基于柔性支架的光伏電站的研究與設計

寧勇平，袁翼軫，張 果，王勛志

（1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司 湖南 長沙410000；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南 長沙410000）

近年來，國內光伏項目種類層出不窮，如地面光伏、山地光伏、屋頂光伏、農光互補、漁光互補等，本項目依托技術優勢，利用柔性支架，打破常規光伏電站模式，創造性地在污水處理廠的水池上空，建設光伏電站。

1 工程概況

該污水處理廠4.16 MWp 光伏并網發電項目位于湖南省長沙市芙蓉區東岸鄉，地理坐標為：28.22°N，113.05°E。所選廠區電網接入方便，交通便利，日照豐富，具備建設光伏電站的優越條件。本項目通過對土地和地上空間的再次開發，利用污水處理廠生物池（2 個方形池）、二沉池（8 個圓形池）等水池表面空間和四周綠化用地，采用鋼結構加預應力鋼索的方式，架空安裝太陽能光伏電池組件，項目利用面積約45000 m2，安裝275 Wp的多晶硅光伏電池組件15134 塊，系統總裝機容量4.161850 MWp。本項目采用自發自用、余電上網的模式，接入電網電壓等級為0.4 kV，并根據廠區變壓器容量和負荷情況，將光伏系統分散接入到廠區一期的2個配電間和二期的3個配電間，共9個并網點，光伏電站所發電量優先由廠區負荷消納，多余電量輸出到電網。該項目已于2018年底竣工并網發電。

2 總體方案設計

光伏發電系統是將太陽能通過光伏組件轉化為直流電力，再通過并網型逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的交流電后經過低壓配電后并入電網。

2.1 支架方式選擇及設計

目前已有的污水處理廠光伏發電方案，絕大部分技術都很成熟，主要的難點是光伏組件方陣支架以及基礎的設計，其原因之一是基礎的結構形式必須保證污水池的安全可靠運行，并在施工時對污水池不能有任何影響；原因之二則是如何實現支架在污水臭氣環境下防腐。

2.1.1 柔性支架設計

本項目針對水廠構筑物跨度大、鋪設難的問題，設計出一種新的光伏板安裝技術—柔性支架安裝。在水池上、布滿管線的構筑物上也可通過柔性支架方式安裝光伏組件。

剛性支架一般采用鋼結構柱、梁作為主結構，檁條作為次結構，光伏組件固定在檁條上，根據以往的實際工程，剛性支架主要存在以下問題：土地占用率高，平均每1 MW 占地面積約22000～23333.33 m2；鋼結構支架耗材量大；支架立柱間距3～4 m，支架跨度小，若要形成大跨度支架，支架自身占用空間大，成本大幅度提高。受地形影響較大，適應地形能力差，不能用于大型污水處理池等比較復雜的場地。

柔性光伏支架主要由預應力鋼索（鋼絲繩）、兩側抗拉構件、中部的支撐立柱組成。光伏組件通過連接件固定于預應力鋼索上，通過施加預應力使鋼索產生剛度，能作為光伏組件的安裝支架，其優勢如下：支架自身除立柱外不占用任何空間，大規模提高了土地利用率，大幅度減少了鋼材用量，降低造價，節約成本。便于形成較大跨度。節約能源，美化了環境，符合當下國家綠色、環保的理念。柔性光伏支架示意圖如圖1 所示。

圖1 柔性光伏支架示意圖

圖2 柔性支架設計圖

因此根據場地特點，本工程采用柔性支架方案，解決了在大跨度空間的污水處理池上空建設光伏發電站的難題，能夠使光伏發電站與污水處理池融為一體，讓水廠更具空間感，環境更加優美；同時這種支架形式將光伏電站建設在水池上方，可靈活預留出設備檢修通道，不影響污水處理廠的正常運營和設備檢修，實現了光伏與環保產業的完美接合。設計圖如圖2所示。

2.1.2 防腐設計

由于污水處理工藝、污水成分綜合原因，柔性支架的防腐性能要求嚴格，支架防腐可采用以下兩種方式。

硅膠涂料：硅膠涂料能夠全面防護支架各個原件，很好的適應氣候變壓，具有防腐蝕、防銹蝕、防鹽霧，耐酸堿等特性，保證支架的使用壽命。

酚醛環氧漆：酚醛環氧漆對金屬構件的附著力強，涂料耐腐蝕性能強；機械性能優良，同時涂料耐磨，耐沖擊，耐有機溶劑。

運維通道：由于柔性支架架設于水池上方，設計對于污水水池本身設備的維護專門預留檢修通道；對于光伏組件本身的線路檢驗、組件檢查、運行等單獨設置預應力鋼索作為日后的運維通道。

采用新型柔性支架形式支架進行光伏組件的固定安裝，本項目實際效果如圖3所示。

2.2 光伏陣列設計

2.2.1 陰影分析

根據項目規劃，本分布式光伏項目擬建設在污水廠區內，光伏組件架設于污水處理池上方，陰影主要考慮陣列間的相互遮擋。

本項目中固定安裝系統的方陣傾角經過PVsyst軟件模型計算，可得到在不同傾角的情況下，各月方陣斜面上平均日輻射量及年總輻照量，經PVsyst軟件測算[1]，傾角為15°～39°范圍時，系統年總輻照量接近最大，且能布置的光伏板也較多，綜合發電量和光伏板安裝容量，由此確定本系統光伏組件傾角為15°。組件最低點離地面3 m，預留比較充足余量供后期運維以及組件下方植物的采光，同時避免造成組件下方空間光線不足而降低人們作業時的舒適感。

