山地光伏電站設計建設關(guān)鍵技術(shù)

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 丁國平 楊凱鶴 姜春富 周寶貴

目前，我國光伏電站分布情況是“北方平原，南方山地”，由于山地地形較為復雜，光伏電站的結(jié)構(gòu)設計方法較多，工程建設的重點也較多，因此“南山地，山地難”被認為是光伏電站設計與建設的主要難題，在對山地光伏電站的設計與建設的基礎(chǔ)上，結(jié)合已經(jīng)實現(xiàn)山地光伏發(fā)電的某地商洛并網(wǎng)光伏電站項目成功的工程經(jīng)驗，歸納出山地光伏電站設計與建設的一套主要技術(shù)。

1 復雜山地光伏電站的特性及困難

山地光伏電站受到地形條件、國家政策、土地占用和建設周期等多方面的影響，在其建造進程中形成了自身的特色。

1.1 地形環(huán)境比較惡劣，光伏組件和集電線路安裝困難

山區(qū)的光電發(fā)電站多在沙化、荒漠化、石漠化山區(qū)，其地面高低起伏，方向不同，部分地區(qū)還夾雜著一些水沖溝或石頭殘丘，可設置的發(fā)電區(qū)域大小不同，并且比較零散。由于受到地形地貌的制約，山地光伏電站相對于戈壁灘和沙漠平緩地帶的光伏發(fā)電場，會出現(xiàn)支架布置煩瑣等的問題，由于方陣分布范圍較大，所以其支架支柱的高度也是不均勻的，在這種情況下，系統(tǒng)的方陣布局與周圍的自然環(huán)境協(xié)調(diào)程度比較低，從而產(chǎn)生了建設過程中的困難，同時也很難對其進行成本控制。

在符合相關(guān)技術(shù)標準及需求的前提下，依據(jù)其所處的環(huán)境，對正方形陣列的安裝方式進行規(guī)劃，并對光伏組件的合理間隔進行設定，以確保正方形陣列與所處的環(huán)境具有高度的適用性，從而減少其對地面的干擾，在地形復雜的山區(qū)，因為光伏組件的分布較散亂，并且受到地形的限制，所以較難做到節(jié)約線纜，易造成工程區(qū)域的集電線路規(guī)格過大、長度過長和網(wǎng)損過大等問題。

圖1 光電場區(qū)的地貌

1.2 工程建設周期短，施工難度大

近年來，全國的光伏發(fā)電裝機規(guī)模一直保持著快速的發(fā)展趨勢。為了對當年的全國光伏發(fā)電發(fā)展進行一個整體的規(guī)劃，我國對光伏發(fā)電的安裝和維護工作進行了全面的規(guī)劃。如此，各個區(qū)域所有的光伏電站的安裝和維護工作都需要在當年度進行。另外，我國在西部各省已有數(shù)個地區(qū)的光伏發(fā)電價格由2013年的1元/kWh降至2022年的0.36元/kWh，導致建設單位紛紛趕在電網(wǎng)價格調(diào)價前完成建設并投產(chǎn)，因此不得不面臨著工期大幅縮短、設備材料因供求關(guān)系導致上漲等不利因素，使得建設單位面臨著更大的投資風險，也加大了建設單位的投資成本。

1.3 受限制較多，施工計劃易于出現(xiàn)重疊現(xiàn)象

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用太陽能的最重要方式之一。在過去的幾年中，光伏發(fā)電項目得到了政府的高度重視，同時也是國家可再生能源發(fā)展的主要方向。然而，由于光伏電站的建造需要占用大量的土地，所以在項目建設初期階段，需要經(jīng)過土地、林業(yè)、環(huán)境、安全、消防、電力等部門的多重審核。在山地的光伏發(fā)電項目工程中，有部分地塊可能也會是比較平整的農(nóng)業(yè)耕林地區(qū)，如在這些地塊安裝光伏發(fā)電組件時，往往會涉及耕地征用或租賃農(nóng)田，或被要求采用“農(nóng)光互補”等方案。由于土地征收補償和社會風俗習慣等因素，一般這些地塊土地征地工作進程緩慢，從而會使光伏發(fā)電項目的整體規(guī)劃往往需要進行多次修改，或者整個項目邊施工邊征地邊設計等[1]。

2 復雜山地光伏電站的規(guī)劃與施工技術(shù)

通過對商洛山地光伏發(fā)電項目建設過程中的各個環(huán)節(jié)進行研究，分析山地光伏發(fā)電項目的特點，重點解決山地光伏組件間距控制、灌注樁基礎(chǔ)、滑動可調(diào)支架、集電線優(yōu)化布置以及多個平臺的協(xié)同優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)[2]。

2.1 山地光伏組件間排列間隔的調(diào)控技術(shù)

