晉南地區(qū)山地光伏發(fā)電項目設(shè)計優(yōu)化研究

郭文敢 武晉祿 張星星 錢湘

(廣東粵電湛江風(fēng)力發(fā)電有限公司 廣東湛江 524030)

2023 年3 月20 日，自然資源部辦公廳、國家林業(yè)和草原局辦公室、國家能源局綜合司印發(fā)《關(guān)于支持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)范用地管理有關(guān)工作的通知》[1]。通知要求，光伏方陣用地不得占用耕地，占用其他農(nóng)用地的，應(yīng)根據(jù)實際合理控制，節(jié)約集約用地，盡量避免對生態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響。

山西省晉南地區(qū)某光伏發(fā)電項目為山西省2021年建設(shè)指標，由于國家關(guān)于光伏發(fā)電項目土地政策的變化，項目用地進行了較大的調(diào)整，從最初的大部分農(nóng)光互補（原地貌見圖1）的模式到最終的山地模式（地貌特征見圖2），項目最初的設(shè)計思路無法匹配山地的地貌、地質(zhì)特征。

圖1 原地貌

圖2 山地地貌

陣列安裝面分布在不同角度、階梯差的陽坡及東西坡，由于東西坡占比較大，陣列安裝面需要針對東西坡做適用性調(diào)整，否則會面臨如下風(fēng)險。

（1）支架受力模型變化，對支架基礎(chǔ)不利，東西坡安裝情況，在隨坡就勢的安裝方式下，支架重心沿坡度方向可以分解，該平行于組件安裝面的力對支架基礎(chǔ)及主梁不利。

（2）土地利用率低，光伏區(qū)占地面積大且分散，集電線路用量大，線損高，對系統(tǒng)效率不利。

（3）陣列間互相陰影影響加劇，會遇到東坡下午陰影遮擋明顯，西坡上午陰影遮擋明顯的情況，會降低綜合系統(tǒng)效率[2]。

基于上述情況，結(jié)合項目所在地緯度情況（與太陽高度角運行規(guī)律直接相關(guān)）、地貌特征、地質(zhì)特征，綜合對比相近緯度項目，相似地貌地質(zhì)項目，對支架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式、陣列安裝傾角、陣列排布方位角等與光伏區(qū)陣列相關(guān)技術(shù)要素做了優(yōu)化[3]。

1 設(shè)計方案優(yōu)化

1.1 支架基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

山地模式下項目可使用的地塊，光伏陣列安裝面普遍坡度較大，大部分區(qū)域機械開挖基坑存在困難，需要結(jié)合人工開挖，因此，擬將基礎(chǔ)調(diào)整為小孔徑的灌注樁，樁徑0.160～0.180 m，樁基礎(chǔ)采用地錨樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.6 m，每組基礎(chǔ)采取雙立柱方案詳見圖3。調(diào)整后的樁基礎(chǔ)中心距為0.8 m，整體結(jié)構(gòu)類似原支架方案，但基礎(chǔ)及立柱結(jié)構(gòu)由原來的鋼柱方案修改為鋼架方案，降低了基礎(chǔ)的施工難度，增加了安裝節(jié)點，擴大了立柱的有效截面，單榀支架的慣性矩得到有效提高，大荷載下的撓度變化范圍更小，支架的穩(wěn)定性得到增強[4]。

圖3 支架及基礎(chǔ)側(cè)視圖

施工現(xiàn)場地塊坡度存在多樣化的現(xiàn)象，偏東或者偏西坡也比較多，由于支架采取隨坡就勢的安裝方法，建議每個陣列增加一組基礎(chǔ)，由5組/陣調(diào)整為6組/陣，基礎(chǔ)加密后，支架主梁和檁條的受力情況均得到好轉(zhuǎn)，主梁和檁條的截面可以根據(jù)相應(yīng)的受力模型重新調(diào)整，調(diào)整后的支架立柱與組件排布如圖4所示。根據(jù)調(diào)整后的支架結(jié)構(gòu)，重新建模分析，在規(guī)范規(guī)定的荷載、系數(shù)，以及多種組合工況下分析，最不利的情況下，各桿件的應(yīng)力比均滿足要求，桿件應(yīng)力分析見圖5。

圖4 支架基礎(chǔ)排布圖

圖5 支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖

由于增加了一組基礎(chǔ)，檁條的受力與變形情況得到了較好控制，撓度比遠超規(guī)范要求的標準值，為大組件長久運行提供了非常好的基礎(chǔ)條件。

1.2 陣列安裝傾角優(yōu)化

項目原設(shè)計陣列安裝傾角為33°，該角度為PVsyst模擬出來的最佳傾角，輻照數(shù)據(jù)來源為Meteonorm8.0，數(shù)據(jù)采集期為1991—2000年。依據(jù)該輻照數(shù)據(jù)模型，按照陣列安裝面年輻射量最大的原則，模擬情況如圖6所示。

