山地扶貧電站組件布置優(yōu)化研究及其應(yīng)用

錢一民，丁 凱 ，胡羽川，季 斌

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

山地扶貧電站組件布置優(yōu)化研究及其應(yīng)用

錢一民1，丁 凱1，胡羽川1，季 斌2

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

為響應(yīng)國(guó)家光伏扶貧政策，國(guó)家電網(wǎng)公司從2016年開始在湖北“三縣一區(qū)”開展了陽(yáng)光扶貧電站的建設(shè)。分析了陽(yáng)光扶貧電站建設(shè)選址的山地特點(diǎn)，根據(jù)光伏陣列的地理位置、山地坡度、光伏陣列傾角、光伏板件尺寸以及周圍環(huán)境等多方面因素，提出了山地陽(yáng)光扶貧電站固定式光伏陣列的布置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并在2016年湖北“三縣一區(qū)”的3個(gè)陽(yáng)光扶貧電站建設(shè)中得到實(shí)際應(yīng)用。該方法不僅提高了土地利用率，避免了土地資源浪費(fèi)，而且提高了陽(yáng)光扶貧電站的發(fā)電效率和收益，間接提高了陽(yáng)光扶貧工程的扶貧力度，獲得了良好的社會(huì)影響力。

扶貧電站；光伏組件；布置優(yōu)化；山地

0 引言

陽(yáng)光扶貧是國(guó)家精準(zhǔn)扶貧十大工程之一。為深入貫徹落實(shí)中央扶貧工作會(huì)議精神，國(guó)家能源局印發(fā)了《國(guó)家能源局關(guān)于加快貧困地區(qū)能源開發(fā)建設(shè)推進(jìn)脫貧攻堅(jiān)的實(shí)施意見》。國(guó)家電網(wǎng)公司為響應(yīng)國(guó)家光伏扶貧政策，決定實(shí)施“國(guó)網(wǎng)陽(yáng)光扶貧行動(dòng)”，在湖北、青海五個(gè)定點(diǎn)扶貧縣開展光伏扶貧電站建設(shè)工程。通過實(shí)施光伏扶貧，利用貧困地區(qū)太陽(yáng)能資源，建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目，將發(fā)電收益用于扶貧，可以讓貧困戶有長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可持續(xù)的收入，承擔(dān)起造福貧困群眾的重任。2016年1月15日，湖北省能源局、扶貧辦印發(fā)《湖北省光伏扶貧工程實(shí)施方案》。國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司積極開展“三縣一區(qū)”（即宜昌秭歸縣、宜昌長(zhǎng)陽(yáng)縣、恩施巴東縣和神農(nóng)架林區(qū)）光伏發(fā)電扶貧項(xiàng)目建設(shè)，發(fā)電收益全部捐贈(zèng)給貧困戶，助力貧困人口脫貧。

由于“三縣一區(qū)”屬于我國(guó)太陽(yáng)能區(qū)劃的三類地區(qū)，平均年總輻射量為4 000 MJ/m2，全年日照小時(shí)數(shù)為1 550 h左右，這與甘肅、寧夏等地光照條件差距明顯。另一方面“三縣一區(qū)”的地質(zhì)條件多是山地丘陵，耕地資源十分寶貴，興建光伏扶貧電站的選址不能占用基本農(nóng)田、林地等土地，不得更改土地性質(zhì)。這就使得所建光伏發(fā)電項(xiàng)目只能利用荒山、荒坡等地塊進(jìn)行建設(shè)[1-2]。而山地陡坡等復(fù)雜地貌特點(diǎn)導(dǎo)致山地扶貧電站設(shè)計(jì)不同于平原地面光伏電站設(shè)計(jì)理念，特別是光伏組件的布置，如果照搬平原電站設(shè)計(jì)方式，無(wú)法適應(yīng)山地環(huán)境特點(diǎn)，會(huì)造成光伏布置與自然條件不協(xié)調(diào)、發(fā)電系統(tǒng)損耗大、土地資源浪費(fèi)等問題，直接影響扶貧電站的扶貧收益[3-4]。因此，需要結(jié)合山地環(huán)境特點(diǎn)，開展山地扶貧電站組件布置優(yōu)化研究及其應(yīng)用，以提高土地利用率，保障扶貧效益。

