山地光伏電站優(yōu)化方案設(shè)計分析

陳偉旗，賀楚平（湖南省電力設(shè)計院有限公司電力設(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)計分析

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

科學(xué)設(shè)計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。本文通過對電站地理特征、光伏組件特性、光伏陣列特性以及對電站的監(jiān)控和保護(hù)等多個對象進(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)友好性等實質(zhì)問題的內(nèi)涵，并且針對具體問題給出了山地光伏電站的科學(xué)的設(shè)計方法和選型指南，提出“因地制宜、科學(xué)設(shè)計”的光伏電站設(shè)計理念，為山地光伏電站的合理設(shè)計提供有價值的參考。

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不容忽視的問題，合適的地理位置不僅不會對生態(tài)環(huán)境造成危害，還會延長光伏發(fā)電設(shè)備的使用壽命，從而實現(xiàn)更長遠(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)模較大的一個分區(qū)，更需要引起施工方的重視，能否合理地對山地光能加以利用，不僅對新能源的開發(fā)產(chǎn)生影響，還會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特定的地勢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，同時在陣列的排布以及逆變器選型上也要根據(jù)實際情況做出調(diào)整，在整個山地光伏電站施工過程應(yīng)盡量做到對山地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，在保證生態(tài)穩(wěn)定的前提下，做到對山地太陽能資源的高效利用。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)實現(xiàn)對光伏設(shè)備的固定。

2　單個發(fā)電單元依據(jù)現(xiàn)場地形，規(guī)模適中

陰影造成的遮擋會嚴(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際地形變化進(jìn)行合理設(shè)計。設(shè)計的合理化不僅體現(xiàn)在對有限土地面積的合理利用，同時還要盡可能減少甚至是避免遮擋現(xiàn)象的發(fā)生，從而實現(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，由于一個發(fā)電單元需要集成20塊（2行，10列）光伏板，這樣一個發(fā)電單元的尺寸就將超過3400×10000，光伏板如圖1所示。這就要求施工地點具備很大的平整度，而山地環(huán)境中起伏的地勢是很難有這種大面積的平地的，所以在施工過程施工單元需要根據(jù)地勢做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。充分運(yùn)用山地中高低起伏的地勢，使得光伏單元按照地勢的走向形成陣列發(fā)光單元，既保證對山地中光能的充分利用，又可以減少土地整平，從而減少對山地環(huán)境造成的損害。

圖1　工作環(huán)境下的太陽能光伏板

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)實際坡度大小對發(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)計間距應(yīng)能保證在冬至當(dāng)天九點至下午三點間前后排不會產(chǎn)生遮擋。太陽輻射是光伏電站所發(fā)電能的主要來源，所以光伏組件間一旦出現(xiàn)遮擋，勢必會對光伏電站的發(fā)電量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以在山地電站的施工過程，要對光伏單元進(jìn)行合理布局，保證對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

光伏電站施工過程中電纜的敷設(shè)問題也要根據(jù)光伏電站的選址而做出相應(yīng)的變化，針對于山地光伏電站，人的活動相對較少，所以外露的電纜不會對人的活動空間造成影響，在山地施工過程中，為了降低工程作業(yè)難度，減少施工成本同時實現(xiàn)對山地環(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)境中對電纜進(jìn)行橋架式敷設(shè)是解決電纜布局問題的較優(yōu)選擇，不僅降低了電纜鋪設(shè)過程的工作量，而且不會對山地地表造成過度的損害，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，同時針對于電纜的檢修也變得方便、易操作。施工過程由于山地較惡劣的環(huán)境，對于施工過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電纜敷設(shè)實現(xiàn)它們之間的連接，這項工程可以在工程的最后階段統(tǒng)一進(jìn)行，所以中間施工過程對這部分電纜造成的損害相對較小。比較而言發(fā)電單元電池板之間的連接電纜損害相對較大，針對于這部分電纜可以通過將電纜的鋪設(shè)路線設(shè)計在電池板的支架中，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程造成的磨損，也可以通過槽架的結(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程中應(yīng)注意做到電站的防雷。因為山地電站的選址相對海拔都很高，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)，從而實現(xiàn)減少雷電對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)下對于太陽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其管理提出了更高的要求。同時問題出現(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。如何實現(xiàn)對光伏電站的全方位監(jiān)控是解決這一系列問題的關(guān)鍵。①每一組電池單元都應(yīng)配有一塊監(jiān)測芯片，便于管理室的工作人員對光伏電站進(jìn)行全方位的監(jiān)控，問題一旦出現(xiàn)，便可針對特定區(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光伏電站運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行掌控，對可能對電站造成損害的情況進(jìn)行及時排查，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，這就要對消防問題進(jìn)行高度重視，由此可見，完善的視頻監(jiān)控體系更是必不可少，不僅可以實現(xiàn)對電站運(yùn)作情況的監(jiān)督，還能在消防安全問題出現(xiàn)時，及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，從而保證電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)其持續(xù)穩(wěn)定的電量供應(yīng)。

電站外圍圍欄的設(shè)計對電站現(xiàn)場的監(jiān)測同樣很重要，因為電站的選址是山地，人的活動大大減少，但山地環(huán)境中生活的動物變成了影響電站正常運(yùn)作的主要因素。因為山地條件下圍欄的作用主要是限制動物，使其遠(yuǎn)離電站，所以圍欄在設(shè)計時應(yīng)最先考慮其實用的功能，而不需要花費太多的資金在圍欄建設(shè)方面。

5　每個發(fā)電升壓單元分區(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)行一或多級匯流，以此來保護(hù)監(jiān)測各組串正常運(yùn)行。合理的選擇匯流箱并根據(jù)山地電站結(jié)構(gòu)對匯流箱進(jìn)行合理布局將直接影響匯流過程中電纜的實用量及匯流箱在整個山地光伏電站中的使用量。同時，電力在電纜傳輸過程造成的壓降損失以及發(fā)電系統(tǒng)的效率也會因此受到影響。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)具體的施工特點進(jìn)行調(diào)整，匯流箱的回路數(shù)就必須根據(jù)電纜長度、纜線磨損情況以及電站選址的實際情況進(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。但針對于山地特殊的地理形貌，其高低起伏的地勢，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候會造成光伏單元長時間的遮擋，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，這就會對系統(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，應(yīng)結(jié)合山地具體形貌確定逆變器的型號。這樣不僅會保證電站的發(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

本文分別從技術(shù)和工程兩個角度對光伏電站建設(shè)過程中需要考慮的電站選址問題、各個光伏組件選擇與連接過程的排列布局以及光伏逆變器配套選型等問題進(jìn)行了較系統(tǒng)地闡述，并對光伏電站的設(shè)計方案提出了指導(dǎo)建議。今后的光伏電站設(shè)計施工應(yīng)根據(jù)本文提出的“因地制宜，科學(xué)設(shè)計”的電站設(shè)計理念和方法，實現(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地設(shè)計研究［J］.中國電力教育，2013（27）：238～240.

［2］馮耕，馬宇云．復(fù)雜地形下的太陽能矩陣布置［J］．武漢大學(xué)學(xué)報：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［J］．網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)報·在線教育，2012（37）：225～229.

賀楚平（1978-），男，工程師，大學(xué)專科，主要從事電力設(shè)備設(shè)計、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)計制造、設(shè)備安裝施工方面工作。