光伏發電站系統優化設計建設探討

中電建新能源集團股份有限公司河北分公司 溫子明 梁 卓

近年來，我國注重且踐行“節能減排、綠色低碳”環保理念，并將其與社會各行業的建設相融合，以此為可持續發展戰略的實施提供基礎保障。在電力行業中，新型能源的創新發展對社會具有顯著促進作用，能夠進一步提高電力系統運行穩定性與安全性，同時為人們提供更高質量的電力能源。但是從實際角度分析，電力系統的優化設計還存在一定的問題，需要結合工程實際情況對發電站系統進行優化設計，將科學理念融入其中，這樣才能夠保障發電站系統的社會效益與經濟效益。基于此，本文對光伏發電站系統的優化設計建設進行了分析。

1 光伏發電站系統概述

1.1 光伏發電站系統分類

光伏發電系統包括獨立發電系統、混合型發電系統、并網光伏發電系統等多種類型，具體如下。一是獨立發電系統。該系統是指利用太陽能電池板吸收光能，最終將其轉變成為直流形式的電力能源。同時，能夠進行直流供電與交流供電兩種供電。二是混合型發電系統。該系統與獨立發電系統之間的區別在于具有備用發電機組，能夠保證系統全部的發電需求。三是并網光伏發電系統。該系統在逆變器影響下和電網系統之間進行有效連接，并確保兩者之間保持同頻、同相狀態，這樣才能夠保證電力能源進入電網系統中[1]。

1.2 光伏發電站系統工作原理

光伏發電站系統主要是指，基于半導體界面的光生伏特效應，將光能轉變成為電力能源的技術，其內部核心元件是太陽能光伏動力電池，其在并聯后進行加密維護即可得到太陽電池組系統，與功率控制器等系統進行配套使用極為光伏發電站系統設備[2]。光伏發電站系統在實際應用時，受到地理因素的影響效果比較小，同時具有低污染、低噪聲、安全穩定、能源消耗少等優點，在架設專用系統線路后就能夠投入運行，并且具有較短的工程建設周期。

2 光伏發電站系統優化設計工程實例

本文以三北地區某電力工程為例進行分析，對光伏發電站系統展開優化設計分析，其中包括系統設計、光資源分析以及投資效益等部分，同時結合地區項目實際建設情況，對重點與關鍵環節進行詳細講解說明。

2.1 系統設計

光伏發電站系統中使用的光伏組件具有多種類型，結合本工程地理位置，最終選擇規格為255Wp的多晶硅光伏組件，運行方式為固定式，光伏仿真最佳固定傾角設計為40°；以并聯形式連接光伏組件，連接數量設計為202-204路；光伏組件之間的距離為1.5m；逆變器裝置選擇使用500kW/臺的逆變器。

2.2 資源分析

本工程所處地區屬于溫帶大陸性干旱氣候，全年降雨量相對較少，日照時間比較長。在經過綜合分析后能夠得到該項目年太陽能總輻射量約為6169MJ/m2，根據太陽能資源豐富程度評估指標相關規定，太陽能年總輻射量達到5040～6300MJ/m2時，屬于資源很豐富的等級，因此對本工程的資源評價為“資源很豐富”。

2.3 投資效益

結合現有工程規定、費用標準等內容，對工程投資效益進行綜合分析，能夠確定本工程具有良好的盈利能力。

3 光伏發電站系統的優化設計建設分析

3.1 太陽能資源分析優化

一是對光伏發電站系統具體運行環境情況進行分析，對影響因素以及資源損失系數進行計算。二是對工程地區中資源條件數據的真實性、可靠性進行全面驗證分析，以此對地區太陽能輻射的實際變化情況具有清晰地了解認知，同時利用概率統計方法對工程代表年數據進行精準選擇。三是對太陽位置參數計算結果的精準度進行優化，盡可能降低參數計算結果的偏差影響；以發電站陣列面的實際情況對輻射量進行計算，同時對計算模型進行科學選擇，以此為發電量、項目收益以及間距分析等提供數據支持[3]。

3.2 光伏組件設計優化

本工程的地域性特征，對于光伏發電站系統的發電運行具有顯著影響效果，因此需要結合地區現有氣相觀測數據，以及實際測光信息對各組件進行優化設計，在優化時注意以下事項。

一是控制太陽電池組件串聯后的最高輸出電壓小于太陽電池組件自身最大電壓，電壓變化范圍應控制在逆變器系統工作范圍內。二是太陽能電池組件串聯的數量設計應結合環境溫度、太陽能輻射、逆變器規格等因素綜合考慮。同時，分析外界因素以及直流通路損耗情況對于光伏陣列的具體影響。三是為進一步降低系統直流損耗，需要確保太陽電池組件串聯后的輸出電壓在符合標準的條件下，盡可能選擇最大值。四是針對同一逆變器下連接的子陣，優先選擇組件功率相同，其他性能相似，且距離相對較近的匯流箱，距離相對較遠的則連接到另一逆變器中，以此降低直流壓降和組件一致性的問題對于MPPT 的負面影響，進一步提高系統實際運行效果[4]。

