基于柔性支架的光伏電站的研究與設(shè)計(jì)

寧勇平，袁翼軫，張 果，王勛志

（1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙410000；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 湖南 長(zhǎng)沙410000）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)光伏項(xiàng)目種類層出不窮，如地面光伏、山地光伏、屋頂光伏、農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等，本項(xiàng)目依托技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用柔性支架，打破常規(guī)光伏電站模式，創(chuàng)造性地在污水處理廠的水池上空，建設(shè)光伏電站。

1 工程概況

該污水處理廠4.16 MWp 光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目位于湖南省長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)東岸鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為：28.22°N，113.05°E。所選廠區(qū)電網(wǎng)接入方便，交通便利，日照豐富，具備建設(shè)光伏電站的優(yōu)越條件。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)土地和地上空間的再次開(kāi)發(fā)，利用污水處理廠生物池（2 個(gè)方形池）、二沉池（8 個(gè)圓形池）等水池表面空間和四周綠化用地，采用鋼結(jié)構(gòu)加預(yù)應(yīng)力鋼索的方式，架空安裝太陽(yáng)能光伏電池組件，項(xiàng)目利用面積約45000 m2，安裝275 Wp的多晶硅光伏電池組件15134 塊，系統(tǒng)總裝機(jī)容量4.161850 MWp。本項(xiàng)目采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的模式，接入電網(wǎng)電壓等級(jí)為0.4 kV，并根據(jù)廠區(qū)變壓器容量和負(fù)荷情況，將光伏系統(tǒng)分散接入到廠區(qū)一期的2個(gè)配電間和二期的3個(gè)配電間，共9個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，光伏電站所發(fā)電量?jī)?yōu)先由廠區(qū)負(fù)荷消納，多余電量輸出到電網(wǎng)。該項(xiàng)目已于2018年底竣工并網(wǎng)發(fā)電。

2 總體方案設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能通過(guò)光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電力，再通過(guò)并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電后經(jīng)過(guò)低壓配電后并入電網(wǎng)。

2.1 支架方式選擇及設(shè)計(jì)

目前已有的污水處理廠光伏發(fā)電方案，絕大部分技術(shù)都很成熟，主要的難點(diǎn)是光伏組件方陣支架以及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，其原因之一是基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式必須保證污水池的安全可靠運(yùn)行，并在施工時(shí)對(duì)污水池不能有任何影響；原因之二則是如何實(shí)現(xiàn)支架在污水臭氣環(huán)境下防腐。

2.1.1 柔性支架設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目針對(duì)水廠構(gòu)筑物跨度大、鋪設(shè)難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新的光伏板安裝技術(shù)—柔性支架安裝。在水池上、布滿管線的構(gòu)筑物上也可通過(guò)柔性支架方式安裝光伏組件。

剛性支架一般采用鋼結(jié)構(gòu)柱、梁作為主結(jié)構(gòu)，檁條作為次結(jié)構(gòu)，光伏組件固定在檁條上，根據(jù)以往的實(shí)際工程，剛性支架主要存在以下問(wèn)題：土地占用率高，平均每1 MW 占地面積約22000～23333.33 m2；鋼結(jié)構(gòu)支架耗材量大；支架立柱間距3～4 m，支架跨度小，若要形成大跨度支架，支架自身占用空間大，成本大幅度提高。受地形影響較大，適應(yīng)地形能力差，不能用于大型污水處理池等比較復(fù)雜的場(chǎng)地。

柔性光伏支架主要由預(yù)應(yīng)力鋼索（鋼絲繩）、兩側(cè)抗拉構(gòu)件、中部的支撐立柱組成。光伏組件通過(guò)連接件固定于預(yù)應(yīng)力鋼索上，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力使鋼索產(chǎn)生剛度，能作為光伏組件的安裝支架，其優(yōu)勢(shì)如下：支架自身除立柱外不占用任何空間，大規(guī)模提高了土地利用率，大幅度減少了鋼材用量，降低造價(jià)，節(jié)約成本。便于形成較大跨度。節(jié)約能源，美化了環(huán)境，符合當(dāng)下國(guó)家綠色、環(huán)保的理念。柔性光伏支架示意圖如圖1 所示。

圖1 柔性光伏支架示意圖

圖2 柔性支架設(shè)計(jì)圖

因此根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)，本工程采用柔性支架方案，解決了在大跨度空間的污水處理池上空建設(shè)光伏發(fā)電站的難題，能夠使光伏發(fā)電站與污水處理池融為一體，讓水廠更具空間感，環(huán)境更加優(yōu)美；同時(shí)這種支架形式將光伏電站建設(shè)在水池上方，可靈活預(yù)留出設(shè)備檢修通道，不影響污水處理廠的正常運(yùn)營(yíng)和設(shè)備檢修，實(shí)現(xiàn)了光伏與環(huán)保產(chǎn)業(yè)的完美接合。設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.1.2 防腐設(shè)計(jì)

