太阳能山地光伏电站优化设计研究＊

栾石林， 李光明， 廖华， 李文光

（1.云南冶金新能源股份有限公司，云南 红河654399；2.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明650092）

在环境保护、国家能源需求和维持经济持续增长的压力下，光伏发电因自身的优点，被各国广泛推广应用，预计2030年后将成为全球的主流能源［1］.近几年，以建设大型并网和分布式光伏电站的太阳能利用形式得到快速发展，产业规模持续扩大，截止2013年底［2］，全球累计光伏装机136.7GW，同比增长35%.而我国经历欧美市场的“围追堵截”后，被迫向国内转移，在两年内（2012～2013年）32项政策的激励下，光伏应用市场呈现爆发式增长，截止2013年底，累计装机17.16GW，较2010年增长了204.5%，其中并网光伏电站占65%以上.

目前，国内外大型并网光伏电站主要建设在太阳能资源丰富、非育林育农育牧（戈壁滩、荒草地、海边滩涂、沙漠等）或可耕种，但自然条件恶劣、产出较低的土地上.在我国主要集中在西北五省，截止2013年底，装机量达12.515GW，建设场址地势较为平坦，属性以戈壁滩、荒漠、半荒漠、荒漠草地为主，建设规模均10MW以上，如正泰永昌100MWp、金川金昌200MWp、华能格尔木200MWp、中广核图木舒克100MWp、顺丰石嘴山130MWp光伏电站.

随着光伏电站容量不断增加，日照较好、地势平坦、建设条件较好的土地资源日趋减少，山地等建设条件次之的土地将成为重要的光伏电站建设资源，“山地光伏电站”将成为未来重要的光伏电站模式之一.

1 山地光伏电站特点及设计建设难度

目前国内外设计建设山地光伏电站的总体经验较少，已建成的在国际上也并不多见［3－7］，实地调研了已建或在建的部分山地光伏电站，如图1所示.

图1 已建或在建的山地光伏电站Fig.1 The mountain area PV power stations constructed or under construction

山地光伏电站是指在山地、丘陵等复杂地形条件下建设的光伏发电站，建设场地多属于沙化、荒漠化和石漠化山地，其地表起伏不平、朝向各异、局部伴有小型水冲沟或高原岩石芽残丘、可安装面积大小不同、相对分散.设计建设难度和成本较大，但具有土地成本低、管理方便（山区人少）、对生活的扰动小、土地利用率高等优势.

山地光伏电站因受地形地貌条件限制，与地势平坦的戈壁滩、沙漠等地区光伏电站相比，存在系统方阵布局与自然的协调性差，系统匹配损失大，设计、施工难度大，成本控制难，运行维护成本高等问题.因此山地光伏电站的设计建设必须兼顾系统效率、与自然的协调性、经济性、安全性等进行综合考虑.

1.1 山地光伏电站设计难点

1）方阵设计：如何根据资源状况和地形条件，在满足相关技术规范和要求的基础上，设计方阵的安装方式、方阵基础和支架，保证方阵与地形有较高的匹配性，土地资源得到最大化利用；

2）设备选择和方阵布置设计：如何根据自然条件和国家标准，选择安全性和经济性都较高的设备，设计设备布置方案、系统防雷接地、组串和方阵链接模式等，保证系统中设备间有较高的匹配性，使系统效率、设备安全性和经济性达到最优化；

3）如何根据地质条件和自然环境，设计电站的场内道路、土建、消防、给排水等，保证电站具有较高的安全性，降低投资和减少对地表的扰动；

4）如何制定电站运行维护管理方案，提高电站运行维护效率和降低运行维护成本.

