湖北地區光伏農業大棚項目技術方案特點

劉曉艷 王玉輝

（湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 43300004411）

日前，國家能源局正式下發國能新能（2015）73號文件，發布《2015年光伏發電建設實施方案》。方案提出，鼓勵結合生態治理、設施農業、漁業養殖、扶貧開發等合理配置項目。鼓勵通過競爭性方式配置項目資源，選擇技術和經濟實力強的企業參加項目建設，促進光伏發電上網電價下降，對降低電價的地區和項目適度增加建設規模指標。《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》已將太陽能光伏生態大棚電站的模式劃定為BIPV（光伏建筑一體化）示范項目，享受國家財政補貼。

光伏農業大棚是一種新形式的土地綜合利用方式，是現代化農業與清潔能源緊密結合的產物，項目節約用地，不改變土地屬性，又可以將空間立體利用，產生清潔電力，擴大供電可再生能源比例，帶來雙向效益。

1 項目概況

湖北地區某光伏農業大棚項目規劃總容量40MW，占地面積1 443畝，屬丘陵壟崗地貌，計劃在農業大棚內種植葡萄。廠址東西側地形相對較寬緩，該地段最大高差達3～6m。場地中部發育南北向沖溝。經現場勘探及結合區域資料，廠址地基巖土分布主要有：人工填土（Q4ml）、第四系全新統沖湖積（Q4l）淤泥、沖洪積（Q4al+pl）黏性土及第四系上更新沖洪積（Q2al+pl）黏性土。

光伏組件選型號為255Wp多晶硅電池組件，采用組串式逆變器。以35kV電壓等級接入系統，緩解地區環境保護壓力，促進地方經濟的發展，具有良好的社會和環保效益。工程建成投產后，所發電量在當地電網消納。

2 本項目技術方案的特點

2.1 光伏陣列設計及布置方案

根據采用的支架形式，光伏陣列采用橫向布置，單個光伏組串由20塊光伏組件構成。固定式光伏組串成排安裝，經計算陣列南北向間距6.7m。考慮到3～10月份為農業大棚內種植的葡萄的生長期，計算出在3～10月份陣列陰影范圍的基礎上，預留業主用于種植農作物寬度，經計算優化陣列南北向間距7m。

圖1 光伏陣列支架布置形式

光伏電站一般有橫向和豎向兩種組件布置形式（如圖1所示）。兩種布置形式，占地面積基本相同，豎向布置形式可節省光伏電纜的使用數量，從節約投資的角度考慮，早期的光伏電站設計上較多采用豎向布置［1］。

光伏組件的布置形式同樣影響光伏電站的發電效率。一般情況下，光伏電站的設計原則，是在冬至日上午9時之后下午3時之前無陰影遮擋，早晨和傍晚將不可避免地會出現陰影遮擋光伏組件的現象，對電站總體效率和維護帶來差異。多晶硅組件中，一塊組件一般由60片或72片電池片串聯而成。當串聯支路中的一個太陽電池被遮擋時，將被當作負載消耗其他的太陽電池所產生的能量，被遮蔽的太陽電池會發熱，嚴重影響組件的輸出功率，同時還會破壞太陽電池的性能。有光照的太陽電池所產生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。

當光伏組件被陰影遮擋50%時，豎向安裝的光伏組件不僅不會輸出功率，還會產生熱斑效應。但在同樣比例的陰影遮擋下，橫向安裝的光伏組件依然正常工作，功率等比例下降，無熱斑效應［2-3］。

經過實踐證明，同一地區同等規模的光伏電站，橫向陣列比豎向陣列的電站發電效率高出3%～5%左右，從而影響光伏組件的轉換效率和峰值功率。

本項目的設計方案從業主收益角度出發，采用的是光伏組件橫向布置方案。

2.2 集電線路方案

由于農業光伏的特殊性及陰影會顯著降低太陽能電池發電量。本項目集電線路不考慮采用架空線方式，采用加保護蓋板直埋方式［4］。

集電線路電纜過河溝時，若從水下走，需用防水電纜，雖然采購量不大，但是需要設置接頭井，工序復雜。因此過河溝電纜敷設采用橋架方式，建設不高于0.5m的混凝土電纜橋，將電纜槽盒敷設其上，槽盒上鋪以草皮加以美觀。橋架寬度大于3m時在河道中心適當位置設置橋墩。