3.3 光伏陣列設計優化

針對集中式的并網光伏發電站系統，如果設計為固定式安裝，需要將全年發電量最大時的傾角作為太陽電池組件的傾角；如果設計為斜單軸自動跟蹤式安裝，還需要對傾角過高的影響問題進行充分考慮。在設計時需要結合工程實際情況進行多方案綜合對比分析，對技術和經濟指標等進行綜合分析后選擇最佳方案。光伏陣列是由多個單元組合形成的，因此在對陣列角度優化設計時，需要對實際條件以及太陽位置進行綜合計算分析，盡可能提高太陽發電時間，以此為基礎對間距進行計算分析，最終能夠得到最佳安裝角度[5]。

3.3.1 組件行間距和發電量關系分析

在對光伏發電站間距進行優化設計時，依據“冬至日9:00～15:00期間不被陰影遮擋”的原則進行。從本工程實際情況分析，其光伏組件的陰影遮擋現象比較明顯，以11月至次年1月為例分析，對每月10日、20日、30日的輻射強度進行分析，具體情況見表1。

表1 11月至次年1月水平面總輻射強度

通過數據分析能夠發現，現階段的間距設計能夠滿足設計需求，如果進一步增加組件設計，對應的光伏陣列面積也會增加，成本與工程建設量也會隨之增加。為進行較為精準的定量分析，依據本工程可研階段設計的方案對太陽電池陣列進行設計，組件大小為165cm×99cm，傾角假設為該地區最優傾角40°。

本工程所在地區光伏發電站用地指標為60ha/20MWp，同時對綜合管理區域、站內道路區域以及逆變器室內區域情況綜合考慮，在用地指標規范允許條件下，對冬至日的真太陽時在8:45至15:15時間段可增加0.5h 無遮擋的運行時間，與原本設計發電量相比增長率達到0.58%。

3.3.2 傾角和發電量關系分析

依據工程項目場地2021年10月至2022年9月實時監測的太陽總輻射、散射輻射以及直射輻射的數據，不同傾角下的總輻射量進行科學計算。

基于分析能夠得出以下結果：傾斜面總輻射量處于最佳傾角附件時具有最小的變化量，變化率小于2%，但是此時對應的陣列面陰影遮擋率能夠得到2%；陣列間距不變時縮減傾角，能夠降低陣列陰影遮擋，以此提高對太陽能資源的利用效果，可適當延長發電站系統的有效運行時間；不同傾角對應的總輻射量損失也不同，40°傾角對應的損失率能夠達到1.9%，而33°傾角對應的損失率為1.08%，對應的輻射量提高了0.81%左右。

因此，本工程的陣列面傾角最終設計為33°，在提高發電站系統發電量的同時，能夠進一步降低工程基礎建設成本投入，對于發電站系統綜合收益的提升具有顯著的積極作用。

3.4 工程建設優化

3.4.1 支架基礎建設優化

支架基礎的優化設計應確保其整體穩定性、結構剛度，以及強度等參數均符合工程規范要求，確保后續應用的安全可靠，正常使用的最短年限在25年以上，同時對支架用鋼量、基礎混凝土的使用量等進行控制，實現工程成本的節約[6]。對支架以及基礎結構設計進行優化時，需要結合工程實際氣候環境、施工條件以及生產加工能力等多方面的因素，優先選擇防腐材質的鋼材，對支架和連接件的標準化、便捷化以及可靠性建設進行科學設計。

針對本工程的具體特點，在滿足工程基礎設計要求的條件下，從適用性和經濟性兩個角度對支架基礎建設進行優化。

由于太陽能電池組件自身的重量相對比較小，在支架建設時為節省材料應用，針對主要結構利用冷彎薄壁型鋼材，針對受力桿件位置設計為工字型鋼和矩形鋼，能夠保證結構受力要求，同時與其他材質相比具有良好的經濟合理性；針對檁條選擇C型鋼。

利用螺栓連接方法對電池組件與支架進行連接，檁條與組件邊框使用4個螺栓連接，能夠保證整個結構在外力作用下具有均勻的受力效果，整體破壞現象發生概率比較低，具有安全可靠的特點。針對支架各桿件的連接設計為螺栓連接，對桿件安裝位置進行科學設計，盡可能使用同一規格的桿件，以此降低施工誤差。

3.4.2 逆變器室通風優化

本工程所屬地區具有比較明顯的地域特殊性，夏季炎熱干燥，對于逆變器而言具有較大危害性，因此在優化設計階段，對逆變器室的通風進行強化，確保逆變器能夠在高溫環境下正常安全運行。

針對工程中的逆變器室利用整體遮陽保溫隔熱的節能設計，確保逆變器室內部的凈高度；對逆變器室的排風口以及進風口位置設計有防火、防塵等系統裝置，確保其符合相關規范；對逆變器室內部運行設備的參數以及環境條件進行綜合分析，以此計算通風散熱量，對通風機的型號進行對比選擇，對通風口位置進行科學設計，確保整個通風系統的通暢性；光伏發電站系統實際占地面積較大，為進一步加強管理效果，針對逆變器系統設計有遠程監控功能，將其與溫度控制器系統聯合應用，以此實現對逆變器室通風系統的高效化、智能化管理。

4 結論

綜上所述，光伏發電站系統在建設期間具有明顯的復雜性和系統性的特點，需要利用科學方法對其進行優化設計。本次研究以某地區工程項目為例開展深入分析，探討了光伏發電站系統優化設計的重點與要點，包括太陽能資源分析、光伏組件優化分析、光伏陣列與傾角優化設計、工程建設優化等環節，以此實現了對整個設計環節的分析說明，希望為光伏發電站系統的設計與優化提供一定參考幫助。