太陽能光伏電站總平面布置及豎向設計優化——大唐包頭固陽縣金山光伏電場一期20MWp項目

內蒙古電力勘測設計院 ■ 楊輝東 孫建

一 引言

現階段能源消費主要依賴石油、煤炭和天然氣等化石燃料。根據權威報告分析，在可預見的未來，常規化石燃料將逐步枯竭，并且常規化石燃料燃燒產生大量的粉塵、二氧化碳、硫化物、氮化物等污染源，對環境破壞嚴重。故太陽能、風能、潮汐能和生物質能等可再生能源越來越受到人們的青睞。

太陽能以其取之不盡、用之不竭、隨處可得、就近供電、運行成本低、不易損壞、維護簡單、無污染、建設周期短等優點，使其開發與利用日趨受到各國的普遍重視，已成為新能源領域中技術相對成熟、開發利用水平較高、具有商業化發展條件的新型能源之一。

現有較成熟的、規模化太陽能發電有光伏發電和太陽能熱發電(塔式、碟式或槽式)兩種形式。其中光伏發電直接將光能轉換成電能，發電過程中不產生任何污染物或廢棄物，是太陽能利用的有效方法。本文僅對太陽能光伏發電總平面布置及豎向設計進行探討。

二 站區總平面布置

太陽能光伏發電具有單位容量占地面積大的特點。根據地域、地形不同，每MW光伏發電占地在2.0～2.3hm2。為減少征地費用，站區總平面布置時，應在滿足工藝、消防、檢修等要求前提下，盡量做到占地面積最小。

規模化光伏發電站區常規由管理站區和光伏發電區域兩部分構成。其中管理站區由站區生產管理區、配電區、生活區等構成，主要建(構)筑物有主控樓、服務樓、消防水及生活水泵房、污水處理系統、動態無功補償裝置、配電室、變壓器、110kV屋外配電裝置等；光伏發電區域主要建(構)筑物有光伏發電板及支架、分站房、箱變、380/220V配電間等。其中管理站區占總面積的2%～4%，光伏發電區域占總面積的96%～98%，故優化光伏發電區域的總平面布置形式對控制整個光伏電站的占地面積具有決定性因素。

影響光伏發電區域總平面布置的因素主要有光伏方陣的安裝方式、光伏組件布置的方位角、傾角、陰影計算以及設計坡度等。

(1)光伏方陣的安裝方式有簡單的固定式、傾角季度調節式和自動跟蹤式3種類型。自動跟蹤式又可分為單軸跟蹤、雙軸跟蹤兩種類型。

(2)太陽電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角。通常，當方陣夾角為0?，即電池方陣朝向正南時，電池發電量最大；方陣偏離正南方向角度越大，發電量損失越大。

(3)傾角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，使方陣年發電量最大時的傾角為最佳傾角。緯度越大則傾角越大。

(4)太陽光直接照射太陽電池板時，電池發電量最大；相應電池板被遮擋，只靠太陽散射發電時，電池發電量減少10%～20%。為防止前排電池方陣對后排電池方陣遮擋，前后排方陣應留有足夠的距離。

設方陣高度為H，其南北方向的陰影長度為D，太陽仰角為α，在方位角為β時，假設陰影的倍率為R，則：

此式應按冬至日進行計算，因為冬至日的陰影最長。例如方陣的上邊緣高度為h1，下邊緣高度為 h2，則方陣之間的距離為 D=(h1? h2)×R。

通過陰影遮擋計算確定行距。假設場平坡度為0?，光伏方陣行距應不小于式(2)的D值：

式中：ˉ為緯度(在北半球為正、在南半球為負)；H為光伏方陣上下邊的高度差。

根據式(1)(β=0)，可得：

仰角α=arccot D/H

設場平設計坡度為X，如果北高南低，X為正值，相反則為負值；設計地面線與水平線的夾角為arctanX。

則光伏方陣前后行距不小于式(3)的L值：

為方便施工，實際設計時將L值在小數點后一位取整，例如5.423取值為5.5。

(5)光伏發電常規由1MW光伏電池板組成一發電單元，每1MW光伏發電單元配置一分站房與箱變，由站區檢修道路將每1MW光伏發電單元分成兩部分，根據工藝要求，部分發電單元內布置一380/220V配電間。

圖2 多晶硅(230型)電池方陣

每1MW光伏發電單元由多個電池方陣呈陣列布置，根據電池板單位功率不同，相應的電池方陣數目不同。以多晶硅230(每塊電池板的功率為230W)類型光伏組件為例：每40塊電池板構成一個電池方陣，每1MW光伏發電單元由109個電池方陣組成。

根據地形、征地情況等各種外部條件不同，每1MW光伏發電單元布置方式呈矩形、平行四邊形或不規則形布置。以大唐包頭固陽縣金山光伏電場一期20MWp項目為例：每1MW光伏發電單元呈矩形布置，由8列×14行電池方陣構成。

以多晶硅230(30V)類型光伏組件為例：每1MW光伏發電單元共安裝4360件230W(30V)光伏板組件，每20件光伏板組件串聯為一個支路，共218個支路；故每個支路的出口電壓為600 V，電壓較低。為降低低壓線損，將分站房與箱變布置于該單元的中部，這種布置低壓集電線路較短，如圖3所示。