在山地建設光伏電站，由于其地勢起伏較大，根據(jù)設計規(guī)范，在冬季時組件每天受到的光照時間不能低于6h且不受任何遮蔽。因此，如何使光伏陣列的布局更加科學，同時又不受遮蔽，成為山地光伏電站一個重要解決的問題。商洛光伏發(fā)電站項目充分利用3S空間分析技術(shù)，構(gòu)建出一個具有復雜地勢的斜坡、光伏電站的尺寸等多個指標的綜合分析指數(shù)，如圖2所示。

圖2 復雜山地光伏間距分析圖譜布置組件圖

在此基礎(chǔ)上，通過對三維等多維地表條件下的坡度和坡向進行精細刻畫，并對其進行定量的解算，從而為光伏電站的各組件間距的優(yōu)化提供依據(jù)。該方案能夠精確地對場區(qū)的地貌因素進行計算，并對每組光伏組件之間的間隔進行計算。在各種地貌地區(qū)，光伏組件之間的間隔是不一樣的，從而可有效地避免由于間隔不均勻而導致的布局范圍過大，占用土地過多等問題；另外，將組件排列間隔進行定量化，可降低人工決策帶來的誤差，極大地提升排列工作的工作效率。

2.2 灌注樁基礎(chǔ)

山地光伏電站地勢較高、坡度較大、溝壑較多，傳統(tǒng)的打樁裝備不能滿足要求；場區(qū)地面有些為含硅質(zhì)黏土礦物的強風化層，其表面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，容易發(fā)生滑移，嚴重威脅著光伏電站支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性和建設的安全性。灌注樁基礎(chǔ)工藝分為微孔灌注樁基礎(chǔ)與鉆孔錨桿樁基礎(chǔ)。

微孔灌注樁。適用范圍：多數(shù)不同的地質(zhì)條件可用。施工工藝：利用潛孔鉆孔或空氣壓力進行施工鉆孔，手澆灰漿。這些小孔的直徑很大，低污染，易控制、造孔時易粉塵飛揚，對生產(chǎn)有一定的不利作用周圍的一切。受到地層因素的影響在巖層中對建筑造成了一定的影響；施工進度：施工工序較簡單，施工進度較快，單臺潛孔鉆一天可鉆孔250個左右。鉆孔進度受地質(zhì)條件變化影響較小。

鉆孔錨桿樁。適用情況：有較強的抗力，地基承載能力高，適用于較堅硬的土壤或巖石層，尤其是適合山地、丘陵、斜坡等地質(zhì)；施工工藝：裝置簡便，操作方便，鉆孔直徑較大。其對周圍的生態(tài)和環(huán)境的損害較小。但在打孔過程中可能會出現(xiàn)卡鉆的現(xiàn)象；施工進度：目前，單臺手風力鉆機每天可開孔50個，但需要進行多輪注壓，施工時間相對較長。

經(jīng)過多方面的分析對比，發(fā)現(xiàn)用微空壓手風鉆法進行成孔的鉆孔錨桿樁，對含有強風化層的山地光伏較合適，不僅可實現(xiàn)簡單、快速、具有良好的經(jīng)濟效益，還可對工程的品質(zhì)和進度進行更好的保障。對于普通的地質(zhì)較均勻的山地光伏，土壤較為均勻、風化層薄或者沒有風化層等情況下，微孔灌注樁也是一種更經(jīng)濟、快速、有效的加固地基的方法[3]。

2.3 滑動可調(diào)型光伏支架

山地光伏電站在安裝過程中，因測點、安裝等因素，經(jīng)常會造成支架樁基座與原來的設計存在定位偏差，造成樁基座之間的間距與實際偏差過大，以致在實際安裝時有一些支架立柱可能需要安裝在樁基底板面的邊沿或沒法安裝在樁基底板面內(nèi)。為了保證安裝質(zhì)量，需要對部分樁基對重新進行施工或更換支架材料，造成建設成本和造價上升，而且還會對光伏組件的支撐件的穩(wěn)固性和安全造成較大影響。這一問題在山地尤其突出。

為了解決這一問題，通過對傳統(tǒng)的光伏支架設計進行了創(chuàng)新性的改進，在支撐體系的傾斜橫桿上增設了可轉(zhuǎn)動的聯(lián)軸節(jié)和可調(diào)節(jié)的開孔，增強光伏支架在各種不同地形的適應性。使用這種可調(diào)節(jié)型光伏支架，當由于測量及施工誤差引起的支架立柱的偏離，可通過轉(zhuǎn)動連接件，調(diào)整螺栓連接孔，實現(xiàn)將支架立柱與斜梁的連接，從而保證了支架安裝的安全性、穩(wěn)定性和美觀性。

2.4 集電線路布置技術(shù)