1 山地光伏扶貧電站建設(shè)選址特點(diǎn)

山地光伏扶貧電站建設(shè)在山地、丘陵等復(fù)雜地形條件下，設(shè)計(jì)難度大，建設(shè)成本較高，與建設(shè)在地勢(shì)平坦的平原光伏電站相比，存在以下特點(diǎn)。

1）土地資源緊張

湖北“三縣一區(qū)”屬高山峻嶺地區(qū)，森林覆蓋率高，境內(nèi)主要為山地、林地、耕地（果園）和湖泊，可用于建設(shè)扶貧光伏電站的土地資源少，特別是建設(shè)大型光伏電站的成規(guī)模土地更為緊張。

2）地形條件復(fù)雜

站址地形不平整，建設(shè)地表起伏不平、朝向各異、局部伴有山溝，具有一定的坡度復(fù)雜性，地形可使用面積不規(guī)則、分散，土地利用率要求高。

3）施工難度大

電站建設(shè)占地性質(zhì)主要為未開發(fā)地，“三縣一區(qū)”等貧困地區(qū)交通條件較差，施工建設(shè)很難依靠大型機(jī)械進(jìn)行，建設(shè)成本控制困難。

2 光伏組件布置優(yōu)化

2.1 光伏組件布置原則

山地光伏扶貧電站建設(shè)因其土地資源緊張、地形條件復(fù)雜、施工難度大等特點(diǎn)，因此對(duì)光伏工程設(shè)計(jì)，尤其是光伏組件布置提出了更高的要求?？紤]到布置區(qū)域地表起伏不平、地形條件復(fù)雜，若對(duì)全部場(chǎng)地進(jìn)行土地平整，平整難度及土方量均較大，不僅增加工程造價(jià)而且對(duì)原有地形地貌造成破壞。最佳的布置原則是因地制宜、簡(jiǎn)單處理、依地勢(shì)而建，利用不同朝向的坡面安裝光伏組件，兼顧系統(tǒng)效率、與自然的協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等進(jìn)行綜合考慮。

盡量利用閑置的空地、荒地，地形較平整，無(wú)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)。將場(chǎng)區(qū)坡向、坡度相近區(qū)域劃分為一個(gè)用地單元。其余區(qū)域均利用現(xiàn)有的自然地形，以土方開挖工程量最小為原則，并保持場(chǎng)區(qū)原有排水坡向。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。

由于在施工安裝過程中，若光伏陣列間距偏小，則會(huì)導(dǎo)致前排組件與后排組件之間產(chǎn)生陰影遮擋，根據(jù)光伏組件的特性，組件被遮擋后性能將產(chǎn)生明顯變化甚至損壞，并導(dǎo)致各自所在組串產(chǎn)生電壓及電流差異，增加光伏陣列不匹配度，降低陣列發(fā)電量，從而影響到整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率及運(yùn)營(yíng)安全；若間距偏大，則會(huì)造成光伏陣列占地面積增加，降低場(chǎng)地使用率或使裝機(jī)容量減小，同樣影響到光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此需要根據(jù)光伏陣列的地理位置、山地坡度、光伏陣列傾角、光伏板件尺寸以及周圍環(huán)境等多方面素，對(duì)光伏組件間距進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 山地光伏組件間距優(yōu)化

在光伏發(fā)電工程設(shè)計(jì)中，關(guān)于固定式光伏方陣傾角選擇及各排、列的布置間距，《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797－2012）[5]中規(guī)定：光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證每天9:00-15:00（當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)）時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋，并在條文說明中給出了光伏方陣各排、列布置間距的計(jì)算公式。

