335 kWp 農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與建設(shè)

蘇 淵 ，秦江偉 ，劉建國(guó)

（1.重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 九龍坡 400053; 2.重慶電專能創(chuàng)勘察設(shè)計(jì)有限公司，重慶 九龍坡 400053）

農(nóng)光互補(bǔ)是近年來(lái)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域探索出來(lái)的一種產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展模式，該模式將光伏與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，有利于資源整合、產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)、有效增加土地單位產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)清潔能源與綠色農(nóng)業(yè)共同發(fā)展的良好愿景[1]。

335 kWp 農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目位于我國(guó)西南低山丘陵區(qū)，項(xiàng)目所在地海拔高程為570 m，占地約4 000 m2，采用“板上發(fā)電，板下種植”的農(nóng)光互補(bǔ)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]。項(xiàng)目分2 期建設(shè)，一期裝機(jī)126.36 kWp，二期裝機(jī)208.8 kWp。項(xiàng)目由村集體經(jīng)濟(jì)組織負(fù)責(zé)建設(shè)和管理。

項(xiàng)目所在地屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，年平均氣溫16.8 ℃，歷年極端最高氣溫42.1 ℃，歷年極端最低氣溫-4.4 ℃；全年日照時(shí)數(shù)1 092.7 h，年輻射值為3 780 MJ/m2，屬于我國(guó)太陽(yáng)能資源一般區(qū)。

1 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

1.1 光伏組件選型

目前，光伏電站所選太陽(yáng)能電池按其所用硅料結(jié)晶狀態(tài)，主要有單晶硅和多晶硅2 種，隨著單晶硅生產(chǎn)制造工藝的持續(xù)改進(jìn)以及高效電池技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，單晶硅電池與多晶硅電池相比，制造成本已相差不大，但在轉(zhuǎn)換效率上，單晶硅電池更有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前市場(chǎng)占有率已達(dá)95%以上，單晶硅太陽(yáng)能電池已成為光伏電站裝機(jī)首選。

太陽(yáng)能電池按其襯底類型，可分為P 型電池片和N 型電池片2 類。P 型電池片是在P 型半導(dǎo)體襯底上擴(kuò)散磷從而形成N+/P 型結(jié)構(gòu)，其擴(kuò)散工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但其最高轉(zhuǎn)換效率具有瓶頸。N 型電池片則是在N 型半導(dǎo)體襯底上注入硼從而形成P+/N 型結(jié)構(gòu)，其具有壽命長(zhǎng)、工作溫度低、弱光響應(yīng)好及無(wú)光致衰減等特性，電池轉(zhuǎn)換效率可以做得更高。根據(jù)一些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，N 型組件單瓦發(fā)電量比P 型組件高出5%以上，體現(xiàn)出N 型組件的良好性能。隨著制造工藝進(jìn)步，N 型組件的制造成本也逐步降低。目前，N 型組件與P 型組件的市場(chǎng)售價(jià)已相差無(wú)幾。伴隨著N 型組件于2023 年的大規(guī)模量產(chǎn)，今后，N 型組件將成為光伏行業(yè)的主流。

光伏組件按其電池片發(fā)電方式及結(jié)構(gòu)，又分為單面單玻、雙面單玻和雙面雙玻等3 種。單面單玻是指電池片只有正面吸光和發(fā)電，組件正面為鋼化玻璃防護(hù)，組件背板采用不透光的有機(jī)材料。雙面單玻是指電池片正、反兩面均可吸光和發(fā)電，組件正面為鋼化玻璃防護(hù)，組件背板采用透明有機(jī)材料。雙面雙玻是指電池片正、反兩面均可吸光和發(fā)電，組件正面和背面均采用半鋼化玻璃。從發(fā)電效益比較，當(dāng)然選擇雙面組件。在一些須要透光的場(chǎng)景，如農(nóng)業(yè)大棚、公共建筑等，也須要選擇雙面組件。

本項(xiàng)目光伏組件均采用單晶P 型、單面單玻組件，之所以沒(méi)有選擇N 型和雙面組件，主要是項(xiàng)目建設(shè)時(shí)囿于資金問(wèn)題及受市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品影響。今后該項(xiàng)目如改建或擴(kuò)建，作為農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)選擇雙面組件，從而加強(qiáng)透光性，更有利于光伏板下農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

項(xiàng)目一期和二期所選光伏組件主要參數(shù)如表1所示。

表1 光伏組件主要電氣及機(jī)械參數(shù)

1.2 光伏組串設(shè)計(jì)

按照GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范要求》中的規(guī)定，光伏組件串的串聯(lián)數(shù)應(yīng)按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N取整）；KV為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；KV