商洛山地光伏電站由于山地地形的原因，其逆變器、箱變等設備在光伏場區(qū)的布置受到了一定限制，對與其相連接的集電線路等線纜的規(guī)格和長度等也受到影響。集電線路線纜的規(guī)格變大或長度增加，意味著整個工程的施工難度增加和建設成本的增加。在布置光伏區(qū)集電線路時，需要綜合逆變器、箱變等設備布置、考慮線槽的布置和線纜的節(jié)約等措施，以減少線纜的損耗，提高電站發(fā)電效率和降低成本，從而可以對建設成本進行有效的控制。

2.5 基于COM組件技術(shù)多平臺聯(lián)動設計

通過COM組件計算機技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨語言、跨軟件平臺的模塊通信，能夠最大限度地發(fā)揮每個軟件平臺的優(yōu)勢，實現(xiàn)協(xié)同工作，為光伏電站的快速、高效設計工作奠定了基礎(chǔ)。通過COM組件作為媒介，以3S技術(shù)為支撐，實現(xiàn)了光伏組件模塊布局圖的自動繪制、土地和森林的敏感因子的整合；通過對數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)了支架樁位點高度的計算和儲存；推動C3D進行光伏組件模塊的安裝和測試。通過使用一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)界面，可以使光伏電站的結(jié)構(gòu)和性能得到直觀的體現(xiàn)，并將其與其他的結(jié)構(gòu)進行比較。

以商洛山地光伏發(fā)電項目為例，該項目設計裝機容量為100MW，包括1座110kV升壓變電站。本項目所有設備均位于多處山丘或陡坡之上，其中陡坡局部坡度高達30°～40°。受地面徑流的侵蝕，場區(qū)內(nèi)的溝谷十分發(fā)達，大多數(shù)溝谷寬度在1.5～2.5m，溝谷深度在0.7～1.2m，對場區(qū)內(nèi)的地貌有很強的干擾，對光伏電站的規(guī)劃和布局也產(chǎn)生了較大阻礙，使得光伏電站的一些光伏組件不得不放置在溝谷的邊緣或者是地勢陡峭的地方。

因為場區(qū)的結(jié)構(gòu)比較復雜，所以施工圖紙設計是在施工現(xiàn)場邊測量邊進行設計的，一旦發(fā)現(xiàn)問題就需要立即對其進行修正，而在修正時，又需要與國土和林地等部門協(xié)調(diào)，不斷修正設計和施工計劃。在設計過程中采取了一系列的關(guān)鍵技術(shù)，包括在不同地形地貌中，光伏板組件間的布置間距控制、灌注樁基礎(chǔ)定位、滑動可調(diào)型支架、集電線路的最優(yōu)布置及基于COM元件技術(shù)的多平臺鏈接設計。在確保了良好的項目外觀的前提下，還能節(jié)省約10%的資金。

商洛山地光伏發(fā)電項目采用EPC總承包方式建設，盡管光伏發(fā)電項目的技術(shù)架構(gòu)比較簡單，但由于其所牽扯的專業(yè)比較多，而且建設的時間相對比較短，因此需要不同專業(yè)設計人員長期駐扎在施工現(xiàn)場，加強了以E為主導的工作，在施工過程中進行了科學的安排，當施工過程與施工計劃不一致的時候，可以及時提出了與施工過程相符的技術(shù)解決辦法，對P（采購）和C（施工）兩個過程進行了綜合的控制，使得一些工作能夠在施工過程中得到很好地銜接，這樣就可以極大地減少施工過程遇到的困難，確保了施工進度以及項目如期完成，同時也可以將多個部門聯(lián)合起來的優(yōu)點發(fā)揮出來，這也是建設光伏項目的一項有意義的工作。

3 結(jié)語

隨著國家加大對光伏電站的建設和相關(guān)國土林業(yè)審批等支持政策的出臺，經(jīng)過多年的光伏電站開發(fā)，日照較好、地勢平坦、建設條件較好的地塊逐漸減少。所以，在山區(qū)等建設條件不完善的區(qū)域建設光伏電站將成為未來的主流。山地光伏電站場區(qū)所位于的區(qū)域通常地勢起伏變化較大，外界的擾動較大，與平原區(qū)域相比，光伏組件以及相關(guān)設備的安裝較難，且安裝計劃易于重復，還有施工難度大，施工時間短等問題。

因此，需要充分認識到山地光伏項目施工過程的特殊性，充分發(fā)揮前期規(guī)劃與設計的“排頭兵”作用，合理優(yōu)化已有的施工方案，協(xié)調(diào)各部門之間的工作配合，以保證光伏建設項目的順利實施。充分利用三維、3S等高科技技術(shù)對支架布置及支撐基礎(chǔ)等設計進行創(chuàng)新，可有效對復雜山地光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各種不利建設條件的約束問題進行有效處理，同時進行精細的管理。如此可將項目打造成讓客戶感到滿意的優(yōu)異項目。