“漁光互補(bǔ)”光伏發(fā)電工程設(shè)計(jì)的研究

楊光磊

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京　100160)

“漁光互補(bǔ)”光伏發(fā)電工程設(shè)計(jì)的研究

楊光磊

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京100160)

摘要：介紹了水面光伏工程的特點(diǎn)，以合肥長(zhǎng)豐朱巷40 MW(峰值功率)“漁光互補(bǔ)”光伏工程為例，針對(duì)水面光伏工程的特點(diǎn)，對(duì)水面光伏設(shè)計(jì)中發(fā)電量預(yù)測(cè)、總體布置、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、接地方案等代表性問(wèn)題提出了解決方案，詳細(xì)分析計(jì)算了水下接地網(wǎng)和地下接地網(wǎng)并聯(lián)的接地電阻，為今后的“漁光互補(bǔ)”發(fā)電工程提供參考。

關(guān)鍵詞：漁光互補(bǔ)；光伏發(fā)電；接地電阻；發(fā)電量

0引言

目前，大規(guī)模的光伏電站多分布在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的青海、新疆、內(nèi)蒙古等地，而作為負(fù)荷中心的城市周邊用地緊張，除了廠房屋頂可建設(shè)分布式光伏電站之外，城市周邊水庫(kù)的大面積水面也成了光伏電站的可用場(chǎng)地。

水庫(kù)通風(fēng)好，水蒸氣能帶走光伏組件的部分熱量，提高發(fā)電效率，同時(shí)光伏組件又能給水庫(kù)遮陽(yáng)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖有輔助作用[1]，另外，光伏組件還可以減少水面的蒸發(fā)，解決平原地區(qū)水庫(kù)蒸發(fā)量過(guò)大的問(wèn)題[2]。

1光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)

水面光伏系統(tǒng)較其他地面光伏工程的特殊之處在于水蒸氣對(duì)發(fā)電量的影響：一方面，水蒸氣能帶走光伏組件的部分熱量，提高發(fā)電效率；另一方面，水庫(kù)上空的水蒸氣與空氣中的污染物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，增加霧霾的嚴(yán)重程度，降低太陽(yáng)輻照度，減少發(fā)電量[3-4]。因此，水面光伏工程的發(fā)電量預(yù)估應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行分析，不能按照山區(qū)和戈壁光伏工程的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2總體布置

對(duì)于水面光伏工程，光伏組件沿水面布置。總體布置以光伏陣列為中心，結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)狀，以工藝流程合理為原則，因地制宜地進(jìn)行布置，力求生產(chǎn)工藝流程合理順捷，道路組織順暢。

由于工程受地形起伏的影響較小，所以光伏陣列的排布應(yīng)盡量規(guī)則，與工藝專業(yè)加強(qiáng)溝通，接入每個(gè)組串逆變器或直流匯流箱的組串應(yīng)在一排，避免出現(xiàn)跨越水面的現(xiàn)象，造成復(fù)合材料電纜橋架的浪費(fèi)及后期檢修的不便。

逆變器或箱式變電站(以下簡(jiǎn)稱箱變)的基礎(chǔ)根據(jù)水域面積和組件安裝容量合理安排，盡可能布置在岸邊，便于后期的維護(hù)和檢修。但這種布置方案會(huì)增加電纜長(zhǎng)度，同時(shí)為了減少壓降和損耗，將增大電纜截面。若水域面積過(guò)大，則考慮將箱變或逆變器布置在水域內(nèi)部，留出足夠的檢修通道，這種布置方式的前提是可以事先將水庫(kù)排干并清淤。江蘇華電東海種畜場(chǎng)水庫(kù)8 MW(峰值功率，下同)光伏工程，建設(shè)了2個(gè)大型的基礎(chǔ)平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)布置1 MW方陣的逆變器及箱變各4個(gè)。

以合肥長(zhǎng)豐朱巷40 MW光伏工程(以下簡(jiǎn)稱合肥長(zhǎng)豐工程)為例，其布置示意如圖1所示，光伏組件全部在水面布置。為了緊湊布置，且組件標(biāo)高一致，組件支架縱向節(jié)距僅保證不遮擋即可。橫向間距為1 m，縱向間距計(jì)算公式為[5]

圖1　合肥長(zhǎng)豐朱巷40 MW光伏工程布置示意

式中：φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?；β為陣列傾角，β=26°；L為陣列傾斜面長(zhǎng)度。

根據(jù)式(1)計(jì)算，預(yù)留D=3 m的間距可滿足后期檢修小艇的通航要求。

由圖1可知，#14～#18陣列的布置過(guò)于狹長(zhǎng)，導(dǎo)致電纜量增加，可通過(guò)調(diào)整匯流箱的布置或選擇組串逆變器等方法盡量減少布置帶來(lái)的影響。升壓變壓器全部沿岸邊道路布置，便于后期檢修及中壓電纜的敷設(shè)。