式中：L為光伏方陣縱向?qū)挾?；Z為光伏方陣傾角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

具體計(jì)算如圖1所示，由圖1可以看出方陣間距為

式中：β為太陽(yáng)方位角；a為太陽(yáng)高度角；H為前后光伏方陣相對(duì)高度。

由太陽(yáng)高度角計(jì)算公式：

太陽(yáng)方位角計(jì)算公式：

式中：δ為太陽(yáng)赤緯，δ=23.5sin[360(284+N)/365]。

冬至日的太陽(yáng)赤緯為-23.45°；w為時(shí)角，上午9:00的時(shí)角為45°。

圖1 方陣間距示意圖Fig.1 Schematic diagram of array spacing

可以看到，《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中列出的計(jì)算公式是適用于平原地區(qū)上的光伏組件方陣間距，不適用于地面存在坡度的山地光伏扶貧電站方陣間距計(jì)算。因此，需考慮山地坡度進(jìn)行光伏組件間距優(yōu)化。以正南向坡面為例，具體計(jì)算如圖2所示。

圖2 山地光伏方陣間距示意圖Fig.2 Schematic diagram of array spacing in mountainous area

圖2中，前后排光伏方陣安裝平面的高度差h2，θ為山地坡度。由圖2可知：

綜上計(jì)算可得南向坡面上光伏組件水平間距為：

通用的 D2公式為：，r為光伏方陣的方位角，而β-r則是陽(yáng)光射線和方陣法線在地面上投影的夾角。通用公式適用于任意方位角，也適用于赤道坐標(biāo)東西向間距的計(jì)算，是任意方向的通用公式，則間距不完全是南北向間距，而是前后排間距。

設(shè)光伏方陣縱向?qū)挾萀為3.3 m,當(dāng)?shù)鼐暥圈諡楸本?1°，代入公式（6）和（13）得表1。

表1 不同組件傾角和山地坡度情況下光伏組件間距對(duì)比Tab.1 Comparison of PV spacing under differentcomponent tilt angles and mountain slopes

可以看出：當(dāng)組件長(zhǎng)度、山地坡度、太陽(yáng)高度角及方位角等因素不變時(shí)，組件傾角越大，間距越大，反之亦然。同時(shí)，以山地坡面θ=10°為例，山地坡面光伏組件間距相交標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的光伏組件間距優(yōu)化了1.5 m左右，大大減小了光伏組件間距，提高了土地利用率。

再考慮不同山地坡度情況下光伏組件間距的變化,設(shè)山地坡度分別為 10°、15°、20°，分別代入式（13），可以看出：其他因素不變時(shí)，組件前后間距由坡面坡度決定，即坡度越大，間距越小，反之亦然,見表2。

表2 不同山地坡度情況下正南坡光伏組件水平間距對(duì)比Tab.2 Comparison of PV level spacing under different mountain slopes

3 湖北地區(qū)實(shí)踐應(yīng)用

湖北“三縣一區(qū)”多為山地，具備建設(shè)光伏電站的土地并不充裕，土地資源寶貴。湖北“三縣一區(qū)”第二批3個(gè)陽(yáng)光扶貧電站（長(zhǎng)陽(yáng)縣大山6 MW光伏項(xiàng)目、巴東縣孟家埡2 MW光伏項(xiàng)目和巴東縣萬(wàn)流2 MW光伏項(xiàng)目）設(shè)計(jì)建設(shè)中，應(yīng)用上文所推導(dǎo)的公式，結(jié)合大山光伏項(xiàng)目、孟家埡光伏項(xiàng)目和萬(wàn)流光伏項(xiàng)目的地形資料，考慮考慮實(shí)際工程中測(cè)繪精度、地面坡度朝向、施工精度等影響因素，對(duì)原有設(shè)計(jì)中的前后排光伏組件凈間距提出了合理優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表3。圖3為長(zhǎng)陽(yáng)縣大山光伏扶貧電站的組件布置實(shí)景圖。通過優(yōu)化，將3個(gè)光伏扶貧項(xiàng)目光伏陣列布置間距至少縮減了10%，保障了扶貧地區(qū)建設(shè)用地的充分使用，且發(fā)電效益良好。

表3 3個(gè)陽(yáng)光扶貧電站組件間距優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Optimization results of array spacing between three sunlight poverty reduction photovoltaic power plants

