太陽能山地光伏電站優(yōu)化設計研究＊

欒石林， 李光明， 廖華， 李文光

（1.云南冶金新能源股份有限公司，云南 紅河654399；2.云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明650092）

在環(huán)境保護、國家能源需求和維持經(jīng)濟持續(xù)增長的壓力下，光伏發(fā)電因自身的優(yōu)點，被各國廣泛推廣應用，預計2030年后將成為全球的主流能源［1］.近幾年，以建設大型并網(wǎng)和分布式光伏電站的太陽能利用形式得到快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，截止2013年底［2］，全球累計光伏裝機136.7GW，同比增長35%.而我國經(jīng)歷歐美市場的“圍追堵截”后，被迫向國內(nèi)轉移，在兩年內(nèi)（2012～2013年）32項政策的激勵下，光伏應用市場呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，截止2013年底，累計裝機17.16GW，較2010年增長了204.5%，其中并網(wǎng)光伏電站占65%以上.

目前，國內(nèi)外大型并網(wǎng)光伏電站主要建設在太陽能資源豐富、非育林育農(nóng)育牧（戈壁灘、荒草地、海邊灘涂、沙漠等）或可耕種，但自然條件惡劣、產(chǎn)出較低的土地上.在我國主要集中在西北五省，截止2013年底，裝機量達12.515GW，建設場址地勢較為平坦，屬性以戈壁灘、荒漠、半荒漠、荒漠草地為主，建設規(guī)模均10MW以上，如正泰永昌100MWp、金川金昌200MWp、華能格爾木200MWp、中廣核圖木舒克100MWp、順豐石嘴山130MWp光伏電站.

隨著光伏電站容量不斷增加，日照較好、地勢平坦、建設條件較好的土地資源日趨減少，山地等建設條件次之的土地將成為重要的光伏電站建設資源，“山地光伏電站”將成為未來重要的光伏電站模式之一.

1 山地光伏電站特點及設計建設難度

目前國內(nèi)外設計建設山地光伏電站的總體經(jīng)驗較少，已建成的在國際上也并不多見［3－7］，實地調(diào)研了已建或在建的部分山地光伏電站，如圖1所示.

圖1 已建或在建的山地光伏電站Fig.1 The mountain area PV power stations constructed or under construction

山地光伏電站是指在山地、丘陵等復雜地形條件下建設的光伏發(fā)電站，建設場地多屬于沙化、荒漠化和石漠化山地，其地表起伏不平、朝向各異、局部伴有小型水沖溝或高原巖石芽殘丘、可安裝面積大小不同、相對分散.設計建設難度和成本較大，但具有土地成本低、管理方便（山區(qū)人少）、對生活的擾動小、土地利用率高等優(yōu)勢.

山地光伏電站因受地形地貌條件限制，與地勢平坦的戈壁灘、沙漠等地區(qū)光伏電站相比，存在系統(tǒng)方陣布局與自然的協(xié)調(diào)性差，系統(tǒng)匹配損失大，設計、施工難度大，成本控制難，運行維護成本高等問題.因此山地光伏電站的設計建設必須兼顧系統(tǒng)效率、與自然的協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟性、安全性等進行綜合考慮.

1.1 山地光伏電站設計難點

1）方陣設計：如何根據(jù)資源狀況和地形條件，在滿足相關技術規(guī)范和要求的基礎上，設計方陣的安裝方式、方陣基礎和支架，保證方陣與地形有較高的匹配性，土地資源得到最大化利用；

2）設備選擇和方陣布置設計：如何根據(jù)自然條件和國家標準，選擇安全性和經(jīng)濟性都較高的設備，設計設備布置方案、系統(tǒng)防雷接地、組串和方陣鏈接模式等，保證系統(tǒng)中設備間有較高的匹配性，使系統(tǒng)效率、設備安全性和經(jīng)濟性達到最優(yōu)化；

3）如何根據(jù)地質條件和自然環(huán)境，設計電站的場內(nèi)道路、土建、消防、給排水等，保證電站具有較高的安全性，降低投資和減少對地表的擾動；

4）如何制定電站運行維護管理方案，提高電站運行維護效率和降低運行維護成本.

