山地光伏發(fā)電站的特性及設計要點塔拉;辛軻;阿力夫;宿東升漲文德【摘要】針對山地光伏發(fā)電站所處場地地勢復雜、地面坡度大、存在自然地面之間相互遮擋的問題，根據(jù)山地光伏發(fā)電站的地形地貌、光伏方陣的布置以及施工定位特性,以中廣核烏海50MW光伏發(fā)電項目為例，提出從提高實測地形圖格式及精度、可布置地面坡度范圍、平面布置區(qū)塊的劃分等方面進行設計，可以有效降低用地成本，并提高發(fā)電量.【期刊名稱】《內(nèi)蒙古電力技術(shù)》【年(卷)，期】2019(037)003【總頁數(shù)】5頁(P18-22)【關鍵詞】山地光伏;光伏方陣;光伏組件;場地坡度;方位角;傾角;平面布置區(qū)塊【作者】塔拉淬軻;阿力夫;宿東升漲文德【作者單位】內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司，呼和浩特010010;內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司，呼和浩特010010;內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，呼和浩特010010;內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司，呼和浩特010010;內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司，呼和浩特010010【正文語種】中文【中圖分類】TM615+.20引言隨著光伏發(fā)電日益成熟，發(fā)電成本逐漸降低。但經(jīng)過多年的開發(fā)，具有良好地形的土地資源越來越少，未來光伏發(fā)電站會越來越多的位于山區(qū)、丘陵等復雜地形區(qū)。對山地光伏發(fā)電站不同設計環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，既能科學合理地布置光伏發(fā)電站，又能充分利用土地，是山地光伏發(fā)電站設計中的重點和難點。鑒于此，本文從理論及實際工程經(jīng)驗入手，對山地光伏發(fā)電站的定義和特性進行分析，并對其設計環(huán)節(jié)中的優(yōu)化事項進行論述。1山地光伏發(fā)電站定義目前，文獻中對山地光伏發(fā)電站沒有明確的定義?！秷龅卦O計》中提到：地貌是指地表面高低起伏的狀態(tài)，一般可分為平原（大多數(shù)坡度在20°以下）、丘陵（自然地面坡度在20。~60。）、山地（自然地面坡度在60。~250。）［1］?！钡乾F(xiàn)有的交通、施工、運維技術(shù)條件下無法在地面坡度60°以上的地區(qū)建設光伏發(fā)電站，因此不能采用該文獻中的“山地”概念定義山地光伏發(fā)電站。山地光伏發(fā)電站與平地光伏發(fā)電站的不同之處是坡度對光伏方陣前后間距的影響。根據(jù)《光伏電站設計技術(shù)》［2］的計算方法，對自然地面坡度角為0°（理想的平地）~20。（陽坡，即北高南低，為了簡化計算，假設為單向坡度，即東西向坡度為0°）的場地中光伏方陣在冬至日09:00—15:00前后不遮擋時進行間距計算，同時采用《太陽能光伏發(fā)電技術(shù)》［3］的公式復核計算結(jié)果。計算采用中廣核烏海50MW光伏發(fā)電項目光伏組件豎向布置方式的設計數(shù)據(jù)，計算結(jié)果見表1。表1自然地面坡度角與光伏方陣前后間距關系images/BZ_24_235_1770_1192_1913.png01234565.8597525.4460935.0711284.7294714.4166914.1291073.863636789101112133.6176793.3890253.1757862.9763362.7892682.6133612.447547141516171819202.2908882.1425592.0018281.8680481.7406401.6190871.502925由表1可知，自然地面坡度角和光伏方陣前后間距之間非直線關系，自然地面坡度角越小對光伏方陣前后間距的影響越大，自然地面坡度角由1°變?yōu)?