' 為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t' 為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Vmpptmax為逆變器MPPT 電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT 電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

將項(xiàng)目一期和二期的光伏組件相關(guān)參數(shù)代入式（1）和式（2）進(jìn)行驗(yàn)算，得出結(jié)果如表2 所示。

表2 光伏串組件串聯(lián)數(shù)驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)光伏串組件串聯(lián)數(shù)驗(yàn)算結(jié)果，且考慮項(xiàng)目一期、二期在組串布置上保持對(duì)稱和一致性，最終確定本項(xiàng)目每個(gè)光伏組串由18 塊光伏組件串聯(lián)構(gòu)成，18 塊光伏組件分上下兩排豎向布置，每排9 塊。項(xiàng)目一期設(shè)計(jì)有13 個(gè)組串，項(xiàng)目二期設(shè)計(jì)有20 個(gè)組串。

1.3 逆變器選型

逆變器是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的器件，光伏電站并網(wǎng)逆變器主要有集中式和組串式2 種。集中式逆變器是將多路并行光伏組串的直流電經(jīng)過(guò)匯流后接入逆變器，由逆變器集中將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。集中式逆變器具有功率密度大、電能質(zhì)量高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有MPPT 跟蹤精度不夠的缺點(diǎn)，導(dǎo)致遇到多云或單個(gè)組串故障時(shí)降低光伏電站轉(zhuǎn)換效率。而組串式逆變器是將多組光伏組串進(jìn)行單獨(dú)的最大功率峰值跟蹤，再經(jīng)過(guò)逆變后并入交流電網(wǎng)，組串式逆變器具有發(fā)電量高、組件配置靈活、便于安裝、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用組串式逆變器時(shí)，當(dāng)一塊組件被陰影阻擋或發(fā)生故障時(shí)，只會(huì)影響對(duì)應(yīng)少數(shù)幾個(gè)組串的發(fā)電量，可以將損壞降至最低，效率更高。

由于組串式逆變器配置靈活的特點(diǎn)，在近幾年已公布的國(guó)內(nèi)央企逆變器集采項(xiàng)目中，組串式逆變器招標(biāo)比例屢創(chuàng)新高，2023 年1 月至今，占比已達(dá)80%以上。

本項(xiàng)目選用組串式逆變器，一共3 臺(tái)，其中，一期1 臺(tái)，二期2 臺(tái)，逆變器容量均為125 kW。該型逆變器有10 路MPPT，每路MPPT 可接入2 個(gè)組串。一期的逆變器接入13 個(gè)光伏組串，二期的2 臺(tái)逆變器分別接入10 個(gè)光伏組串。逆變器具備組串檢測(cè)、輸入反接保護(hù)、絕緣阻抗檢測(cè)、輸出短路保護(hù)、浪涌保護(hù)等保護(hù)功能。

該型逆變器采用遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)企業(yè)自行開發(fā)的App 監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)跟蹤電站運(yùn)行情況，主要功能包括顯示實(shí)時(shí)發(fā)電功率和發(fā)電量、直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、告警信息等，還有參數(shù)設(shè)置功能。

監(jiān)控軟件還可記錄電站的日發(fā)電量、月發(fā)電量、年發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量、收益數(shù)據(jù)、節(jié)能減排數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及每日發(fā)電功率曲線圖等信息。

1.4 傾角設(shè)計(jì)

根據(jù)專業(yè)軟件，計(jì)算不同安裝傾角傾斜面的太陽(yáng)輻射量，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、施工、安全、美觀等因素，組件布置采用傾角15°，板面朝正南方向布置。

1.5 支架及陣列設(shè)計(jì)

光伏支架從選用材料上可分為鋼材型和鋁材型支架，鋼材型支架通常使用Q235B 鋼材，表面熱浸鍍鋅55～80 μm，鋁材型支架主要使用6063T6 鋁合金，表面采用陽(yáng)極氧化5～10 μm。鋁合金型材質(zhì)量輕、外表美觀、防腐蝕性能極佳，一般用于對(duì)承重有要求的屋頂電站或強(qiáng)腐蝕環(huán)境，如彩鋼板屋頂、化工廠電站等。鋼材強(qiáng)度高，承受荷載時(shí)撓度變形小，一般用于普通地面電站。

根據(jù)本項(xiàng)目所處地理環(huán)境、后期維護(hù)及投資成本考慮，組件支架采用雙立柱帶斜撐固定式支架，立柱主龍骨采用熱浸鍍鋅支架，鍍層厚度65 μm。光伏支架基礎(chǔ)采用混凝土鉆孔灌注圓柱樁，樁直徑300 mm，樁身根據(jù)地形調(diào)整，須保證光伏支架穩(wěn)定、牢固。