1.2 山地光伏電站建設難點

1）施工前期準備工作量大：場址遠離城市和交通主干道，地形起伏，若準備欠充分，在施工期對整體施工部署造成困擾，形成不同的安全、質量和工期隱患.因此，在了解山地建筑施工特點的基礎上，充分做好準備工作，制定科學合理的施工方案；

2）支架強度較平地高：山地未經(jīng)開發(fā)，地表往往被植物和森林覆蓋，地表高低起伏，地形高差大，場區(qū)容易形成不同于平地的山風，按照平地對支架強度（承載力和抗拔力）的要求進行設計，建成后，支架損毀率會提高；

3）場內(nèi)施工難度大：山地地勢坎坷不平，坡多路險，局部地區(qū)場地不經(jīng)平整，機械設備無法進場施工，施工過程中人員、設備危險性也較高，如采用履帶式或膠輪式打樁機在有坡度的山地上施工，其安全傾角需小于30°或15°.此外，適合建設光伏電站的山地多為沙化、荒漠化和石漠化山地，巖、土體穩(wěn)定性差，遇雨季時，山水匯流，易形成山洪、土體坍塌和山體滑坡等自然災害；

4）施工成本高：山地光伏電站對支架、基礎的強度要求較高，施工時對設備、原材料及施工方法的要求相對比較嚴格，此外山體表面常分布有風化巖、灰?guī)r或白云巖，其結構緊密，硬度大，造成施工難度和成本都較高，一般會高出20%～30%；

因此，建設山地光伏電站，必須進行詳細的場地調(diào)查，做好優(yōu)化設計、施工準備和施工管理.

2 光伏陣列設計

山地光伏電站陣列設計應從場地地質構造、地表特點（坡度、朝向等）、組件特性參數(shù)、支架基礎結構的穩(wěn)定性和與地形的適應性、地質災害的預防、工程的經(jīng)濟性、安裝的快捷高效性等多層面綜合考慮.

2.1 光伏組件的選取

光伏組件是光伏電站的核心部件，其各項參數(shù)指標的優(yōu)劣直接影響整個光伏電站的發(fā)電性能，正確選取光伏組價是保證山地光伏電站高效和安全的重要保障.無論選擇單／多晶硅光伏組件或薄膜光伏組件，在滿足一般要求的條件下，還需滿足以下條件：

1）組件電流、電壓一致性高

多塊同類的光伏組件經(jīng)串聯(lián)或并聯(lián)構成光伏組串，其輸出功率為.

式中P組串為某一光伏組串的輸出功率，Ii、Vi為第i塊組件的輸出電流和電壓.

從（1）式可得，光伏組串的輸出功率受n塊組件的電流、電壓非一致性的影響較大，其組件的電流、電壓最大偏差（ΔI、ΔV）可表示為.

因此，在選購組件時應對組件進行二次分檔，即某一組串中的n塊組件的功率誤差要控制在1W以內(nèi).在大型并網(wǎng)光伏電站實際工程中，對串聯(lián)構成組串的組件進行電流分檔，所有組件的電流偏差ΔI要控制在0.12%以內(nèi).

2）選用通過電勢誘導衰減測試（Potential Induced Degradation，PID）的組件

光伏組件在光伏系統(tǒng)工作時會存在內(nèi)部電路對組件邊框的負電勢，當光伏組件長期在內(nèi)部電路負電勢和外部高溫高濕的環(huán)境下，光伏組件內(nèi)部產(chǎn)生反向電場，這種電場會抵消內(nèi)建電場的作用，使電池發(fā)電效率下降.大量實驗表明，在外部氣候環(huán)境（溫度及濕度）一定的條件下，只要選用合適的電池片、封裝材料、背板和玻璃，可以極大限度地降低PID的影響，延長光伏組件的長期使用壽命.

3）能滿足運輸和現(xiàn)場安裝的要求

山地光伏電站通常建在交通較差的山區(qū)，運輸、安裝條件差，大型運輸設備難到達場地，加之電站占地面積較大，站內(nèi)交通較差，存在大量二次搬運，尤其在安裝過程中，全依靠人工搬運完成.因此，必須考慮合適的光伏組件尺寸大小和重量，防止光伏組件在安裝過程中對組件造成二次傷害（隱裂）、降低組件在使用過程中的衰減、提高安裝效率、降低建設成本.

2.2 光伏組串串聯(lián)數(shù)計算［8］

光伏組串是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最小直流電輸出單元，設計時主要考慮以下因素：逆變器的輸入最大直流電壓和MPPT電壓范圍，光伏組件的開路電壓、工作電壓、開路電壓溫度系數(shù)、工作電壓溫度系數(shù)和工作條件下的極限高低溫等.組串中各個組件的電特性參數(shù)應盡可能保持一致，組串最大組件串聯(lián)數(shù)N可由下式計算.