°時，光伏方陣前后間距變化0.38m；而自然地面坡度角由19°變?yōu)?0°時，光伏方陣前后間距變化為0.12m?！豆夥l(fā)電站工程項目用地控制指標》中規(guī)定：光伏發(fā)電站工程項目用地總體指標按I類地形區(qū)、H類地形區(qū)、B類地形區(qū)分別編制。I類地形區(qū)是指地形無明顯起伏，地面自然坡度角小于等于3°的平原地區(qū)；H類地形區(qū)是指地形起伏不大，地面自然坡度角大于3°但小于等于20°，相對高差在200m以內(nèi)的微丘地區(qū)；B類地形區(qū)是指地形起伏較大，地面自然坡度角大于20°,相對高差在200m以上的重丘或山嶺地區(qū)［4］。由表1可知，自然地面坡度角由0°變?yōu)?°時，光伏方陣前后間距變化1.13m，對光伏發(fā)電站占地影響非常大，因此不大于3°的平原地區(qū)也不能按平地光伏方陣前后等間距布置理念進行設計。由于受到施工機械爬坡能力的限制，四級廠礦道路地面自然坡度角極限為不大于5°。同時，地面自然坡度角不大于5°時，坡度每變化1°光伏方陣前后間距變化不大于0.3m，此時土地利用率較高，所以5°可作為坡度變化的臨界點。綜合上述，在地面自然坡度小于5°且連續(xù)變化坡度差值大于2°的平原地區(qū)和地面自然坡度大于5°的微丘、重丘、山嶺地區(qū)建設的光伏發(fā)電站定義為山地光伏發(fā)電站較為合理。2山地光伏發(fā)電站的特性2.1地形地貌山地光伏發(fā)電站建設的場地地形復雜：地勢高低起伏、朝向各異、地形變化無規(guī)律、可使用面積不規(guī)則，地貌以巖石或巖石與土質(zhì)混合為主。2.2光伏方陣可選性2.2.1縱向長度選擇支架的長度選擇主要與所選光伏組件規(guī)格、架構(gòu)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟性有關。平地光伏電站一般采用長支架，縱向長度為20-30m;而為適應山地變化，山地光伏發(fā)電站一般采用短支架或超短支架，支架縱向長度為5-15m。2.2.2傾角選擇光伏方陣傾角對發(fā)電效率影響很大，主要根據(jù)當?shù)鼐暥?、太陽高度角和光資源綜合進行計算確定。平地光伏電站一般采用最佳傾角，山地光伏發(fā)電站盡量采用最佳傾角，但根據(jù)工程實際情況，進行綜合經(jīng)濟比選后可選擇非最佳傾角或與地面坡度相同的傾角。2.3光伏方陣布置2.3.1布置間距根據(jù)6日50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》，光伏方陣排、列的布置間距是由冬至日09:00—15:00前后不遮擋時的間距確定［5］。平地光伏發(fā)電站為簡化設計，全站按照統(tǒng)一最優(yōu)間距布置；而山地光伏發(fā)電站布置間足巨應隨著地形以單排或平面布置區(qū)塊為單位動態(tài)變化，防止對占地面積造成浪費或降低發(fā)電量。在連續(xù)坡度變化較大區(qū)域建議方陣間距采用單排動態(tài)變化方式，反之則采用平面布置區(qū)塊為單位動態(tài)變化方式。2.3.2布置方式光伏方陣有水平布置和平行于地面2種布置方式。平地光伏電站采用水平布置方式，而山地光伏發(fā)電站采用水平布置會造成支架和用地成本會上漲。以坡度為10°的東向坡面上布置方陣為例，東側(cè)基礎支架長度為西側(cè)支架長度的2倍，東西側(cè)基礎支架長度差1.70m,且對東側(cè)和東北側(cè)的光伏方陣造成非常大的陰影，從而增加東西方陣之間和前后排之間的間距，造成用地成本增加。光伏方陣水平布置和平行于地面布置的優(yōu)缺點比較見表2。