由于污水處理工藝、污水成分綜合原因，柔性支架的防腐性能要求嚴(yán)格，支架防腐可采用以下兩種方式。

硅膠涂料：硅膠涂料能夠全面防護(hù)支架各個(gè)原件，很好的適應(yīng)氣候變壓，具有防腐蝕、防銹蝕、防鹽霧，耐酸堿等特性，保證支架的使用壽命。

酚醛環(huán)氧漆：酚醛環(huán)氧漆對(duì)金屬構(gòu)件的附著力強(qiáng)，涂料耐腐蝕性能強(qiáng)；機(jī)械性能優(yōu)良，同時(shí)涂料耐磨，耐沖擊，耐有機(jī)溶劑。

運(yùn)維通道：由于柔性支架架設(shè)于水池上方，設(shè)計(jì)對(duì)于污水水池本身設(shè)備的維護(hù)專門(mén)預(yù)留檢修通道；對(duì)于光伏組件本身的線路檢驗(yàn)、組件檢查、運(yùn)行等單獨(dú)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼索作為日后的運(yùn)維通道。

采用新型柔性支架形式支架進(jìn)行光伏組件的固定安裝，本項(xiàng)目實(shí)際效果如圖3所示。

2.2 光伏陣列設(shè)計(jì)

2.2.1 陰影分析

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃，本分布式光伏項(xiàng)目擬建設(shè)在污水廠區(qū)內(nèi)，光伏組件架設(shè)于污水處理池上方，陰影主要考慮陣列間的相互遮擋。

本項(xiàng)目中固定安裝系統(tǒng)的方陣傾角經(jīng)過(guò)PVsyst軟件模型計(jì)算，可得到在不同傾角的情況下，各月方陣斜面上平均日輻射量及年總輻照量，經(jīng)PVsyst軟件測(cè)算[1]，傾角為15°～39°范圍時(shí)，系統(tǒng)年總輻照量接近最大，且能布置的光伏板也較多，綜合發(fā)電量和光伏板安裝容量，由此確定本系統(tǒng)光伏組件傾角為15°。組件最低點(diǎn)離地面3 m，預(yù)留比較充足余量供后期運(yùn)維以及組件下方植物的采光，同時(shí)避免造成組件下方空間光線不足而降低人們作業(yè)時(shí)的舒適感。

圖3 新型柔性支架組件安裝方式效果圖

本項(xiàng)目太陽(yáng)電池組件縱向一塊放置，多晶硅太陽(yáng)電池組件尺寸為1650 mm×992 mm。

通過(guò)以上公式計(jì)算得知：太陽(yáng)電池組件陣列間距D≈600 mm。

同時(shí)，通過(guò)PVsyst 軟件仿真分析，豎向排布組件前后排凈距600 mm 在全年9:00—15:00 時(shí)段無(wú)遮擋，與陰影遮擋公式計(jì)算結(jié)果一致，通過(guò)綜合比較分析，本期項(xiàng)目采用豎排布置，組件南北方向凈距為600 mm，東西方向凈距為100 mm。

2.2.2 光伏組串設(shè)計(jì)

為了使逆變器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳值，必須根據(jù)逆變器的參數(shù)將光伏組件進(jìn)行串并聯(lián)。每個(gè)并聯(lián)支路的光伏組件串聯(lián)數(shù)量主要受逆變器最大功率跟蹤電壓范圍的限制，光伏組串的最佳工作點(diǎn)電壓必須在逆變器的最大功率跟蹤電壓范圍內(nèi)；而總的并聯(lián)支路數(shù)受逆變器最大輸入功率限制。

組件串聯(lián)數(shù)為19～22 塊均可符合參數(shù)要求，考慮到污水池上空情況的陣列布置及施工的便利性，主要按照每22 塊組件為一個(gè)串路來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)個(gè)別地方根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為20 或21 塊一串來(lái)設(shè)計(jì)。