圖6 PVsyst模擬最佳傾角

PVsyst 是行業(yè)內(nèi)比較權(quán)威的模擬分析軟件，算法可靠度比較高[5]。但是輻照數(shù)據(jù)與當前的氣候環(huán)境存在比較大的偏差，2000年距今已有20年，近20年中國的工業(yè)飛速發(fā)展，與日俱增的霧霾污染一直無法得到有效控制，近幾年國家對大氣環(huán)境的整治力度空前之大，但是項目所在地地處汾河平原，冬季前后的主方向為北風(fēng)，汾河平原地勢相對較低，霧霾沉積較為嚴重。在汾河平原東西兩側(cè)為山區(qū)，海拔逐漸增高，沿山路爬升時，朝向平原區(qū)觀察，可以看到明顯的霧霾沉積現(xiàn)象，而隨著海拔達到1 000 m左右時，霧霾逐漸消散，空氣通透度大為提高。

基于冬季霧霾情況，自2016年晉南地區(qū)開展大型地面光伏電站建設(shè)起，就不斷有光伏項目結(jié)合項目地局部氣候的特點、海拔位置、限電情況等因素對陣列安裝傾角做了調(diào)整，具體情況如表1所示。

表1 晉南地區(qū)部分光伏電站安裝傾角統(tǒng)計

上述項目在調(diào)整安裝傾角后，和周邊項目做了發(fā)電量對比，其中吉縣金智與山西天惠光伏電站并網(wǎng)時間較早，自2016年底并網(wǎng)以來實際發(fā)電小時數(shù)均高于周邊33°傾角以上的光伏電站。

若以夏季發(fā)電量最大為原則，則模擬出來的最佳傾角為18°，具體如圖7 所示。因此，冬季霧霾影響的權(quán)重對全年實際發(fā)電量的影響可以得出如下結(jié)論：項目的安裝傾角范圍為18°～33°，在本區(qū)域高海拔區(qū)域（1 800 m 以上），可以采取33°傾角，低于1 800 m 海拔的區(qū)域需要結(jié)合周邊已建電站的數(shù)據(jù)做適用性調(diào)整。

圖7 PVsyst模擬最佳傾角（夏季最大）

本項目海拔高程約為700 m，參照表1 的數(shù)據(jù)，建議采取的安裝傾角為22°～25°，在該范圍內(nèi)，實際發(fā)電量的偏差不超過0.3%，結(jié)論如下。

33°傾角無霧霾區(qū)域理論值設(shè)為100%，25°傾角相對于理論值降低約1%，而22°傾角相對于25°傾角降低約0.3%。但是由于本項目未處在高海拔區(qū)域，無法消除霧霾影響，實際的發(fā)電最佳區(qū)域應(yīng)為25°～30°，在該區(qū)間內(nèi)發(fā)電量變化不明顯，但是高于或者低于這個范圍，發(fā)電量均可能發(fā)生一定比例的損失[6]。

本項目用地緊張，傾角降低能有效降低土地使用面積，為了更好地完成預(yù)定的裝機容量目標，實現(xiàn)項目整體收益，建議本項目陣列安裝傾角調(diào)為22°。

1.3 陣列排布方位優(yōu)化

山地項目在遇到東西坡時，需要調(diào)整陣列方位角，陣列方位隨等高線方向做一定范圍的調(diào)整，可有效提高土地利用率，平衡光伏陣列上午與 下午陰影影響的范圍線，如圖8所示。若不調(diào)整方位角，則在東坡工況時，上午陰影線較短，但下午陰影線很長，西坡則相反，會出現(xiàn)比較明顯的短板效應(yīng)[7]。

圖8 東西坡陰影模型

但是方位角的調(diào)整會損失發(fā)電量，調(diào)整的角度越小，影響越小[8]。以本項目為例，經(jīng)PVsyst模擬，不同方位角發(fā)電量降低成果如表2所示。

表2 不同安裝方位角對比

在方位角15°時，相比方位角0°時發(fā)電量降低0.5%，但是超過15°時，隨著方位角增大，發(fā)電量降低速率也在增大，因此建議方位角的調(diào)整控制在15°范圍內(nèi)，地形特殊的情況下，方位角不超過20°。

2 結(jié)語

經(jīng)過上述幾個方面的優(yōu)化，該項目在支架基礎(chǔ)、支架安裝、陣列布置、土地利用率等方面均實現(xiàn)了有效優(yōu)化，對發(fā)電量的影響也控制在合理范圍內(nèi)，相對于原方案在工程難度、土地利用以及陰影遮擋等方面的弊端，本優(yōu)化方案在這兩方面有較大的提高，綜合效益是積極的，對于山地光伏發(fā)電項目的設(shè)計具有一定的借鑒意義。