表2光伏方陣水平布置和平行于地面布置的優(yōu)缺點比較images/BZ_25_235_1233_1192_1298.png水平布置平行于地面布置光伏方陣方位角和傾角不發(fā)生變化，保證發(fā)電量間距較小，節(jié)省用地，東西側(cè)基礎支架長度相等，造價較小方陣前、后、左、右間距較大，增加基礎征地成本光伏方陣方位角和傾角發(fā)生變化，損失發(fā)電量根據(jù)多個工程的技術(shù)經(jīng)濟比較發(fā)現(xiàn)，東西坡面的山地光伏發(fā)電站平行于地面布置優(yōu)于水平布置，具體工程需要根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較來確定采用何種方式，本文僅介紹光伏方陣平行于地面布置方式。2.4施工定位平地光伏發(fā)電站因光伏方陣采用統(tǒng)一間距，確定站區(qū)某個基點和施工網(wǎng)絡后，直接使用量尺定位。而山地光伏發(fā)電站間距隨著地形動態(tài)變化，因此無法采用量尺定位，需要提取光伏方陣每個基礎坐標后，采用測量儀器逐個定位進行基礎施工。3設計優(yōu)化要點3.1提高實測地形圖格式及精度山地光伏發(fā)電站設計中采用基于AutoCAD和三維平臺上開發(fā)的2種布置軟件，其中基于Auto-CAD平臺上開發(fā)的布置軟件讀取的是傳統(tǒng)等高線地形圖，如果工程測量圖采用航拍技術(shù)，需要將三維影像圖轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)高線地形圖；另一種是基于三維平臺上開發(fā)的布置軟件讀取的三維影像圖，如果工程測量圖是傳統(tǒng)等高線地形圖，需要將傳統(tǒng)等高線地形圖轉(zhuǎn)換成三維影像圖。根據(jù)實際效果，二者轉(zhuǎn)換過程精度都有所下降，所以需要根據(jù)使用的軟件特點對測量圖格式提出要求，防止地形圖失真。由于山地光伏發(fā)電站所處地形復雜、連續(xù)變化大，小比例地形圖無法反映真實情況，因此一定要提高測量圖的精度。建議傳統(tǒng)地形測量圖采用1:500比例尺、等高距<0.5m,同時對溝壑、突變地形地貌作出詳細標識。3.2光伏組件布置方式3.2.1不同光伏組件布置方式比較光伏組件分為豎向和橫向2種布置方式，不同布置方式對工程造價和發(fā)電量有不同的影響，其優(yōu)缺點見表3。表3光伏組件布置方式優(yōu)缺點比較images/BZ_25_1289_955_2245_1020.png豎向布置橫向布置因橫向上的組件少，安裝方便，支架造價低當部分電池被遮擋時發(fā)電量損失小當部分電池被遮擋時發(fā)電量損失較大因橫向上的組件多，安裝難度加大，支架造價高為提高用地效率，山地光伏發(fā)電站允許每一排光伏板中少部分被遮擋，如圖1，因此山地光伏發(fā)電站前后遮擋率高于平地光伏發(fā)電站。為最大程度減小對發(fā)電量的影響，當技術(shù)經(jīng)濟合理時，建議山地光伏發(fā)電站光伏組件的排列方式采用橫向布置。圖1光伏組件布置及其被遮擋陰影3.2.2光伏組件內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，245W晶硅組件是由60片6英寸晶硅電池片串聯(lián)而成，只要其中1個電池片被遮擋就會使電流大幅減少，隨之整個組件的輸出電流也被限制，從而影響這個組串的輸出電流。因此，這種類型的組件一般都配置3個旁路二極管，減少陰影對組串電流的影響。當組件豎向布置時，如果組件最下面1排電池全部被遮擋，則整個光伏組件將不能發(fā)電；當組件橫向布置時，如果最下面1排電池全部被遮擋，則相應的旁路二極管導通，組件中2/3的電池片仍然可以發(fā)電［3］。3.3可布置地面坡度范圍設計人員在山地光伏發(fā)電站選址時，應對場地地形地貌進行深入勘測并分析數(shù)據(jù)，對場地的可利用性提出科學的結(jié)論，避免當場地坡度較大或地勢過于復雜時，為滿足項目容量，對山地進行大范圍場地平整，對原始植被保護和水土保持造成影響。原則上為當場地陰坡或者東西向坡坡度小于冬至日09:00—15:00太陽高度角時均可布置。但實際工程中，由于受方陣間距大以及施工困難的影響，可布置場地坡度達不到上述范圍。圖2光伏組件配置山地光伏發(fā)電站普遍采用履帶式液壓打樁機打孔或鉆孔。履帶式液壓打樁機出廠規(guī)定空載爬坡能力為25。~30。