位于地塊1西側(cè)，占地面積342.5畝，主要布置日光溫室區(qū)。

1.2 當(dāng)?shù)靥柲苜Y源

本電站場(chǎng)址區(qū)域氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霚貪櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，寒暑適宜，光溫同步，雨熱同季。場(chǎng)址區(qū)域全年平均日照時(shí)數(shù)2655h，平均年太陽輻射量5038MJ/m2，場(chǎng)址處Meteonorm數(shù)據(jù)年輻射值為4989.6MJ/m2。根據(jù)我國太陽能資源等級(jí)區(qū)劃表得知，場(chǎng)址區(qū)域太陽能資源較豐富，適宜建設(shè)太陽能電站。

根據(jù)典型年分析，該區(qū)域太陽能穩(wěn)定度為2.4，太陽能資源較為穩(wěn)定。

1.3 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)比經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的結(jié)果，本電站采用單晶單玻295Wp、300Wp太陽能電池組件，其中，295Wp單晶硅電池組件數(shù)量為305412塊，每23塊電池組件串聯(lián)為一個(gè)基本匯流單元；300Wp單晶硅電池組件數(shù)量為33012塊，每28塊電池組件串聯(lián)為一個(gè)基本匯流單元。

依據(jù)傾斜面太陽輻射量的計(jì)算方法，通過分析該地區(qū)太陽輻射資料，可得出不同傾角情況下電池組件上太陽輻射量，見表1。

表1 不同傾角情況下電池組件上太陽輻射量（kWh/m2）

從表1可以看出，光伏組件傾角為31°時(shí)，傾斜面上所接受的太陽輻射量最大，相應(yīng)的年發(fā)電量也就最多。但是，本光伏場(chǎng)區(qū)面積有限，組件按31°傾角安裝時(shí)組件前后間距大，并且光伏電站設(shè)計(jì)容量與超配容量要求較大，需對(duì)光伏電站安裝傾角重新計(jì)算。通過對(duì)比分析光伏組件不同安裝傾角時(shí)的度電成本計(jì)算，在0～31°的范圍內(nèi)光伏組件安裝傾角越大，年均可利用小時(shí)數(shù)越高，度電成本越低?？紤]到光伏發(fā)電站面積有限，同時(shí)滿足光伏發(fā)電站容配比的需要，采用的安裝角度為26°。水平地面方陣示意圖如圖1所示。

為確保在一天內(nèi)南部的陣列對(duì)北部的陣列不形成陰影，本電站采用下列公式對(duì)其間距進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中：β—太陽9：00時(shí)方位角；Φ—電站緯度；H—太陽能電池板最大高度（不含支墩）。

圖1 水平地面方陣示意圖

經(jīng)綜合分析和計(jì)算，最終確定前后排組件中心最小間距為：冬暖棚中心間距25m；春秋拱棚中心間距19.5m；食用菌棚中心間距18m。各配電室（逆變器）的布置盡可能使電池組件經(jīng)匯流箱匯流后到逆變器的線路損失減小，有效地提高各發(fā)電單元的上網(wǎng)電量，同時(shí)應(yīng)考慮農(nóng)業(yè)要求及檢修維護(hù)通道。

1.4 升壓站區(qū)設(shè)計(jì)

本電站新建一座110kV升壓站，采用裝配式升壓站。升壓站位于站區(qū)1號(hào)地塊的東南側(cè)，用地1.17公頃。其作為整個(gè)電站的集控及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)度中心，主要分為兩個(gè)區(qū)，綜合生產(chǎn)調(diào)度區(qū)及升壓變電區(qū)。綜合生產(chǎn)調(diào)度區(qū)主要布置綜合樓、材料庫；升壓變電區(qū)主要布置二次預(yù)制倉、主變、SVG無功補(bǔ)償裝置、35kV（110kV）預(yù)制艙，接地變及電阻成套裝置、事故油池及消防設(shè)施等，如圖2所示。

圖2 升壓站平面布置圖

升壓站內(nèi)配電裝置總體按三列布置。主變壓器及中性點(diǎn)設(shè)備、接地電阻布置在升壓站的中部。35、110kV配電裝置布置在主變的北側(cè)，雙層布置，35kV配電裝置布置在地面一層，110kV配電裝置布置在二層。二次繼電保護(hù)和低壓配電裝置共同布置在主變南部。無功補(bǔ)償裝置布置在升壓站整體的西側(cè)。除主變壓器、無功補(bǔ)償裝置的電抗器外，所有配電裝置均采用裝配式一體化配電裝置。

1.5 光伏電站年上網(wǎng)電量計(jì)算

光伏電站的系統(tǒng)效率是隨著輻照強(qiáng)度不斷變化的，輻照越低效率也越低，這是由于以下幾點(diǎn)原因造成的：其一，組件、逆變器、線纜等的損耗并不是線性變化的；其二，在輻射很低時(shí)（陰天或雨天），存在組串電壓過低，逆變器無法啟動(dòng)的階段（而輻照量是累加的）；其三，逆變器存在一定的自耗電情況（自耗電隨負(fù)荷變化很?。?，在低輻照情況下占發(fā)電量比重較高，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。一般地，在進(jìn)行電站設(shè)計(jì)時(shí)采用的系統(tǒng)效率值是年效率，每一天的系統(tǒng)效率差異和輻照的變化范圍有關(guān)，對(duì)于系統(tǒng)效率影響最大的其實(shí)是光伏組件。不同電站效率最高和最低差異很大，主要是因?yàn)槟孀兤饕?guī)格、MPPT范圍和其自耗電大小有關(guān)。