式中：Voc、Vpm分別為光伏組件的開路電壓、工作電壓；Vmpptmax、Vmpptmin、Vdcmax分別為逆變器的最大輸入直流電壓、MPPT最大電壓、MPPT最小電壓；Tmin、Tmax、Tref分別為組件工作條件下的極低溫度、極高溫度和標準溫度（25℃）；kv、kv′分別為光伏開路電壓溫度系數(shù)和工作電壓溫度系數(shù).

例：某工程，選擇60片156×156多晶片封裝的250W光伏組件和500kW逆變器，則11.98≤N≤min｛22.35，22.74｝，為提高系統(tǒng)的效率，組件串聯(lián)數(shù)量取22.

2.3 光伏陣列間距設計

山地光伏電站場址地表起伏不平、朝向各異、局部伴有小型水沖溝或高原巖石芽殘丘等.在布置陣列時在南北、東西方向必須預留足夠的間距，保證每個組串都不被遮擋.

假設光伏陣列布置在一傾角為β、方位角為γn的坡面上，前排光伏陣列某一遮擋點垂直于水平面的高度為H.建立空間坐標系，如圖2所示.

圖2 陣列遮擋空間模型Fig.2 Space model of array block

圖2 中O（S，E，Z）為水平面坐標系，平面SOE表示水平面，O＇（x，y，z＇）為坡面坐標系；∠daO＝∠CbO2＝∠AO1D為坡面傾角，用β表示；∠FOO1為太陽高度角，用α表示；∠SOO1為太陽方位角，用γs表示，∠aOS為坡面方位角，用γn表示，修正后的方位角為γ，即γ＝γs－γn，當坡面朝向正南時，γn＝0，γ＝γs.

經(jīng)推導，遮擋物H在坡面和水平面上的遮擋可表示為.

例：位于北緯25.9°的一工程，在南偏西15°、傾角10°的坡面布置光伏陣列，陣列某一遮擋點垂直于水平面的高度為H.陣列的遮擋如表1所示.

表1 遮擋相關參數(shù)Table 1 Shading parameters

2.4 光伏陣列支架及基礎設計

山地光伏電站工程地質條件復雜，場內(nèi)伴有沖溝、巖石突出、土石比例分布不均勻、易形成山風和山洪或塌方（雨季）等，在支架和基礎設計時，需因地制宜，選擇材料、設計結構和構造措施，計算支架在有或無地震效應時的風荷載（順風和逆風）、雪荷載、溫度荷載下支架橫梁的彎曲強度和彎曲量，支撐臂的壓曲（壓縮）以及拉伸強度，安裝螺栓的強度等.為了適應復雜地形的變化，支架還應具備一定的調(diào)節(jié)能力.

光伏陣列基礎，綜合考慮山地光伏電站場地的特點，本著設計強度達到相關技術要求，選擇對地表擾動較小，工程實施經(jīng)濟、方便、高效的基礎形式.目前采用的基礎主要有：微型鋼管樁基礎、微型鋼筋混凝土樁基礎、錨桿式基礎、預制混凝土基礎、混凝土基礎等.

3 設備選擇與布置

3.1 匯流箱選擇與布置

匯流箱的作用是對多路光伏組串輸出進行一或多級匯流，保護監(jiān)測各組串運行.匯流箱的選擇和布置直接影響到光伏組串至匯流箱段直流電纜和匯流箱的用量、直流電纜壓降損失、系統(tǒng)的安全可靠性，對提高系統(tǒng)發(fā)電效率和經(jīng)濟效益有直接的影響.選擇匯流箱時可參照《光伏匯流箱技術規(guī)范》（CNCA／CTS 0001－2011）和工程特點進行，但匯流箱的回路數(shù)需根據(jù)電站場地、電纜長度、線損等條件確定.

假設陣列中組串呈矩陣布置，可用坐標解析法建立數(shù)學模型，求解匯流箱布置位置及組串至匯流箱的直流電纜長度.如圖3所示，一匯流箱匯集陣列中的n個光伏組串，布置覆蓋的最大面積為xm×ym，其中一光伏組串AB，正／負極（A／B）輸出用直流電纜接至匯流箱（n回路），正極坐標為（xi＋，yi＋）、負極坐標為（xi－，yi－）、匯流箱坐標為（xh，yh）.

圖3 匯流箱平面布置Fig.3 Box layout of junction

經(jīng)推導，組串至匯流箱的直流電纜長度為.

求匯流箱的位置坐標L（xh，yh），目標函數(shù)為.