，但現(xiàn)場無輔助條件下進行施工時，打樁機的極限爬坡能力為15°（地貌以巖石為主）~20。（地貌以沙土為主）。地面坡度超出20°時，打樁機必須借助工序繁瑣的輔助工具進行施工；地面坡度超出25°時，施工機械的安全性無法得到保障，必須采用人工打孔。人工打孔的前提是地質(zhì)為強風化巖，采用錨桿基礎，當?shù)刭|(zhì)為堅硬巖石時人工打孔無法實現(xiàn)。3.4方位角和傾角的變化光伏方陣在東西坡面上平行于地面布置時，如果其朝向和傾角與平地布置相同，則實際方位角和傾角會發(fā)生變化，影響發(fā)電量。本文采用GoogleSketchUp軟件進行三維模型演示角度變化。首先，建立1個水平布置的光伏方陣A,同時建立與地面垂直的南北向輔助面（如圖3a）。其次，建立與光伏方陣A陽面平行的輔助面，與A相同傾角的光伏方陣B以及東向坡面，然后將光伏方陣B旋轉(zhuǎn)成平行于東向坡面，旋轉(zhuǎn)時光伏方陣B北側(cè)立面與南北向輔助面保持垂直（如圖3b）。從圖3c可以看出，光伏方陣B的陽面和與光伏方陣A的陽面平行的輔助面之間產(chǎn)生的夾角，即光伏方陣B的方位角和傾角發(fā)生變化。當把光伏方陣B順時針旋轉(zhuǎn)至平行于光伏方陣A陽面時，其方位角和傾角才與光伏方陣A保持一致。所以如果光伏方陣布置在山地光伏發(fā)電站的東向坡面時，其方位角和傾角會發(fā)生變化，如果想保持其最佳方位角和傾角需要順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)整光伏方陣。具體設計過程中，應當通過天文公式和三角函數(shù)公式進行計算并評價其對工程造價的影響，根據(jù)實際情況決定是否需要調(diào)整光伏方陣的布置方向。圖3三維模型演示角度變化3.5平面布置區(qū)塊的劃分光伏方陣有動態(tài)間距布置、平均間距布置、最小間距布置和最大間距布置4種布置類型。除動態(tài)間距布置外，其他3種布置方式均基于平面布置區(qū)塊的劃分。山地光伏發(fā)電站地勢復雜，場地存在自然地貌自身相互遮擋陽光的現(xiàn)象，因此布置光伏方陣之前需要對場地進行日照和地形分析，在可利用區(qū)域內(nèi)把自然地勢特性一致或相似的、連續(xù)的區(qū)域劃分為光伏方陣布置的基本平面區(qū)塊。由圖4可知，在場地坡度變化值相同時，陽坡坡度越大，間距變化值越小，陰坡坡度越大間距變化值越大。圖4陰陽坡場地坡度值與光伏方陣間距的關系實體工程中的光伏方陣間距由地面綜合坡度決定，即南北坡度和東西坡度共同影響光伏方陣間距，2個不同坡向和不同坡度的山體上光伏方陣前后間距有可能相同。因此采用間距值劃分平面布置區(qū)塊更直觀、更準確。4中廣核烏海50MW光伏發(fā)電項目工程設計實例中廣核烏海50MW光伏發(fā)電項目位于內(nèi)蒙古烏海市海勃灣區(qū)千里山，地理坐標為東經(jīng)106°55'10.89"、北緯39°53'21.35"，是內(nèi)蒙古地區(qū)最早并網(wǎng)發(fā)電的山地光伏發(fā)電站。場地地形、地勢復雜，工程用地紅線范圍內(nèi)包含微丘、重丘和山嶺等I、H、B類地形區(qū)，地貌以巖石與土質(zhì)混合為主，部分區(qū)域為巖石，為典型的山地光伏發(fā)電工程。光伏組件采用單晶硅290W，尺寸為1650mmx991mmx40mm。光伏方陣采用固定式支架，固定傾角為38°，即采用最佳傾角。光伏組件采用橫向和豎向2種布置方式，其中豎向布置用于光伏方陣每排間距動態(tài)變化布置區(qū)域，光伏組件按2行x11列布置，縱向尺寸為11.10m、橫向尺寸為3.32m;其余區(qū)域均采用橫向布置，光伏組件按3行x7列布置，縱向尺寸為11.67m、橫向尺寸為3.01m。光伏方陣采用平行于地面的布置方式，以間距作為劃分平面布置區(qū)塊的依據(jù)，分析不同地形條件下的光伏板前后間距值采用0.5m差值歸類（即整數(shù)值至整數(shù)半值區(qū)域劃分為1個區(qū)，如6.0~6.5m間距值區(qū)域分為1個區(qū)、6.5~7.0m間距值區(qū)域分為1個區(qū)，以此類推）。工程