圖3 長(zhǎng)陽(yáng)縣大山光伏扶貧電站組件布置圖Fig.3 Array spacing diagram of Dashan sunlight poverty reduction photovoltaic power plantin Changyang county

4 結(jié)語(yǔ)

為了深入貫徹落實(shí)中央開展精準(zhǔn)光伏扶貧的政策，國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司在湖北“三縣一區(qū)”開展了陽(yáng)光扶貧電站的建設(shè)。由于“三縣一區(qū)”多是山地丘陵地區(qū)，所建村級(jí)光伏發(fā)電項(xiàng)目不同于常規(guī)平原選址，屬于山地光伏電站，在設(shè)計(jì)和建設(shè)方面有其特殊之處。針對(duì)山地環(huán)境存在的土地資源緊張、地形條件復(fù)雜、施工難度大的特點(diǎn)，面對(duì)山地扶貧電站的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文提出了光伏組件布置原則和山地光伏組件間距優(yōu)化方法。該方法在湖北“三縣一區(qū)”第二批3個(gè)陽(yáng)光扶貧電站得到了應(yīng)用。不僅提高了土地利用率，避免了土地資源浪費(fèi)，而且增加了陽(yáng)光扶貧電站的發(fā)電效率和收益，間接提高了陽(yáng)光扶貧工程的扶貧力度，獲得了良好的社會(huì)影響力。

（References）

[1]郭家寶,汪毅.光伏發(fā)電設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.GUO Jiabao,WANG Yi.Key technology of photo?voltaic power plant design[M].Beijing:China Electric Power Press,2014.

[2]欒石林，李光明，廖華，等.太陽(yáng)能山地光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014,34（5）:25-31.LUAN Shilin,LI Guangming,LIAO Hua,et al.Re?search on optimum design of the photovoltaic power station in mountainous area[J].Journal of Yunnan Normal University:Natural Sciences Edition,2014,34(5):25-31.

[3]周長(zhǎng)友,孫祎,朱國(guó)峰.大型光伏電站陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].華電技術(shù),2014,36(9):68-72.ZHOU Changyou,SUN Yi,ZHU Guofeng.Study on optimization design of large-scale photovoltaic power plant[J].Huadian Technology,2014,36(9):68-72.

[4]黎明，楊慶華，皮琪力.湖北山地太陽(yáng)能光伏電站設(shè)計(jì)與效益分析[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2016(10):50-52.LI Ming,YANG Qinghua,PI Qili.BOC analysis and optimum design study of the photovoltaic station in Hubei mountain area[J].Applied Energy Technology,2016(10):50-52.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50797—2012光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50797—2012 Code for design of photovoltaic power station[S].Beijing:China Planning Press,2012.

Research and Application on PV Optimum Arrangement of Sunlight Poverty Reduction Photovoltaic Power Plant in Mountainous Area

QIAN Yimin1，DING Kai1，HU Yuchuan1，JI Bin2
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China）

To carry out the policy of take targeted measures to help people lift themselves out of poverty,the state grid corporation of China has launched the construction of sunlight poverty reduc?tion photovoltaic power plant in Hubei Zigui,Changyang County,Badong County,Shennongjia For?est Region(hereinafter referred to as the Hubei three county and one region)from 2016.Firstly,the characteristics of mountain site selection of sunshine poverty alleviation power station are ana?lyzed.According to multiple factors of the PV array location,mountain slope,photovoltaic array an?gle,photovoltaic panel size and the surrounding environment,the optimum design method of fixed array PV layout of mountainous photovoltaic power plant is put forward.On this basis,this opti?mum design method has been applied in three sunlight poverty reduction photovoltaic power plant in Hubei three county and one region in 2016.The method not only improves the land utilization rate,avoids the waste of land resources,but also increase the efficiency and return of sunlight pov?erty reduction photovoltaic power plant,and indirectly strengthen the work of aiding the poor to ob?tain a good social influence.

poverty reduction photovoltaic power plant;photovoltaic module;optimum design；mountainous area

TM615

A

1006-3986(2016)11-0028-04

10.19308/j.hep.2016.11.006

2016-10-15

錢一民（1988），男，湖北武漢人，碩士，工程師。