復(fù)雜山地地形光伏組件布置流程及原則

孫一鳴 王銘乾

摘要：復(fù)雜山地地形在進行光伏組件的布置工作時，有諸多的限制性因素，包括但不限于山體坡度、坡向、地質(zhì)情況、溝壑、輸電線路、天然氣管道、國防電纜、墳、村莊、零散建構(gòu)筑物、寺廟、文物、軍事、植被等等。本文從設(shè)計和施工兩個維度闡述復(fù)雜山地地形光伏組件布置工作的原則和流程。

關(guān)鍵詞：山地;光伏;布置

復(fù)雜山地地形在布置光伏組件時，需考慮多重因素對光伏組件的影響。如山體自身對光伏組件的陰影遮擋、不同支架形式對地形的要求和適應(yīng)性、坡度和坡向起伏多變條件下的光伏組串前后排間距計算、施工和設(shè)計的優(yōu)化結(jié)合等等。

本文從設(shè)計和施工兩個維度闡述復(fù)雜山地地形光伏組件布置原則和流程。

一、設(shè)計維度的復(fù)雜山地地形光伏組件布置

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797-2012），光伏方陣各排、列的布置間距，應(yīng)保證全年每天9：00～15：00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r）時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋，也即冬至日當(dāng)天9：00～15：00時段前、后、左、右的陣列不遮擋。

本文所述復(fù)雜山地地形光伏組件布置流程及經(jīng)驗遵循以上原則，主要依托HELIO 3D軟件，輔助使用PV syst、sketch up、無人機、遙感影像等軟件或手段完成光伏組件的布置工作。將設(shè)計維度的布置經(jīng)驗總結(jié)如下：

（1）明確支架形式可適用的山體坡度

布置時，首先需要明確可以布置的坡體。不同支架形式對山地的適應(yīng)性也不同，通常，坡度超過5°的山坡無法布置平單軸支架形式;東西向坡度超過20°的山坡難以布置固定可調(diào)支架形式;綜合坡度超過40°的坡度施工難度很大，無論何種支架形式，都難以施工。若地質(zhì)情況復(fù)雜，則需視具體地質(zhì)情況而定不能施工的范圍，如若坡上多為碎石，30°以上施工難度已較大，有安全隱患，不建議布置光伏組件。

（2）仿真山體陰影對光伏組串的遮擋

山體遮擋分為自身山體遮擋和相鄰山體遮擋兩種類型。

當(dāng)所用坡向為北坡時，自身山體會對光伏組串產(chǎn)生陰影遮擋;當(dāng)所用坡向為較正的東西坡且東西坡坡度過大時，自身山體也會對光伏組串產(chǎn)生陰影遮擋;同時，相鄰山體即使不在場區(qū)紅線范圍內(nèi)，若高差足夠大，也會對所用山坡產(chǎn)生陰影遮擋。

上述山體對光伏組串的影響均需要根據(jù)地形圖，通過PV syst、HELIO 3D等軟件仿真模擬確定山體陰影范圍后，排除遮擋面積，再進行光伏組串的布置。

（3）對不同坡向的山體進行精細化分區(qū)

不同坡向的山體在計算組串前后排間距時所采用的軟件算法不同，比如東坡上的組串在滿足冬至日15點時不被遮擋的間距下，即可滿足冬至日9點至15點之間一定不被遮擋，因此東坡上的組串的算法需要設(shè)置為在冬至日15點不被遮擋;而西坡上的組串則需要滿足在冬至日9點時不被遮擋。

因此，山地光伏項目在設(shè)計過程中，組串排布要兼顧性能及效率，周全考慮。對于地形復(fù)雜多變的項目，在設(shè)計過程中首先化整為零，將連續(xù)坡面按走向細分，逐塊分析，逐排布置，做到坡面不遺漏、行間不浪費;其次是化零為整，利用自然地貌分割線（脊線、巖石廓線等）將區(qū)塊逐一拼合。確保區(qū)塊內(nèi)組串類型一致，組串間距相近，區(qū)塊間錯落有致，互不干擾，分界通道可作檢修之用，整體布置兼顧美觀與實用性。

（4）前后排組串間距

采用HELIO 3D軟件進行光伏組串布置時，可以選擇不同的算法確定光伏陣列的前后排間距。

一種算法是逐排計算組串的前后排間距，這種算法的優(yōu)勢是可以在保證發(fā)電量的同時，最大限度節(jié)約土地;另一種算法是確定等間距，在該分區(qū)內(nèi)，所有組串的前后排間距都是相同的，這種算法的優(yōu)勢是更有利于美觀和施工質(zhì)量、進度的把控。

需要注意的是，對于前后排間距非常小的情況，比如部分南坡上的組串布置，在設(shè)計時需設(shè)定最小間距為0.5m，以留出施工和檢修空間。而對于我國中高緯度地區(qū)，坡度較大的山體北坡和正東西坡的前后排間距通常會非常大，對于土地資源不緊張的項目，不建議采用北坡和正東西坡進行光伏組串布置，以降低對土地資料的浪費和電纜等耗材的損耗，同時也可以降低系統(tǒng)效率損耗。