圖2 過河溝電纜敷設電纜橋架形式

2.3 組件支架及基礎

本項目采用固定傾角安裝方式，光伏陣列采用三角形鋼結構空間支架，支架采用鍍鋅防腐，光伏陣列基礎沒有采用傳統的螺旋管樁和微孔灌注樁的形式，而是采用預應力管樁基礎。

預應力管樁顯著優點是工期短、造價低，尤其適用于本項目淤泥軟土地區。工期短主要體現在三個方面：一是施工前期準備時間短，經高壓蒸養的PHC樁，成型后到使用只需幾天；二是施工速度快；三是檢測簡單快捷。

造價低主要體現在兩個方面：一是管樁單體長度的價格較低，其承載力較高，單位承載力的造價較低；二是工期短，可以節省施工費用，縮短投資回收時間。

2.4 選用小型組串式逆變器優勢

目前光伏并網逆變器有大型集中式光伏并網逆變器和小型組串式光伏并網逆變器兩種主要形式，在光伏農業大棚項目上選用小型組串式光伏并網逆變器具有如下優勢：

圖3 組串式光伏并網逆變器方案示意圖

①提升光伏發電整體效率：多路MPPT，更好地滿足組件一致性匹配。直流故障損失低、系統自耗電低。

②設計施工方便：可組成兆瓦單元結構，便于設計。逆變器體積小，布置于陣列支架上，無土建基礎，安裝。

③降低運行故障率：無風扇、無熔絲、組串智能檢測，故障影響范圍縮小。

④節省土地、增加土地利用率。

本項目選用國內優質的一線品牌的組串式逆變器，減少了開關損耗，電能質量好，電壓跳變輻度小。模塊化逆變器通信模塊采用移動4G方式進行通信，逆變器通信模塊與其所連接的組串之間采用無線載波通信。提高可靠性，便于施工，減少運營工作量。

3 結語

隨著我國農業產業結構的深化調整和轉型升級，以科技、高效、安全、環保和多功能為標志的現代化農業項目蓬勃發展。光伏農業大棚項目是集光伏發電、農業觀光、農業作物、農業技術、園林景觀及文化發展于一體的創新型農業產業。本項目實施后將推動綠色農業生產，智能循環，單個模塊故障不中斷發電，故障檢修時間短。可以有效地提高發電量。消除了光伏組串式不匹配的損失，取消了直流匯流箱和直流柜，取而代之的是交流匯流箱，容量配置更加靈活。防護等級可達到IP65。箱變至逆變器之間采用PLC通信技術，比普通的RS-485通信技術傳輸速度更快。

表1 通信方案對比表

2.5 光伏發電監控系統

本項目電池組件數量龐大，為便于運行維護，光伏電場進入中央監視，監視范圍深入到串聯回路。采用有智能監控和故障檢測功能的組串式逆變器，用無線方式送檢測信號至監控中心［5］。

光伏發電監控系統采用分布式網絡結構，實現對光伏發電、逆變設備的監視、測量、控制功能。監控主機與真正實現科技高效的循環生態農業，發揮產業集群效應，繁榮地區經濟，建成省市特色農業的樣板和窗口。

［1］慕陽.淺談太陽能光伏發電系統在農業大棚中的應用［J］.科研，2015（17）：187-187.

［2］黃勇.光伏發電系統在溫室大棚上的應用［J］.科技廣場，2015（5）：69-76.

［3］蔣廣潔，韓航玲.關于棗莊市臺兒莊區發展光伏農業大棚的思考［J］.現代農業科技，2014（13）：225-225.

［4］黃華，張梅，何銀濤.基于PKPM-PMSAP的多跨連棟式光伏農業大棚結構分析［J］.太陽能，2015（8）：24-26.

［5］王曉東.光伏技術在農業大棚上的應用［J］.化工中間體，2015（5）：39-40.