2.3 抗PID方案

光伏電站抗PID 有負(fù)極接地方案、虛擬接地方案和加正向偏置電壓方案，其中，負(fù)極接地方案必須配置分裂式隔離變壓器，成本相對(duì)較高；虛擬接地方案適用于地面電站和分布式屋面光伏電站，此方案需要采用隔離變壓器；加正向偏置電壓方案的原理是：該方案利用夜間逆變器待機(jī)后，采用ANTIPID 設(shè)備作為輔助電源，在光伏組件直流輸出和逆變器直流輸入端增加一個(gè)直流電源，確保負(fù)極高于地電勢(shì)，把白天工作時(shí)由于PID 效應(yīng)損失的電子從PE“抽”回來(lái)，并對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生PID效應(yīng)的光伏組件進(jìn)行修復(fù)，適用于分布式電站及大型地面并網(wǎng)電站。綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，本期項(xiàng)目采用加正向偏置電壓方案，有效的緩解本光伏系統(tǒng)PID 效應(yīng)，從而提高光伏電站的發(fā)電效益。

3 電氣接入設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在不改變污水處理廠廠區(qū)內(nèi)原有配電的前提下，分布式光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)就地并網(wǎng)，接入配電室0.4 V 配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)9 個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，經(jīng)組串式逆變器輸出匯流后，經(jīng)9 臺(tái)升壓變升壓后并入10 kV母線。

在本系統(tǒng)中，光伏并網(wǎng)柜設(shè)置斷路器進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)可在需要時(shí)與電網(wǎng)完全脫開(kāi)，保障光伏系統(tǒng)及電網(wǎng)安全。同時(shí)在并網(wǎng)側(cè)安裝電力監(jiān)測(cè)及顯示儀表，可實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。本系統(tǒng)并網(wǎng)接入點(diǎn)選取在總配電室0.4 kV低壓配電柜內(nèi)，采用電纜與0.4 V配電柜內(nèi)母排或開(kāi)關(guān)相連接，安裝并網(wǎng)計(jì)量柜，預(yù)留計(jì)量表安裝空間，供電網(wǎng)公司安裝計(jì)量用電流互感器及電能表。

4 發(fā)電量預(yù)測(cè)

本工程系統(tǒng)效率的修正系統(tǒng)如表1所示。

表1 系統(tǒng)效率估算修正系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)表

本期項(xiàng)目光伏組件方位角為30 度（北偏東），采用15°傾斜角安裝，經(jīng)過(guò)PVsyst 模擬，組件傾斜面年峰值日照小時(shí)數(shù)為1251h。年發(fā)電量為4334024 kWh。

本項(xiàng)目第一年系統(tǒng)總效率為83.28%，隨后由于光伏組件實(shí)際功率的衰減，系統(tǒng)總效率會(huì)逐年下降，且首年下降最快[6]。本項(xiàng)目采用多晶硅光伏組件，功率首年衰減3%，前10年衰減率約為10%，第10-25年恒定衰減率為0.667%/a，第25年衰減20%。本項(xiàng)目25年發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 25年壽命期內(nèi)發(fā)電量預(yù)測(cè)表

如表2 所示，本期項(xiàng)目預(yù)計(jì)第一年發(fā)電量為433.4 萬(wàn) kWh， 第一年有效利用小時(shí)數(shù)為1041.37h。 25 年累計(jì)發(fā)電量9789.615223 萬(wàn)kWh，平均每年發(fā)電量為391.5846.09 萬(wàn)kWh，年均有效利用小時(shí)數(shù)為940.80h。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目年均發(fā)電量約400 萬(wàn)kWh，項(xiàng)目工業(yè)電價(jià)約為1 元/kWh，項(xiàng)目國(guó)家補(bǔ)貼約為0.42 元/kWh，所以平均每年產(chǎn)生收益約570萬(wàn)元；

5.2 社會(huì)、環(huán)境效益

本項(xiàng)目25 年壽命期內(nèi)，年均節(jié)能減排量如表3所示。

5.3 優(yōu)化污水處理工藝效益

項(xiàng)目在污水處理廠上空覆蓋了光伏組件，在發(fā)出綠色清潔電能的同時(shí)，還可以抑制水池內(nèi)藻類植物的繁殖，優(yōu)化了污水處理工藝，提升了水質(zhì)。

表3 節(jié)能減排量預(yù)測(cè)表

6 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目采用“鋼結(jié)構(gòu)+預(yù)應(yīng)力鋼索”光伏支架形式，很好地實(shí)現(xiàn)了在大跨度的污水處理池上空建設(shè)光伏電站。同時(shí)，自發(fā)自用模式很好地匹配了污水處理廠白天電價(jià)高、耗電大的工藝。太陽(yáng)能作為清潔能源，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、優(yōu)化污水處理工藝等方面效益良好，符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。本項(xiàng)目在湖南地區(qū)首次采用柔性支架方案，對(duì)以后類似的項(xiàng)目具有很好的示范作用。