上式可采用群體復合型進化算法求解，為工程實際布置提供理論參考.

3.2 逆變器選擇與布置

目前光伏電站中常用的逆變器有集中式逆變器（多用于地面大型并網(wǎng)光伏電站）和組串式逆變器（多用于屋頂分布式光伏電站）.針對山地光伏電站（單位容量500kW），場地地形復雜，朝向各異，又無法進行場地平整，若仍采用大型集中式逆變器（1臺，500kW），會造成早上或傍晚部分方陣存在遮擋，各組串輸出差異性大，系統(tǒng)的匹配性低，系統(tǒng)運行安全隱患大，系統(tǒng)發(fā)電量降低.因此在選擇逆變器時，應結合地形綜合考慮.1）若500kW的光伏方陣場地朝向和角度基本相同，周邊也不存在較高的遮擋物，可以選擇集中式逆變器，布置應綜合考慮電纜走向的合理性、場平土方量少、降低投資和線損等因素，逆變器布置在方陣的中部，且位于道路兩側；2）若500kW方陣場地朝向各異，可根據(jù)方陣布置的實際情況，將集中在一起朝向相同的方陣作為一個子陣，選擇一臺相同容量的組串式逆變器，布置在子陣的中部，安裝可采用澆筑混凝土基礎或懸掛于支架立柱上.不論逆變器是采用集中式還是組串式，逆變器容量必須隨使用地的海拔、環(huán)境、太陽能資源做出降容使用，避免實際容量超出額定容量而出現(xiàn)風險.

4 安全性保障

4.1 防雷接地

山地光伏電站一般都在海拔相對較高的地方，遭遇雷擊的概率較一般光伏電站高.因此，需做好對直擊雷電、感應雷電、雷電波浸入等的防護措施.整個光伏電站的接地應充分利用支架基礎的金屬構件設置接地網(wǎng)，將整個電站的接地網(wǎng)連接到一起，最大限度地降低接地電阻，同時選擇好的接地極，做好接地網(wǎng)的防腐，使接地網(wǎng)的使用壽命與光伏電站的設計壽命同步，減少運營期的維護成本和風險.

4.2 消防及監(jiān)控

山地草木較多，易因人為或雷擊等原因引起火災，山地光伏電站與外界應有防火帶進行隔離，建議沿電站外圍四周修建一條較寬站內(nèi)道路，除交通運輸功能外可承擔防火隔離帶的作用.

山地光伏電站面積廣，地形復雜，存在諸多死角，電站設計時必須要考慮在各個關鍵部位設立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能讓電站值守人員及時發(fā)現(xiàn)方陣區(qū)域的異常.

山地光伏電站陣列中各組串工況各異，電站設計時必須要考慮對各組串的主要技術參數(shù)能進行遠程監(jiān)控，并且結合山地光伏電站的特征，安裝能發(fā)現(xiàn)組串、匯流箱、逆變器異常的計算機分析軟件，方便值守人員能精準鎖定故障點，及時排除故障和風險，提高系統(tǒng)整體效率.

5 結 論

山地光伏電站的設計、建設應該結合建設場地實際情況，遵循降低投資、提高系統(tǒng)效率、保證系統(tǒng)運行安全性的原則進行.

1）陣列設計：選擇電流、電壓偏差小于0.12%，小尺寸（60片封裝最優(yōu)）的光伏組件，組串組件串聯(lián)數(shù)嚴格計算，若在高海拔、空氣透明度較好的地區(qū)，需引入組件在1.1～1.5倍標準光強下的輸出做修正計算，確定組串組件串聯(lián)數(shù).

2）陣列間距：需要根據(jù)工程坡面角度和組件安裝角度進行精確計算，確保一天中9：00～15：30時間段內(nèi)，任意一組件都不被遮擋.

3）支架及基礎：支架及基礎必須能適應復雜地形的變化，應具備一定的調(diào)節(jié)能力，盡可能做到方陣與地形有較高的匹配度，其強度必須滿足相關技術規(guī)范和標準.

4）所選電氣設備必須隨使用地的海拔、環(huán)境、太陽能資源做出降容使用，避免實際容量超出額定容量而出現(xiàn)風險.其應本著用量最省、能量損失最小、便于運營管理維護的原則布置.

5）應該根據(jù)電站場地及周邊時間情況，選設計適合的防雷接地、消防及監(jiān)控方案.

［1］European Photovoltaic Industry Association（EPIA）.Solar photovoltaics electricity the world［R］.Brussels：EPIA，2011：1－100.

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