湖北地區(qū)光伏農(nóng)業(yè)大棚項目技術(shù)方案特點

劉曉艷 王玉輝

（湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北 武漢 43300004411）

日前，國家能源局正式下發(fā)國能新能（2015）73號文件，發(fā)布《2015年光伏發(fā)電建設(shè)實施方案》。方案提出，鼓勵結(jié)合生態(tài)治理、設(shè)施農(nóng)業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖、扶貧開發(fā)等合理配置項目。鼓勵通過競爭性方式配置項目資源，選擇技術(shù)和經(jīng)濟實力強的企業(yè)參加項目建設(shè)，促進光伏發(fā)電上網(wǎng)電價下降，對降低電價的地區(qū)和項目適度增加建設(shè)規(guī)模指標(biāo)。《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》已將太陽能光伏生態(tài)大棚電站的模式劃定為BIPV（光伏建筑一體化）示范項目，享受國家財政補貼。

光伏農(nóng)業(yè)大棚是一種新形式的土地綜合利用方式，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與清潔能源緊密結(jié)合的產(chǎn)物，項目節(jié)約用地，不改變土地屬性，又可以將空間立體利用，產(chǎn)生清潔電力，擴大供電可再生能源比例，帶來雙向效益。

1 項目概況

湖北地區(qū)某光伏農(nóng)業(yè)大棚項目規(guī)劃總?cè)萘?0MW，占地面積1 443畝，屬丘陵壟崗地貌，計劃在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)種植葡萄。廠址東西側(cè)地形相對較寬緩，該地段最大高差達3～6m。場地中部發(fā)育南北向沖溝。經(jīng)現(xiàn)場勘探及結(jié)合區(qū)域資料，廠址地基巖土分布主要有：人工填土（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖湖積（Q4l）淤泥、沖洪積（Q4al+pl）黏性土及第四系上更新沖洪積（Q2al+pl）黏性土。

光伏組件選型號為255Wp多晶硅電池組件，采用組串式逆變器。以35kV電壓等級接入系統(tǒng)，緩解地區(qū)環(huán)境保護壓力，促進地方經(jīng)濟的發(fā)展，具有良好的社會和環(huán)保效益。工程建成投產(chǎn)后，所發(fā)電量在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)消納。

2 本項目技術(shù)方案的特點

2.1 光伏陣列設(shè)計及布置方案

根據(jù)采用的支架形式，光伏陣列采用橫向布置，單個光伏組串由20塊光伏組件構(gòu)成。固定式光伏組串成排安裝，經(jīng)計算陣列南北向間距6.7m。考慮到3～10月份為農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)種植的葡萄的生長期，計算出在3～10月份陣列陰影范圍的基礎(chǔ)上，預(yù)留業(yè)主用于種植農(nóng)作物寬度，經(jīng)計算優(yōu)化陣列南北向間距7m。

圖1 光伏陣列支架布置形式

光伏電站一般有橫向和豎向兩種組件布置形式（如圖1所示）。兩種布置形式，占地面積基本相同，豎向布置形式可節(jié)省光伏電纜的使用數(shù)量，從節(jié)約投資的角度考慮，早期的光伏電站設(shè)計上較多采用豎向布置［1］。

光伏組件的布置形式同樣影響光伏電站的發(fā)電效率。一般情況下，光伏電站的設(shè)計原則，是在冬至日上午9時之后下午3時之前無陰影遮擋，早晨和傍晚將不可避免地會出現(xiàn)陰影遮擋光伏組件的現(xiàn)象，對電站總體效率和維護帶來差異。多晶硅組件中，一塊組件一般由60片或72片電池片串聯(lián)而成。當(dāng)串聯(lián)支路中的一個太陽電池被遮擋時，將被當(dāng)作負載消耗其他的太陽電池所產(chǎn)生的能量，被遮蔽的太陽電池會發(fā)熱，嚴重影響組件的輸出功率，同時還會破壞太陽電池的性能。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。

當(dāng)光伏組件被陰影遮擋50%時，豎向安裝的光伏組件不僅不會輸出功率，還會產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。但在同樣比例的陰影遮擋下，橫向安裝的光伏組件依然正常工作，功率等比例下降，無熱斑效應(yīng)［2-3］。

經(jīng)過實踐證明，同一地區(qū)同等規(guī)模的光伏電站，橫向陣列比豎向陣列的電站發(fā)電效率高出3%～5%左右，從而影響光伏組件的轉(zhuǎn)換效率和峰值功率。