每組光伏陣列采用雙列布置，前后各4 個(gè)樁基，一共8 個(gè)樁基。為保證光伏板下村民耕作空間，光伏陣列行間距為7.4 m，光伏組件最低沿到地面距離大于2 m。

1.6 電纜選型

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)程》有關(guān)條款規(guī)定，本項(xiàng)目電纜選型如下：

光伏組件至組串式逆變器的直流電纜采用太陽(yáng)能專用電纜（單芯），沿組件背面鋼構(gòu)架檁條槽敷設(shè)，電纜在站內(nèi)通過(guò)穿管保護(hù)直埋敷設(shè)方式引至逆變器，直流電纜型號(hào)為PVl-F-1 × 4 mm2。

逆變器至光伏并網(wǎng)柜間的交流電纜采用阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，采用電纜保護(hù)管的敷設(shè)方式，電纜型號(hào)為ZR-YJV-0.6/1 kV-3 × 95 mm2+ 1 ×50 mm2。并網(wǎng)柜至架空線的交流電纜采用2 種型號(hào)，一期型號(hào)為ZR-YJV-0.6/1 kV-3 × 95 mm2+ 1 ×50 mm2，二期型號(hào)為ZR-YJV-0.6/1 kV-3 × 150 mm2+1 × 50 mm2，均采用穿管保護(hù)直埋敷設(shè)方式。

1.7 防雷設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目光伏陣列為地面光伏陣列。光伏陣列區(qū)域做水平接地網(wǎng)， 每個(gè)陣列兩端的光伏支架立柱與水平接地網(wǎng)用熱鍍鋅扁鋼（50 × 5）與水平接地網(wǎng)可靠連接。場(chǎng)地內(nèi)根據(jù)光伏陣列布置情況，埋設(shè)20 根垂直接地極，垂直接地極采用熱鍍鋅等邊角鋼（50 mm× 50 mm × 5 mm），長(zhǎng)度均為2.5 m，水平接地網(wǎng)與垂直接地極保證可靠連接。

工程竣工驗(yàn)收時(shí)，一期接地電阻測(cè)量值為2.7 Ω，二期接地電阻測(cè)量值為1.9 Ω，均小于4 Ω，符合光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

并網(wǎng)逆變器設(shè)備本身配置防雷保護(hù)模塊，可防止雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓。

交流側(cè)的防雷主要是在并網(wǎng)柜里裝設(shè)浪涌保護(hù)器。

1.8 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方案

本項(xiàng)目采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)接入模式。

項(xiàng)目一期13 個(gè)光伏組串接入1 臺(tái)125 kW 組串式逆變器，項(xiàng)目二期20 個(gè)光伏組串分2 組（每組10 個(gè)組串）各接入1 臺(tái)125 kW 組串式逆變器。逆變器輸出的400 V 交流電經(jīng)電纜接入并網(wǎng)柜，在并網(wǎng)柜內(nèi)通過(guò)光伏專用斷路器與市電并網(wǎng)后，再通過(guò)電纜接入附近架空線上，然后通過(guò)架空線引至附近柱上變壓器，經(jīng)升壓后將光伏所發(fā)電量送入電網(wǎng)，并網(wǎng)方式如圖1 所示。

圖1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方式示意圖

2 項(xiàng)目效益

2.1 經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益包含光伏發(fā)電收益和板下黃精種植收益。

項(xiàng)目光伏發(fā)電量按GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范要求》中規(guī)定的公式進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算見(jiàn)式（3）：

式中：HA為水平面太陽(yáng)能總輻照量，kW.h/m2；EP為上網(wǎng)發(fā)電量，kW.h；Es為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度，常數(shù) = 1 kW.h/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；K為綜合效率系數(shù)。綜合效率系數(shù)K包括：光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，項(xiàng)目所在地2022 年水平面太陽(yáng)能總輻照量為1 311 kW.h/m2，組件安裝容量為335.16 kWp，綜合效率系數(shù)取值范圍為0.75～0.85，本項(xiàng)目取0.8，代入式（3）中，計(jì)算得出本項(xiàng)目光伏年發(fā)電量約為35 萬(wàn)kW.h。項(xiàng)目所在地光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.396 4 元/kW.h，村集體經(jīng)濟(jì)組織每年可獲取電費(fèi)收益13.8 萬(wàn)元。

除發(fā)電收益之外，板下種植的黃精如管護(hù)較好，扣除購(gòu)買種苗、人工成本、土地租金和肥料支出等費(fèi)用外，平均每年還可獲得種植收益約6 萬(wàn)元。