圖3 左右各1MW光伏發電單元

光伏發電總平面布置時主要考慮光伏發電區域的布置，在滿足前后不遮陰的前提下，前后電池方陣距離應盡量小。如征地不受限，光伏發電單元應布置成矩形，占地最小，施工方便；如征地范圍不規則，則可根據具體征地線將光伏板布置成平行四邊形或不規則形。

三 站區豎向設計

光伏發電的豎向設計就是將站區自然地形加以改造平整，進行豎向布置，使改造后的設計地面滿足防洪、防澇、場地排水、光伏發電等使用要求。豎向布置形式按整平面之間的連接方式不同分為平坡式、臺階式和混合式3種。

平坡式的定義為“將用地處理成一個或幾個坡向的整平面，坡度和標高沒有劇烈的變化[1]。”臺階式為“由兩個標高差較大的不同整平面相連接而成的，在連接處一般設置擋土墻或護坡等構筑物[1]。”混合式定義為“即平坡和臺階混合使用，如根據使用要求和地表特點，把建設用地分為幾個大的區域，每個大的區域用平坡式改造地形，而坡面相接處用臺階連接[1]。”

由于光伏發電單位容量占地面積大，導致工程場平工程量大。在豎向設計時，應根據各種不同的自然地形條件，可通過采用臺階式布置、增加或減少設計坡度等各種豎向優化方法，減少場平工程量，達到節省工程造價的目的。

四 工程實例

大唐包頭固陽縣金山光伏電場一期20MWp項目位于內蒙古包頭市固陽縣政府所在地金山鎮西北側約5km處。工程規劃容量100MWp，本期容量為20MWp，光伏發電系統由20個1MWp光伏并網發電分區組成，光伏組件全部采用多晶硅。

工程站址位于山前坡地上，地勢較高，地形復雜，自然標高在1425.00～1459.50m之間。自然坡度總體北高南低、中間高兩側低，其中南北向自然坡度約為2%，東西向自然坡度在1%～10%。站址西側邊界緊鄰一條季節性山洪溝，寬約150m，深約1m，根據水文氣象報告分析：該無名溝發生百年一遇洪水時，山洪不會出槽，對太陽能設施無威脅，由于站址地勢較高，因此不受內澇洪水的威脅。

根據站址地形條件，站區采用臺階式布置，該布置方式將站區分為東西兩個相對獨立的區域。站區東側由北向南依次布置有6MWp太陽能發電單元、管理站區；站區西側布置有14MWp太陽能發電單元。兩區域之間通過站區南側、北側兩條砂石路面檢修道路連接。

管理站區內東側由北向南依次為動態無功補償裝置、10kV配電室、110kV屋外配電裝置；主控樓位于管理站區的西側中部，服務樓位于其北側；生活水及反滲透處理室緊鄰服務樓西側布置，管線短捷；主控樓南側相應布置了廣場和綠化用地；進站道路由南側進入站區。

由于自然坡度較大，本工程豎向設計時主要考慮減少土石方工程量，為滿足該條件，本工程分別采用臺階式布置方式結合東西向設計坡度，其中東西兩臺階最大高差值為5.3m。站區豎向總體坡度由北向南采用2%的坡度，東西向設計坡度在0%～2%之間。

圖4 臺階式布置方式

圖5 平坡式布置方式

圖6 臺階式布置的土方斷面圖

由于東西方向有最大2%的設計坡度，導致左右相鄰的兩組光伏方陣最大高差值為0.4m。為減少陰影對發電量的影響，平面布置時將該光伏方陣左右間距由0.5m增大至2.0m，且單組光伏方陣東西支架長度最大相差約0.3m，故土建專業應將支架設計成高低可調式，安裝時可通過調節支架下部螺栓來調整光伏方陣的高低。

圖7 平坡式布置的土方斷面圖

表1 臺階式布置方案與平坡式布置方案工程量、造價比較表

通過該工程可以發現，臺階式布置較平坡式布置增加了站區占地面積和檢修道路的長度，但通過綜合技術經濟比較，節約工程投資約226.21萬元。

五 結論

光伏發電總平面布置時，光伏板在滿足前后不遮陰的前提下，前后電池方陣距離應盡量小，光伏發電單元在條件許可的情況下應盡量布置成矩形，最大限度節約用地。

由于光伏發電占地面積較大，豎向設計時應與總平面布置統一考慮，在滿足防洪、防澇的前提下，確定合理的豎向布置方式以減少場平工程量。如東西向自然坡度小于2%時，適合采用平坡式布置方式；當東西向自然坡度大于3%或自然坡度在2%～3%之間，但站區東西向長度大于400m時，宜采用臺階式布置方式；南北向自然坡度在8%以上應采用臺階式布置方式。

[1]呂斌，馮健, 等. 城市規劃相關知識[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2011: 70－71.

[2]張玉明，王永, 等. 變電站總布置設計技術規程 (DL/T 5056—2007)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[3]楊金煥, 于化叢, 葛梁. 太陽能光伏發電應用技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2009.