“渔光互补”光伏发电工程设计的研究

杨光磊

(中国华电科工集团有限公司，北京　100160)

“渔光互补”光伏发电工程设计的研究

杨光磊

(中国华电科工集团有限公司，北京100160)

摘要：介绍了水面光伏工程的特点，以合肥长丰朱巷40 MW(峰值功率)“渔光互补”光伏工程为例，针对水面光伏工程的特点，对水面光伏设计中发电量预测、总体布置、基础设计、接地方案等代表性问题提出了解决方案，详细分析计算了水下接地网和地下接地网并联的接地电阻，为今后的“渔光互补”发电工程提供参考。

关键词：渔光互补；光伏发电；接地电阻；发电量

0引言

目前，大规模的光伏电站多分布在远离负荷中心的青海、新疆、内蒙古等地，而作为负荷中心的城市周边用地紧张，除了厂房屋顶可建设分布式光伏电站之外，城市周边水库的大面积水面也成了光伏电站的可用场地。

水库通风好，水蒸气能带走光伏组件的部分热量，提高发电效率，同时光伏组件又能给水库遮阳，对水产养殖有辅助作用[1]，另外，光伏组件还可以减少水面的蒸发，解决平原地区水库蒸发量过大的问题[2]。

1光伏发电量预测

水面光伏系统较其他地面光伏工程的特殊之处在于水蒸气对发电量的影响：一方面，水蒸气能带走光伏组件的部分热量，提高发电效率；另一方面，水库上空的水蒸气与空气中的污染物发生物理化学反应，增加雾霾的严重程度，降低太阳辐照度，减少发电量[3-4]。因此，水面光伏工程的发电量预估应根据工程的实际情况进行分析，不能按照山区和戈壁光伏工程的方法进行预测。

2总体布置

对于水面光伏工程，光伏组件沿水面布置。总体布置以光伏阵列为中心，结合场地现状，以工艺流程合理为原则，因地制宜地进行布置，力求生产工艺流程合理顺捷，道路组织顺畅。

由于工程受地形起伏的影响较小，所以光伏阵列的排布应尽量规则，与工艺专业加强沟通，接入每个组串逆变器或直流汇流箱的组串应在一排，避免出现跨越水面的现象，造成复合材料电缆桥架的浪费及后期检修的不便。

逆变器或箱式变电站(以下简称箱变)的基础根据水域面积和组件安装容量合理安排，尽可能布置在岸边，便于后期的维护和检修。但这种布置方案会增加电缆长度，同时为了减少压降和损耗，将增大电缆截面。若水域面积过大，则考虑将箱变或逆变器布置在水域内部，留出足够的检修通道，这种布置方式的前提是可以事先将水库排干并清淤。江苏华电东海种畜场水库8 MW(峰值功率，下同)光伏工程，建设了2个大型的基础平台，每个平台布置1 MW方阵的逆变器及箱变各4个。

以合肥长丰朱巷40 MW光伏工程(以下简称合肥长丰工程)为例，其布置示意如图1所示，光伏组件全部在水面布置。为了紧凑布置，且组件标高一致，组件支架纵向节距仅保证不遮挡即可。横向间距为1 m，纵向间距计算公式为[5]

图1　合肥长丰朱巷40 MW光伏工程布置示意

式中：φ为当地地理纬度；β为阵列倾角，β=26°；L为阵列倾斜面长度。

根据式(1)计算，预留D=3 m的间距可满足后期检修小艇的通航要求。

由图1可知，#14～#18阵列的布置过于狭长，导致电缆量增加，可通过调整汇流箱的布置或选择组串逆变器等方法尽量减少布置带来的影响。升压变压器全部沿岸边道路布置，便于后期检修及中压电缆的敷设。

3基础设计

3.1光伏支架基础的设计

地面光伏工程支架基础的形式分为钻孔灌注桩基础、大开挖现浇基础、混凝土块配重式基础及螺旋地锚桩基础，其中钻孔灌注桩和螺旋地锚桩基础应用较多[6]。大多数水面光伏工程采用的是预制管桩基础。以合肥长丰工程为例，每组光伏支架单元含40块光伏组件，每个支架单元有5个支撑点，支架均为Q235B冷弯薄壁型钢支架，表面采用热镀锌处理，支架基础为PC300预制混凝土管桩，1个支撑点由1根桩组成。也有部分水面光伏工程采用浮板支架[7]，如新疆昌吉回族自治州大海子水面光伏系统，光伏组件固定在浮板上，但单纯的苯板无法承载，需对苯板进行支护。采用钢合金框架作为苯板的护架，护架由空心长条形不锈钢合金杆螺栓连接而成，立方体的6个表面沿长边方向均匀布置等长空心肋杆，形成相对封闭的内部空间。框架内部尺寸和浮板尺寸一致，浮板和铝合金框架紧密结合。另外，为便于各浮板之间相互连接，在框架4个侧面设置了弹簧连接装置。