2.2 社會(huì)效益

在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，引進(jìn)項(xiàng)目所在地周邊部分脫貧人口參與建設(shè)，幫助他們?cè)黾邮杖?。?fù)責(zé)管護(hù)項(xiàng)目的村集體經(jīng)濟(jì)組織還制定利益聯(lián)結(jié)機(jī)制，按每年發(fā)電收入的30%向監(jiān)測(cè)戶、脫貧戶及低保戶分紅，從而增加重點(diǎn)幫扶對(duì)象的轉(zhuǎn)移性收入，有效鞏固脫貧攻堅(jiān)成果。在項(xiàng)目投運(yùn)后，還為脫貧戶提供了多個(gè)長(zhǎng)期公益崗位，主要負(fù)責(zé)光伏組件定期沖洗、設(shè)備日常巡檢、黃精日常管護(hù)等工作，幫助脫貧戶在家門口務(wù)工增收。

2.3 生態(tài)效益

每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤100 t，減少二氧化碳排放量270 t，減少二氧化硫排放量33.8 kg，減少氮氧化物排放量51 kg，具有良好的生態(tài)環(huán)保效應(yīng)，將助推村集體經(jīng)濟(jì)走上生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路。

3 項(xiàng)目建設(shè)中遇到的問(wèn)題

3.1 逆變器交流輸出電壓過(guò)高

項(xiàng)目一期建成投運(yùn)時(shí)，隨著光伏輸出功率增大，逆變器交流輸出電壓也逐漸升高，超出安全運(yùn)行電壓限值。經(jīng)分析，是由于逆變器距離并網(wǎng)臺(tái)區(qū)變壓器太遠(yuǎn)（500 m 左右），線路阻抗壓降過(guò)大所致。后在項(xiàng)目所在地附近增設(shè)一臺(tái)并網(wǎng)臺(tái)區(qū)變壓器，實(shí)現(xiàn)就近并網(wǎng)，解決了逆變器交流輸出電壓過(guò)高問(wèn)題。這也提醒我們?cè)谵r(nóng)村地區(qū)建設(shè)分布式光伏項(xiàng)目時(shí)，要特別注意逆變器與臺(tái)區(qū)變壓器的距離，如距離較遠(yuǎn)，受線路阻抗影響，逆變器輸出交流電壓就會(huì)被動(dòng)抬高，逆變器與臺(tái)區(qū)變壓器之間的沿線用戶就不能保證用電安全。

3.2 光伏組件底部積灰

項(xiàng)目一期于2022 年7 月建成投運(yùn)，至2023 年3 月項(xiàng)目二期開工前，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于組件邊緣鋁邊框的阻擋作用，在組件淋雨或沖洗后，少量積灰會(huì)在組件下部鋁邊框附近積聚，時(shí)間長(zhǎng)了，容易形成積灰?guī)?，遮蔽組件底部電池片的部分區(qū)域，引發(fā)熱斑效應(yīng)，影響組件的安全運(yùn)行。項(xiàng)目一期上、下兩排組件在安裝時(shí)，兩排之間的間隙只保留了20 mm，導(dǎo)致上排組件底部區(qū)域的積灰不容易被清理掉。為此，項(xiàng)目二期在建設(shè)時(shí)，上、下兩排組件的安裝間隙增大到100 mm，留出足夠的空隙，從而在人工清潔光伏組件時(shí)，可以將上排組件底部區(qū)域的積灰清除掉。

3.3 光伏組件連接器固定

由于項(xiàng)目所在地位于高臺(tái)地區(qū)，會(huì)遭遇風(fēng)力較大的情形，電纜連接器如果沒(méi)有固定，就會(huì)隨風(fēng)擺動(dòng)，時(shí)間久了，電纜連接器接頭可能會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或接觸不良的問(wèn)題。為此，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員指導(dǎo)施工人員利用組件邊緣的安裝孔對(duì)連接器進(jìn)行固定，并且采用套管保護(hù)的方式，順帶加強(qiáng)了電纜連接器防浸水的功能。組件連接器固定方式如圖2 所示。

圖2 光伏組件連接器現(xiàn)場(chǎng)固定方式

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目將光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，完全契合了當(dāng)下生態(tài)文明建設(shè)理念，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種新模式，既符合國(guó)家綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，又能有效促進(jìn)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目具有一地兩用、立體開發(fā)、復(fù)合收益、循環(huán)發(fā)展等特色，可以實(shí)現(xiàn)土地立體化增值利用，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，在發(fā)展綠色新能源的同時(shí)，助力推進(jìn)鄉(xiāng)村振興。