3基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

地面光伏工程支架基礎(chǔ)的形式分為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、大開挖現(xiàn)澆基礎(chǔ)、混凝土塊配重式基礎(chǔ)及螺旋地錨樁基礎(chǔ)，其中鉆孔灌注樁和螺旋地錨樁基礎(chǔ)應(yīng)用較多[6]。大多數(shù)水面光伏工程采用的是預(yù)制管樁基礎(chǔ)。以合肥長(zhǎng)豐工程為例，每組光伏支架單元含40塊光伏組件，每個(gè)支架單元有5個(gè)支撐點(diǎn)，支架均為Q235B冷彎薄壁型鋼支架，表面采用熱鍍鋅處理，支架基礎(chǔ)為PC300預(yù)制混凝土管樁，1個(gè)支撐點(diǎn)由1根樁組成。也有部分水面光伏工程采用浮板支架[7]，如新疆昌吉回族自治州大海子水面光伏系統(tǒng)，光伏組件固定在浮板上，但單純的苯板無(wú)法承載，需對(duì)苯板進(jìn)行支護(hù)。采用鋼合金框架作為苯板的護(hù)架，護(hù)架由空心長(zhǎng)條形不銹鋼合金桿螺栓連接而成，立方體的6個(gè)表面沿長(zhǎng)邊方向均勻布置等長(zhǎng)空心肋桿，形成相對(duì)封閉的內(nèi)部空間。框架內(nèi)部尺寸和浮板尺寸一致，浮板和鋁合金框架緊密結(jié)合。另外，為便于各浮板之間相互連接，在框架4個(gè)側(cè)面設(shè)置了彈簧連接裝置。

3.2逆變升壓設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

與地面光伏工程的墩式基礎(chǔ)或坑式基礎(chǔ)不同，水面光伏工程中無(wú)論逆變升壓設(shè)備布置在岸邊還是在水域內(nèi)，均采用基礎(chǔ)平臺(tái)的方式。合肥長(zhǎng)豐工程中平臺(tái)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，每個(gè)平臺(tái)約需鋼筋混凝土60 m3，預(yù)制混凝土樁柱12根左右，多為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(PHC)管樁。

4接地設(shè)計(jì)

水面光伏工程接地系統(tǒng)的特殊之處在于光伏支架的接地網(wǎng)是在水下敷設(shè)的，參照NB/T 35050—2015《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》[8]進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)國(guó)內(nèi)各工程接地網(wǎng)的大量調(diào)查表明：鋼接地體發(fā)生腐蝕最嚴(yán)重的地方是在地表和水面附近，越往地下或水下的深處，腐蝕反而越輕[9]。而開關(guān)站或升壓站的接地網(wǎng)是在土壤中敷設(shè)的，水庫(kù)區(qū)域土壤濕潤(rùn)，土壤電阻率一般較低，表層為淤泥，上層為黏土，下層為泥質(zhì)砂巖。經(jīng)實(shí)測(cè)，合肥長(zhǎng)豐工程所處的朱巷鎮(zhèn)水庫(kù)土壤在深度為0.5～20.0 m范圍內(nèi)，電阻率達(dá)50.1～135.1 Ω·m，水庫(kù)中水的電阻率約為32 Ω·m。由于光伏電站的區(qū)域較大，電阻很容易達(dá)到規(guī)程要求的4 Ω以下[5]。

合肥長(zhǎng)豐工程的接地網(wǎng)分2個(gè)部分，即水下的光伏陣列接地網(wǎng)和地下的開關(guān)站接地網(wǎng)。水庫(kù)面積約1 500 m2，40 MW的光伏陣列區(qū)域總面積約500 m2。經(jīng)入地短路電流計(jì)算，水平接地體采用60 mm×6 mm 鍍鋅扁鋼即可滿足電阻率要求?？紤]到水面和地表附近的防腐措施，自光伏支架沿樁基引至水下接地網(wǎng)的一段接地材料以及開關(guān)站內(nèi)的接地材料均選擇截面大小相同的鍍銅鋼帶。

對(duì)于水下接地網(wǎng)電阻，按照NB/T 35050—2015《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》[8]中的公式進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中：ks為接地電阻系數(shù)，按10 m水深計(jì)算，ks=0.15；ρs為水電阻率。

對(duì)于開關(guān)站接地網(wǎng)電阻，僅按照GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行計(jì)算

(3)

式中：ρt為土壤電阻率平均值；S為接地網(wǎng)面積。

2個(gè)接地網(wǎng)通過(guò)3條鍍銅鋼帶相連，并聯(lián)的接地電阻[11]計(jì)算如下

(4)

式中，kp為屏蔽系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值。

經(jīng)計(jì)算，光伏電站的接地電阻值為0.165 Ω，滿足規(guī)程的要求。

5結(jié)論

“漁光互補(bǔ)”模式既可增加水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益，在光伏發(fā)電的同時(shí)對(duì)漁業(yè)養(yǎng)殖也有輔助作用，還可以減少干旱地區(qū)水量的蒸發(fā)。同時(shí)，水庫(kù)地理位置靠近城市負(fù)荷中心，便于電力的消納，可促進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排，發(fā)展清潔能源。

本文通過(guò)對(duì)多個(gè)水面光伏工程的總結(jié)，介紹了水面光伏工程在設(shè)計(jì)中的特殊之處。以合肥長(zhǎng)豐工程為例，介紹了發(fā)電量預(yù)測(cè)、總體布置、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、接地方案等方面與常規(guī)地面光伏電站的不同之處，詳細(xì)分析計(jì)算了水下接地網(wǎng)和地下接地網(wǎng)并聯(lián)的接地電阻，為今后的水面光伏工程的建設(shè)提供了參考。

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(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期:2016-01-07；修回日期:2016-04-07

中圖分類號(hào)：TM 615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1951(2016)04-0075-03

作者簡(jiǎn)介：

楊光磊(1983—)，男，河北石家莊人，工程師，從事電氣設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。