（5）大坡度山體避免跨山脊布置

在設(shè)計及施工交底中，必須明確的一條原則是相鄰組串的表面需形成連續(xù)光滑曲面，不允許有局部翹起或高低起伏，以免遮擋相鄰組串和北側(cè)組串。若跨山脊布置，對于山體坡度較大的地形，該組串兩側(cè)的樁基必須抬高高度才能保證組串最低點與山脊之間的間距要求，勢必會對相鄰組串造成遮擋，詳見下圖1。

圖中所示為某工程跨山脊組串布置，圖中四根樁為同一組串的四根樁基礎(chǔ)，可以看出兩側(cè)的樁基礎(chǔ)離地高度必須抬高才能滿足組串中間的離地高度要求，這使得兩側(cè)的組串都必須相應(yīng)抬高離地高度，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的浪費。

（6）高大障礙物需考慮夏至日的影響

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797-2012），光伏組件在全年每天9：00～15：00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r）時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。通常按照冬至日的影子長度進行計算和躲避。但是在考慮架空線路塔位等高大障礙物對組串遮擋的影響時，不僅要考慮冬至日9：00-15：00不遮擋，需要核實夏至日同樣不遮擋。因為夏至日的東西向陰影長度可能寬于冬至日的陰影，同時夏季輻射量高，障礙物高差較高的話會對兩側(cè)組串有遮擋，造成發(fā)電量的損失。

（7）架空線路躲避原則

根據(jù)《電力設(shè)施保護條例》，架空電力線路保護區(qū)是指導(dǎo)線邊線向外側(cè)水平延伸并垂直于地面所形成的兩平行面內(nèi)的區(qū)域，在一般地區(qū)各級電壓導(dǎo)線的邊線延伸距離如下：

1-10KV為5米;

35-110KV為10米;

154-330KV為15米;

500KV為20米。

在保護區(qū)內(nèi)，不能進行打樁作業(yè)，也即不能進行光伏組串布置。

（8）溝的躲避原則

不論巖石區(qū)還是黃土區(qū)，復(fù)雜山地地形不可避免都有溝，有較深的發(fā)育溝，也有較緩的溝，需核實不同溝的情況。若為較陡的黃土區(qū)發(fā)育溝，組串樁基位需視情況與溝邊躲避一定的安全距離，若為巖石區(qū)高差1m以內(nèi)的淺溝，組串可視情況跨溝，但樁基位不能布置在溝內(nèi)。

（9）平單軸支架系統(tǒng)布置原則

平單軸系統(tǒng)對地形的平坦性和開闊性要求較高，通常需要南北向和東西向坡度不超過5°左右。若高差超過支架自身適應(yīng)能力，只能靠抬高部分樁的高度來調(diào)平，這樣會導(dǎo)致造價上升，運維難度增大，并且兩套平單軸支架之間需要拉開間距以躲避遮擋，也浪費了土地。

二、現(xiàn)場施工、安裝維度的復(fù)雜山地地形光伏組件布置

（1）避免前期道路施工影響可布置容量

復(fù)雜山地地形光伏電站的開工，通常需要先進行道路施工。在道路施工前，需要注意在設(shè)計交底時與現(xiàn)場交待清楚，避免修建道路的土石方滑落到山坡上。一旦土石方滑落到山坡上，被土石方覆蓋的區(qū)域厚度可達2m，這部分為虛土，承載力不夠，不能直接打樁。直接導(dǎo)致了該區(qū)域無法施工，且部分山坡坡度較大，堆土區(qū)下方仍需預(yù)留安全距離，甚至整個坡無法布置，對容量影響較大。

下圖2為某工程土石方滑落到山坡的情況，紅色框內(nèi)為不能布置區(qū)域。考慮到大部分場區(qū)總?cè)萘烤o張，此種方式對土地浪費較大，且不符合環(huán)保要求，應(yīng)該避免。

（2）避免相鄰組串之間有高差導(dǎo)致遮擋

在設(shè)計交底時，需要明確相鄰組串的表面必須形成平滑的曲面，也就是相鄰組串之間不能有高差，若相鄰組串的表面未能按圖紙要求形成平滑的曲面，會導(dǎo)致相鄰組串之間發(fā)生遮擋，且局部翹起的組串同時會導(dǎo)致北側(cè)一排組串也被遮擋。

下圖4為某工程中由于施工不規(guī)范導(dǎo)致相鄰組串之間發(fā)生遮擋，這種情況既影響發(fā)電量，也不美觀。

三、總結(jié)

復(fù)雜山地地形光伏組串的布置所受到的限制性因素較多，包括但不限于山體坡度、坡向、地質(zhì)情況、溝壑、輸電線路、天然氣管道、國防電纜、墳、村莊、零散建構(gòu)筑物、寺廟、文物、軍事、植被等等。不僅在設(shè)計時要考慮躲避這些限制性因素及相應(yīng)的安全保護區(qū)，還需要結(jié)合施工經(jīng)驗和現(xiàn)場實際情況不斷優(yōu)化布置情況，同時，山體走向復(fù)雜，若僅從安全和不遮擋組串的大原則出發(fā)進行組串布置，難免出現(xiàn)不美觀的情況，還需要結(jié)合山體的整體走向進行設(shè)計優(yōu)化和美觀性的提升?？偟膩碚f，是一個不斷設(shè)計迭代、優(yōu)化、改進的過程，需要耗費較大的時間和精力，才能得到一個相對令人滿意的布置圖紙。