本光伏電站發(fā)電量采用PVSYST軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算依據(jù)廠址修訂后的太陽輻射量數(shù)據(jù)?？紤]各種折減系數(shù)后，系統(tǒng)的總效率取84.2%。站區(qū)總發(fā)電量從第1年末到第25年末，本光伏電站年上網(wǎng)電量由第1年的14735.14萬kWh下降到第25年的12183.08萬kWh。按25年運(yùn)營期考慮，總上網(wǎng)電量336477.71萬kWh，年均上網(wǎng)電量約為13459.11萬kWh。年均有效可利用小時(shí)數(shù)為1136.88h。

1.6 農(nóng)光互補(bǔ)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)部分設(shè)計(jì)按照主要功能區(qū)分，有三大部分，即冬暖大棚蔬果種植區(qū)、拱棚蔬果種植區(qū)、食用菌棚種植區(qū)。結(jié)合三種棚型的特點(diǎn)，分別選用不同的設(shè)計(jì)方法，分別如下：

冬暖大棚主要由基礎(chǔ)、墻體、鋼架、覆蓋薄膜、保溫被及傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。冬季白天陽光由前坡面薄膜照射進(jìn)入棚內(nèi)，后墻及地面均蓄熱，冬季放下保溫被后，墻體蓄積的熱量釋放到溫室內(nèi)，從而達(dá)到升溫的作用，節(jié)省大量的供暖費(fèi)用和能源消耗。通過研究，總結(jié)出了幾種冬暖大棚與光伏相結(jié)合的生產(chǎn)模式，得出了冬暖大棚投影面積與光伏板投影面積的適合比例，并探索出了與光伏相結(jié)合的冬暖大棚種養(yǎng)模式，使之更適應(yīng)新形式下的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)。

拱棚常用于春季提前和秋季延遲栽培，主要由鋼骨架、塑料薄膜、卷膜機(jī)構(gòu)等組成，可以有效阻擋雨水及鳥蟲等對(duì)棚內(nèi)作物的傷害。在拱棚中間架設(shè)支架，支架上安裝光伏板進(jìn)行光伏發(fā)電，此種方法對(duì)棚內(nèi)作物影響較小。

食用菌棚主要由鋼骨架、塑料薄膜、放風(fēng)系統(tǒng)等組成，可以有效阻擋雨水及鳥蟲等對(duì)棚內(nèi)作物的傷害。種植領(lǐng)域的農(nóng)光互補(bǔ)多在食用菌棚頂部鋪設(shè)光伏板，利用棚頂進(jìn)行光伏發(fā)電，此種方法對(duì)棚內(nèi)作物影響較小，且單位面積發(fā)電量較高。

2 發(fā)電指標(biāo)

眾所周知，對(duì)于光伏電站，發(fā)電指標(biāo)的高低直接影響著經(jīng)濟(jì)效益。為此，針對(duì)該農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站，以消缺為根本，通過節(jié)能降耗、對(duì)標(biāo)管理的方法，提出幾點(diǎn)提高發(fā)電指標(biāo)的建議，為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。具體建議如下：

（1）在配電室巡檢、操作結(jié)束后，及時(shí)關(guān)閉照明；（2）辦公室、學(xué)習(xí)室和休息室空調(diào)和照明，人員離開時(shí)及時(shí)關(guān)閉；配電材料倉庫等區(qū)域白天正常不得開燈；一、二次預(yù)制艙內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)定不低于26℃；（3）合理調(diào)整運(yùn)行方式，站用電源正常由站用備用電源供電，盡量增加上網(wǎng)電量。每月定期進(jìn)行一次站用電源切換試驗(yàn)，切換完畢后倒為備用變供電方式。（4）利用站控系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)視和調(diào)整，當(dāng)值班長指定專人每小時(shí)一次跟蹤設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)掌握運(yùn)行數(shù)據(jù)變化情況；根據(jù)站控設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)影響發(fā)電量大小等因素進(jìn)行分類，聯(lián)系施工單位及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)消缺，減少設(shè)備故障棄光率。（5）根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)光伏電站設(shè)備的監(jiān)控力度，確保逆變器按時(shí)并網(wǎng)、斷網(wǎng)，對(duì)未能如期并網(wǎng)或提前斷網(wǎng)的逆變器進(jìn)行檢查分析。（6）加強(qiáng)對(duì)光伏場(chǎng)區(qū)的巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)私拉私接農(nóng)業(yè)用電、組件損壞、樹木遮擋、人為破壞電纜等不安全因素，及時(shí)處理，保證設(shè)備投入率。（7）加強(qiáng)備品備件的管理，提高發(fā)電單元的運(yùn)行可靠性。（8）加強(qiáng)與當(dāng)?shù)劓?zhèn)、村領(lǐng)導(dǎo)的溝通和電力法規(guī)宣傳，在光伏場(chǎng)區(qū)周邊圍欄增設(shè)安全、警示、防火等宣傳標(biāo)語，減少因當(dāng)?shù)卮迕裆米云茐膰鷻谶M(jìn)入場(chǎng)區(qū)進(jìn)行種植、放牧等行為造成的光伏設(shè)備、電纜損壞。（9）如何保證組件的清潔對(duì)有效提高發(fā)電效益至關(guān)重要，要合理安排清洗周期，擬采用納米噴涂材料進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)語

光伏農(nóng)業(yè)和我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)以及生態(tài)文明建設(shè)相契合，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種全新模式。在這種模式下，不但可以實(shí)現(xiàn)土地立體化增值利用，還能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，因現(xiàn)階段沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，光伏農(nóng)業(yè)還存在諸多問題，如技術(shù)不成熟、面臨的土地問題等，為此制定光伏農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，有了標(biāo)準(zhǔn)才能引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，可以為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡提供方向，更好地實(shí)現(xiàn)能源與農(nóng)業(yè)、環(huán)境與發(fā)展、經(jīng)濟(jì)與資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。