1.2 山地光伏电站建设难点

1）施工前期准备工作量大：场址远离城市和交通主干道，地形起伏，若准备欠充分，在施工期对整体施工部署造成困扰，形成不同的安全、质量和工期隐患.因此，在了解山地建筑施工特点的基础上，充分做好准备工作，制定科学合理的施工方案；

2）支架强度较平地高：山地未经开发，地表往往被植物和森林覆盖，地表高低起伏，地形高差大，场区容易形成不同于平地的山风，按照平地对支架强度（承载力和抗拔力）的要求进行设计，建成后，支架损毁率会提高；

3）场内施工难度大：山地地势坎坷不平，坡多路险，局部地区场地不经平整，机械设备无法进场施工，施工过程中人员、设备危险性也较高，如采用履带式或胶轮式打桩机在有坡度的山地上施工，其安全倾角需小于30°或15°.此外，适合建设光伏电站的山地多为沙化、荒漠化和石漠化山地，岩、土体稳定性差，遇雨季时，山水汇流，易形成山洪、土体坍塌和山体滑坡等自然灾害；

4）施工成本高：山地光伏电站对支架、基础的强度要求较高，施工时对设备、原材料及施工方法的要求相对比较严格，此外山体表面常分布有风化岩、灰岩或白云岩，其结构紧密，硬度大，造成施工难度和成本都较高，一般会高出20%～30%；

因此，建设山地光伏电站，必须进行详细的场地调查，做好优化设计、施工准备和施工管理.

2 光伏阵列设计

山地光伏电站阵列设计应从场地地质构造、地表特点（坡度、朝向等）、组件特性参数、支架基础结构的稳定性和与地形的适应性、地质灾害的预防、工程的经济性、安装的快捷高效性等多层面综合考虑.

2.1 光伏组件的选取

光伏组件是光伏电站的核心部件，其各项参数指标的优劣直接影响整个光伏电站的发电性能，正确选取光伏组价是保证山地光伏电站高效和安全的重要保障.无论选择单／多晶硅光伏组件或薄膜光伏组件，在满足一般要求的条件下，还需满足以下条件：

1）组件电流、电压一致性高

多块同类的光伏组件经串联或并联构成光伏组串，其输出功率为.

式中P组串为某一光伏组串的输出功率，Ii、Vi为第i块组件的输出电流和电压.

从（1）式可得，光伏组串的输出功率受n块组件的电流、电压非一致性的影响较大，其组件的电流、电压最大偏差（ΔI、ΔV）可表示为.

因此，在选购组件时应对组件进行二次分档，即某一组串中的n块组件的功率误差要控制在1W以内.在大型并网光伏电站实际工程中，对串联构成组串的组件进行电流分档，所有组件的电流偏差ΔI要控制在0.12%以内.

2）选用通过电势诱导衰减测试（Potential Induced Degradation，PID）的组件

光伏组件在光伏系统工作时会存在内部电路对组件边框的负电势，当光伏组件长期在内部电路负电势和外部高温高湿的环境下，光伏组件内部产生反向电场，这种电场会抵消内建电场的作用，使电池发电效率下降.大量实验表明，在外部气候环境（温度及湿度）一定的条件下，只要选用合适的电池片、封装材料、背板和玻璃，可以极大限度地降低PID的影响，延长光伏组件的长期使用寿命.

3）能满足运输和现场安装的要求

山地光伏电站通常建在交通较差的山区，运输、安装条件差，大型运输设备难到达场地，加之电站占地面积较大，站内交通较差，存在大量二次搬运，尤其在安装过程中，全依靠人工搬运完成.因此，必须考虑合适的光伏组件尺寸大小和重量，防止光伏组件在安装过程中对组件造成二次伤害（隐裂）、降低组件在使用过程中的衰减、提高安装效率、降低建设成本.

2.2 光伏组串串联数计算［8］

光伏组串是光伏发电系统中最小直流电输出单元，设计时主要考虑以下因素：逆变器的输入最大直流电压和MPPT电压范围，光伏组件的开路电压、工作电压、开路电压温度系数、工作电压温度系数和工作条件下的极限高低温等.组串中各个组件的电特性参数应尽可能保持一致，组串最大组件串联数N可由下式计算.

式中：Voc、Vpm分别为光伏组件的开路电压、工作电压；Vmpptmax、Vmpptmin、Vdcmax分别为逆变器的最大输入直流电压、MPPT最大电压、MPPT最小电压；Tmin、Tmax、Tref分别为组件工作条件下的极低温度、极高温度和标准温度（25℃）；kv、kv′分别为光伏开路电压温度系数和工作电压温度系数.

例：某工程，选择60片156×156多晶片封装的250W光伏组件和500kW逆变器，则11.98≤N≤min｛22.35，22.74｝，为提高系统的效率，组件串联数量取22.