3.2逆变升压设备的基础设计

与地面光伏工程的墩式基础或坑式基础不同，水面光伏工程中无论逆变升压设备布置在岸边还是在水域内，均采用基础平台的方式。合肥长丰工程中平台为混凝土框架结构，每个平台约需钢筋混凝土60 m3，预制混凝土桩柱12根左右，多为预应力高强混凝土(PHC)管桩。

4接地设计

水面光伏工程接地系统的特殊之处在于光伏支架的接地网是在水下敷设的，参照NB/T 35050—2015《水力发电厂接地设计技术导则》[8]进行设计。对国内各工程接地网的大量调查表明：钢接地体发生腐蚀最严重的地方是在地表和水面附近，越往地下或水下的深处，腐蚀反而越轻[9]。而开关站或升压站的接地网是在土壤中敷设的，水库区域土壤湿润，土壤电阻率一般较低，表层为淤泥，上层为黏土，下层为泥质砂岩。经实测，合肥长丰工程所处的朱巷镇水库土壤在深度为0.5～20.0 m范围内，电阻率达50.1～135.1 Ω·m，水库中水的电阻率约为32 Ω·m。由于光伏电站的区域较大，电阻很容易达到规程要求的4 Ω以下[5]。

合肥长丰工程的接地网分2个部分，即水下的光伏阵列接地网和地下的开关站接地网。水库面积约1 500 m2，40 MW的光伏阵列区域总面积约500 m2。经入地短路电流计算，水平接地体采用60 mm×6 mm 镀锌扁钢即可满足电阻率要求。考虑到水面和地表附近的防腐措施，自光伏支架沿桩基引至水下接地网的一段接地材料以及开关站内的接地材料均选择截面大小相同的镀铜钢带。

对于水下接地网电阻，按照NB/T 35050—2015《水力发电厂接地设计技术导则》[8]中的公式进行计算

(2)

式中：ks为接地电阻系数，按10 m水深计算，ks=0.15；ρs为水电阻率。

对于开关站接地网电阻，仅按照GB 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[10]中的简化方法进行计算

(3)

式中：ρt为土壤电阻率平均值；S为接地网面积。

2个接地网通过3条镀铜钢带相连，并联的接地电阻[11]计算如下

(4)

式中，kp为屏蔽系数，取经验值。

经计算，光伏电站的接地电阻值为0.165 Ω，满足规程的要求。

5结论

“渔光互补”模式既可增加水库的经济效益，在光伏发电的同时对渔业养殖也有辅助作用，还可以减少干旱地区水量的蒸发。同时，水库地理位置靠近城市负荷中心，便于电力的消纳，可促进我国节能减排，发展清洁能源。

本文通过对多个水面光伏工程的总结，介绍了水面光伏工程在设计中的特殊之处。以合肥长丰工程为例，介绍了发电量预测、总体布置、基础设计、接地方案等方面与常规地面光伏电站的不同之处，详细分析计算了水下接地网和地下接地网并联的接地电阻，为今后的水面光伏工程的建设提供了参考。

参考文献：

[1]刘汉元,钟雷,谢伟，等.“渔光互补”在江苏地区发展前景及应用思考[J].当代畜牧,2014(11):94-95.

[2]赵轶洁,孟宪学,王聚博.探索“渔光互补”发展光伏农业——以鄂州20 MWp农业光伏科技示范园为例[J].安徽农业科学,2015,43(22):360-362.

[3]吕学梅,朱虹,王金东，等.气象因素对光伏发电量的影响分析[J].可再生能源,2014,32(10):1423-1428.

[4]刘大为,彭文博,鲍亮亮，等.考虑空气污染因素的光伏发电量回归分析[J].可再生能源,2014,32(12):1785-1790.

[5]光伏发电站设计规范：GB 50797—2012[S].

[6]李颖雯,谢丽莹,李祥志，等.盐渍土地上大型光伏电站安装基础的防腐蚀问题[J].可再生能源,2013,31(2):111-114.

[7]毛海涛,王晓菊,何华祥，等.干旱与半干旱区平原水库防蒸发及光伏发电浮板控制系统研究[J].水利水电技术,2015,46(9):148-152.

[8]水力发电厂接地设计技术导则：NB/T 35050—2015[S].

[9]沈文兰,许冬语,李建国.英布鲁水电站接地设计的特点[J].水利水电工程设计,2011,30(4):55-57.

[10]交流电气装置的接地设计规范：GB/T 50065—2011[S].

[11]彭向阳,文习山,陈慈萱.大型水电站接地网接地电阻的初步计算[J].中国电力，1997,30(7):10-13.

(本文责编：弋洋)

收稿日期:2016-01-07；修回日期:2016-04-07

中图分类号：TM 615

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)04-0075-03

作者简介：

杨光磊(1983—)，男，河北石家庄人，工程师，从事电气设计方面的工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。