圖3 新型柔性支架組件安裝方式效果圖

本項目太陽電池組件縱向一塊放置，多晶硅太陽電池組件尺寸為1650 mm×992 mm。

通過以上公式計算得知：太陽電池組件陣列間距D≈600 mm。

同時，通過PVsyst 軟件仿真分析，豎向排布組件前后排凈距600 mm 在全年9:00—15:00 時段無遮擋，與陰影遮擋公式計算結果一致，通過綜合比較分析，本期項目采用豎排布置，組件南北方向凈距為600 mm，東西方向凈距為100 mm。

2.2.2 光伏組串設計

為了使逆變器的轉換效率達到最佳值，必須根據逆變器的參數將光伏組件進行串并聯。每個并聯支路的光伏組件串聯數量主要受逆變器最大功率跟蹤電壓范圍的限制，光伏組串的最佳工作點電壓必須在逆變器的最大功率跟蹤電壓范圍內；而總的并聯支路數受逆變器最大輸入功率限制。

組件串聯數為19～22 塊均可符合參數要求，考慮到污水池上空情況的陣列布置及施工的便利性，主要按照每22 塊組件為一個串路來設計，對個別地方根據實際情況調整為20 或21 塊一串來設計。

2.3 抗PID方案

光伏電站抗PID 有負極接地方案、虛擬接地方案和加正向偏置電壓方案，其中，負極接地方案必須配置分裂式隔離變壓器，成本相對較高；虛擬接地方案適用于地面電站和分布式屋面光伏電站，此方案需要采用隔離變壓器；加正向偏置電壓方案的原理是：該方案利用夜間逆變器待機后，采用ANTIPID 設備作為輔助電源，在光伏組件直流輸出和逆變器直流輸入端增加一個直流電源，確保負極高于地電勢，把白天工作時由于PID 效應損失的電子從PE“抽”回來，并對已經產生PID效應的光伏組件進行修復，適用于分布式電站及大型地面并網電站。綜合技術和經濟分析，本期項目采用加正向偏置電壓方案，有效的緩解本光伏系統PID 效應，從而提高光伏電站的發電效益。

3 電氣接入設計

本項目在不改變污水處理廠廠區內原有配電的前提下，分布式光伏發電實現就地并網，接入配電室0.4 V 配電系統，實現自發自用，余電上網。整個光伏發電系統設9 個并網點，經組串式逆變器輸出匯流后，經9 臺升壓變升壓后并入10 kV母線。

在本系統中，光伏并網柜設置斷路器進行保護，并設置隔離開關，系統可在需要時與電網完全脫開，保障光伏系統及電網安全。同時在并網側安裝電力監測及顯示儀表，可實時觀測系統運行參數。本系統并網接入點選取在總配電室0.4 kV低壓配電柜內，采用電纜與0.4 V配電柜內母排或開關相連接，安裝并網計量柜，預留計量表安裝空間，供電網公司安裝計量用電流互感器及電能表。

4 發電量預測

本工程系統效率的修正系統如表1所示。

表1 系統效率估算修正系統統計表

本期項目光伏組件方位角為30 度（北偏東），采用15°傾斜角安裝，經過PVsyst 模擬，組件傾斜面年峰值日照小時數為1251h。年發電量為4334024 kWh。

本項目第一年系統總效率為83.28%，隨后由于光伏組件實際功率的衰減，系統總效率會逐年下降，且首年下降最快[6]。本項目采用多晶硅光伏組件，功率首年衰減3%，前10年衰減率約為10%，第10-25年恒定衰減率為0.667%/a，第25年衰減20%。本項目25年發電量計算結果如表2所示。

表2 25年壽命期內發電量預測表

如表2 所示，本期項目預計第一年發電量為433.4 萬 kWh， 第一年有效利用小時數為1041.37h。 25 年累計發電量9789.615223 萬kWh，平均每年發電量為391.5846.09 萬kWh，年均有效利用小時數為940.80h。

5 效益分析

5.1 經濟效益

本項目年均發電量約400 萬kWh，項目工業電價約為1 元/kWh，項目國家補貼約為0.42 元/kWh，所以平均每年產生收益約570萬元；

5.2 社會、環境效益

本項目25 年壽命期內，年均節能減排量如表3所示。

5.3 優化污水處理工藝效益

項目在污水處理廠上空覆蓋了光伏組件，在發出綠色清潔電能的同時，還可以抑制水池內藻類植物的繁殖，優化了污水處理工藝，提升了水質。

表3 節能減排量預測表

6 結束語

本項目采用“鋼結構+預應力鋼索”光伏支架形式，很好地實現了在大跨度的污水處理池上空建設光伏電站。同時，自發自用模式很好地匹配了污水處理廠白天電價高、耗電大的工藝。太陽能作為清潔能源，項目的經濟、社會、環境、優化污水處理工藝等方面效益良好，符合可持續發展的目標。本項目在湖南地區首次采用柔性支架方案，對以后類似的項目具有很好的示范作用。