2.3 光伏阵列间距设计

山地光伏电站场址地表起伏不平、朝向各异、局部伴有小型水冲沟或高原岩石芽残丘等.在布置阵列时在南北、东西方向必须预留足够的间距，保证每个组串都不被遮挡.

假设光伏阵列布置在一倾角为β、方位角为γn的坡面上，前排光伏阵列某一遮挡点垂直于水平面的高度为H.建立空间坐标系，如图2所示.

图2 阵列遮挡空间模型Fig.2 Space model of array block

图2 中O（S，E，Z）为水平面坐标系，平面SOE表示水平面，O＇（x，y，z＇）为坡面坐标系；∠daO＝∠CbO2＝∠AO1D为坡面倾角，用β表示；∠FOO1为太阳高度角，用α表示；∠SOO1为太阳方位角，用γs表示，∠aOS为坡面方位角，用γn表示，修正后的方位角为γ，即γ＝γs－γn，当坡面朝向正南时，γn＝0，γ＝γs.

经推导，遮挡物H在坡面和水平面上的遮挡可表示为.

例：位于北纬25.9°的一工程，在南偏西15°、倾角10°的坡面布置光伏阵列，阵列某一遮挡点垂直于水平面的高度为H.阵列的遮挡如表1所示.

表1 遮挡相关参数Table 1 Shading parameters

2.4 光伏阵列支架及基础设计

山地光伏电站工程地质条件复杂，场内伴有冲沟、岩石突出、土石比例分布不均匀、易形成山风和山洪或塌方（雨季）等，在支架和基础设计时，需因地制宜，选择材料、设计结构和构造措施，计算支架在有或无地震效应时的风荷载（顺风和逆风）、雪荷载、温度荷载下支架横梁的弯曲强度和弯曲量，支撑臂的压曲（压缩）以及拉伸强度，安装螺栓的强度等.为了适应复杂地形的变化，支架还应具备一定的调节能力.

光伏阵列基础，综合考虑山地光伏电站场地的特点，本着设计强度达到相关技术要求，选择对地表扰动较小，工程实施经济、方便、高效的基础形式.目前采用的基础主要有：微型钢管桩基础、微型钢筋混凝土桩基础、锚杆式基础、预制混凝土基础、混凝土基础等.

3 设备选择与布置

3.1 汇流箱选择与布置

汇流箱的作用是对多路光伏组串输出进行一或多级汇流，保护监测各组串运行.汇流箱的选择和布置直接影响到光伏组串至汇流箱段直流电缆和汇流箱的用量、直流电缆压降损失、系统的安全可靠性，对提高系统发电效率和经济效益有直接的影响.选择汇流箱时可参照《光伏汇流箱技术规范》（CNCA／CTS 0001－2011）和工程特点进行，但汇流箱的回路数需根据电站场地、电缆长度、线损等条件确定.

假设阵列中组串呈矩阵布置，可用坐标解析法建立数学模型，求解汇流箱布置位置及组串至汇流箱的直流电缆长度.如图3所示，一汇流箱汇集阵列中的n个光伏组串，布置覆盖的最大面积为xm×ym，其中一光伏组串AB，正／负极（A／B）输出用直流电缆接至汇流箱（n回路），正极坐标为（xi＋，yi＋）、负极坐标为（xi－，yi－）、汇流箱坐标为（xh，yh）.

图3 汇流箱平面布置Fig.3 Box layout of junction

经推导，组串至汇流箱的直流电缆长度为.

求汇流箱的位置坐标L（xh，yh），目标函数为.

上式可采用群体复合型进化算法求解，为工程实际布置提供理论参考.

3.2 逆变器选择与布置

目前光伏电站中常用的逆变器有集中式逆变器（多用于地面大型并网光伏电站）和组串式逆变器（多用于屋顶分布式光伏电站）.针对山地光伏电站（单位容量500kW），场地地形复杂，朝向各异，又无法进行场地平整，若仍采用大型集中式逆变器（1台，500kW），会造成早上或傍晚部分方阵存在遮挡，各组串输出差异性大，系统的匹配性低，系统运行安全隐患大，系统发电量降低.因此在选择逆变器时，应结合地形综合考虑.1）若500kW的光伏方阵场地朝向和角度基本相同，周边也不存在较高的遮挡物，可以选择集中式逆变器，布置应综合考虑电缆走向的合理性、场平土方量少、降低投资和线损等因素，逆变器布置在方阵的中部，且位于道路两侧；2）若500kW方阵场地朝向各异，可根据方阵布置的实际情况，将集中在一起朝向相同的方阵作为一个子阵，选择一台相同容量的组串式逆变器，布置在子阵的中部，安装可采用浇筑混凝土基础或悬挂于支架立柱上.不论逆变器是采用集中式还是组串式，逆变器容量必须随使用地的海拔、环境、太阳能资源做出降容使用，避免实际容量超出额定容量而出现风险.