本項目的設(shè)計方案從業(yè)主收益角度出發(fā)，采用的是光伏組件橫向布置方案。

2.2 集電線路方案

由于農(nóng)業(yè)光伏的特殊性及陰影會顯著降低太陽能電池發(fā)電量。本項目集電線路不考慮采用架空線方式，采用加保護蓋板直埋方式［4］。

集電線路電纜過河溝時，若從水下走，需用防水電纜，雖然采購量不大，但是需要設(shè)置接頭井，工序復(fù)雜。因此過河溝電纜敷設(shè)采用橋架方式，建設(shè)不高于0.5m的混凝土電纜橋，將電纜槽盒敷設(shè)其上，槽盒上鋪以草皮加以美觀。橋架寬度大于3m時在河道中心適當(dāng)位置設(shè)置橋墩。

圖2 過河溝電纜敷設(shè)電纜橋架形式

2.3 組件支架及基礎(chǔ)

本項目采用固定傾角安裝方式，光伏陣列采用三角形鋼結(jié)構(gòu)空間支架，支架采用鍍鋅防腐，光伏陣列基礎(chǔ)沒有采用傳統(tǒng)的螺旋管樁和微孔灌注樁的形式，而是采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。

預(yù)應(yīng)力管樁顯著優(yōu)點是工期短、造價低，尤其適用于本項目淤泥軟土地區(qū)。工期短主要體現(xiàn)在三個方面：一是施工前期準(zhǔn)備時間短，經(jīng)高壓蒸養(yǎng)的PHC樁，成型后到使用只需幾天；二是施工速度快；三是檢測簡單快捷。

造價低主要體現(xiàn)在兩個方面：一是管樁單體長度的價格較低，其承載力較高，單位承載力的造價較低；二是工期短，可以節(jié)省施工費用，縮短投資回收時間。

2.4 選用小型組串式逆變器優(yōu)勢

目前光伏并網(wǎng)逆變器有大型集中式光伏并網(wǎng)逆變器和小型組串式光伏并網(wǎng)逆變器兩種主要形式，在光伏農(nóng)業(yè)大棚項目上選用小型組串式光伏并網(wǎng)逆變器具有如下優(yōu)勢：

圖3 組串式光伏并網(wǎng)逆變器方案示意圖

①提升光伏發(fā)電整體效率：多路MPPT，更好地滿足組件一致性匹配。直流故障損失低、系統(tǒng)自耗電低。

②設(shè)計施工方便：可組成兆瓦單元結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計。逆變器體積小，布置于陣列支架上，無土建基礎(chǔ)，安裝。

③降低運行故障率：無風(fēng)扇、無熔絲、組串智能檢測，故障影響范圍縮小。

④節(jié)省土地、增加土地利用率。

本項目選用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的一線品牌的組串式逆變器，減少了開關(guān)損耗，電能質(zhì)量好，電壓跳變輻度小。模塊化逆變器通信模塊采用移動4G方式進行通信，逆變器通信模塊與其所連接的組串之間采用無線載波通信。提高可靠性，便于施工，減少運營工作量。

3 結(jié)語

隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深化調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，以科技、高效、安全、環(huán)保和多功能為標(biāo)志的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)項目蓬勃發(fā)展。光伏農(nóng)業(yè)大棚項目是集光伏發(fā)電、農(nóng)業(yè)觀光、農(nóng)業(yè)作物、農(nóng)業(yè)技術(shù)、園林景觀及文化發(fā)展于一體的創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。本項目實施后將推動綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，智能循環(huán)，單個模塊故障不中斷發(fā)電，故障檢修時間短?？梢杂行У靥岣甙l(fā)電量。消除了光伏組串式不匹配的損失，取消了直流匯流箱和直流柜，取而代之的是交流匯流箱，容量配置更加靈活。防護等級可達到IP65。箱變至逆變器之間采用PLC通信技術(shù)，比普通的RS-485通信技術(shù)傳輸速度更快。

表1 通信方案對比表

2.5 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)

本項目電池組件數(shù)量龐大，為便于運行維護，光伏電場進入中央監(jiān)視，監(jiān)視范圍深入到串聯(lián)回路。采用有智能監(jiān)控和故障檢測功能的組串式逆變器，用無線方式送檢測信號至監(jiān)控中心［5］。

光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對光伏發(fā)電、逆變設(shè)備的監(jiān)視、測量、控制功能。監(jiān)控主機與真正實現(xiàn)科技高效的循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)，繁榮地區(qū)經(jīng)濟，建成省市特色農(nóng)業(yè)的樣板和窗口。

［1］慕陽.淺談太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用［J］.科研，2015（17）：187-187.

［2］黃勇.光伏發(fā)電系統(tǒng)在溫室大棚上的應(yīng)用［J］.科技廣場，2015（5）：69-76.

［3］蔣廣潔，韓航玲.關(guān)于棗莊市臺兒莊區(qū)發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)大棚的思考［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（13）：225-225.

［4］黃華，張梅，何銀濤.基于PKPM-PMSAP的多跨連棟式光伏農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)分析［J］.太陽能，2015（8）：24-26.

［5］王曉東.光伏技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚上的應(yīng)用［J］.化工中間體，2015（5）：39-40.