4 安全性保障

4.1 防雷接地

山地光伏电站一般都在海拔相对较高的地方，遭遇雷击的概率较一般光伏电站高.因此，需做好对直击雷电、感应雷电、雷电波浸入等的防护措施.整个光伏电站的接地应充分利用支架基础的金属构件设置接地网，将整个电站的接地网连接到一起，最大限度地降低接地电阻，同时选择好的接地极，做好接地网的防腐，使接地网的使用寿命与光伏电站的设计寿命同步，减少运营期的维护成本和风险.

4.2 消防及监控

山地草木较多，易因人为或雷击等原因引起火灾，山地光伏电站与外界应有防火带进行隔离，建议沿电站外围四周修建一条较宽站内道路，除交通运输功能外可承担防火隔离带的作用.

山地光伏电站面积广，地形复杂，存在诸多死角，电站设计时必须要考虑在各个关键部位设立视频监控系统，能让电站值守人员及时发现方阵区域的异常.

山地光伏电站阵列中各组串工况各异，电站设计时必须要考虑对各组串的主要技术参数能进行远程监控，并且结合山地光伏电站的特征，安装能发现组串、汇流箱、逆变器异常的计算机分析软件，方便值守人员能精准锁定故障点，及时排除故障和风险，提高系统整体效率.

5 结 论

山地光伏电站的设计、建设应该结合建设场地实际情况，遵循降低投资、提高系统效率、保证系统运行安全性的原则进行.

1）阵列设计：选择电流、电压偏差小于0.12%，小尺寸（60片封装最优）的光伏组件，组串组件串联数严格计算，若在高海拔、空气透明度较好的地区，需引入组件在1.1～1.5倍标准光强下的输出做修正计算，确定组串组件串联数.

2）阵列间距：需要根据工程坡面角度和组件安装角度进行精确计算，确保一天中9：00～15：30时间段内，任意一组件都不被遮挡.

3）支架及基础：支架及基础必须能适应复杂地形的变化，应具备一定的调节能力，尽可能做到方阵与地形有较高的匹配度，其强度必须满足相关技术规范和标准.

4）所选电气设备必须随使用地的海拔、环境、太阳能资源做出降容使用，避免实际容量超出额定容量而出现风险.其应本着用量最省、能量损失最小、便于运营管理维护的原则布置.

5）应该根据电站场地及周边时间情况，选设计适合的防雷接地、消防及监控方案.

［1］European Photovoltaic Industry Association（EPIA）.Solar photovoltaics electricity the world［R］.Brussels：EPIA，2011：1－100.

［2］OFweek太阳能光伏网讯.2013年全球主要太阳能国家光伏装机大起底［EB／QL］.http：／／solar.ofweek.com／2014－01／ART－260009－8500－28770007.html.

［3］宋春艳，高补伟.复杂地形光伏电站工程的场地设计研究［J］.中国电力教育，2013（27）：238－240.

［4］冯耕，马宇云.复杂地形下的太阳能矩阵布置［J］.武汉大学学报：工学版，2009，S1：78－81.

［5］付强.关于山地光伏电站组件支架的方案设计［J］.网络导报·在线教育，2012（37）：225－229.

［6］李强.云南省太阳能发电产业发展战略研究［D］.昆明：云南大学，2012.

［7］周长友，杨智勇，杨胜铭.北坡场地光伏电站阵列间距设计［J］.华电技术，2013，35（6）：14－17，85－89.

［8］郭家宝，徐永邦，顾华敏，等.GB50797－2012，光伏发电站设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［9］李光明，刘祖明，何京鸿，等.某职工宿舍屋顶光伏系统的设计方案研究［J］.节能，2010（10）：65－68