探讨高寒地区独立光伏发电站的设计

蒲泽伟 吴敏 王玉群 周李庆

摘 要 在光伏发电技术不断发展并得到广泛应用的今天，光伏电站作为光伏发电的配套设施，同样受到人们的广泛关注。在我国青海、西藏等高原、高寒地区，光伏发电技术的应用前景一直很广阔，而设计研究出适应高寒地区自然环境的光伏发电站便成为技术人员研究的重要课题。本文重点针对高寒地区光伏发电站的设计进行了分析，对设计原则、采用的关键技术等进行详细探讨，以期为光伏发电站在高寒地区的实际应用提供理论参考。

关键词 高寒地区；光伏发电站；设计分析

中图分类号 TM6 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）162-0165-01

太阳能等清洁能源一直是青藏高原地区未来最具发展潜力及应用前景的主要能源类型。自2002年我国启动“西部省份无电乡通电工程项目”以来，光伏电站已经成为青海、西藏等高寒地区最常见的电力设施，为青藏地区的经济发展做出了重要的贡献[ 1 ]。然而鉴于高原地区独特的气候环境，如何使光伏电站更能适应高寒气候成为设计人员研究的主要课题。

1 高寒气候对光伏电站的影响简析

通常来说，温度对于建筑物的建设与使用存在不可忽视的影响，对光伏电站来说也是如此。设计人员在设计研究光伏电站时，必须要考虑高寒气候带来的困难，只有这样光伏电站才能够在高寒地区持续稳定工作。

1.1 高寒气候对建筑物的影响

光伏电站虽然应用了较为先进的光伏发电技术，但是整个建筑的主体仍然是钢筋混凝土结构，因此高寒地区过低的温度会导致光伏电站出现建筑物冻害。

首先，高寒地区昼夜温差大，建筑物容易出现温度裂缝。青藏高原部分地区的日气温差平均能达到20℃，有些地区甚至能够达到30℃。在这种过大温差的影响下，混凝土建筑、排水沟、电缆沟等设施都有可能因热胀冷缩效应而出现裂缝。

其次，高寒地区温度过低存在冻胀风险。高寒地区的土体很容易出现冻胀，从而影响到电站的地基，甚至给电站造成破坏性影响。

最后，高寒地区电站面临冻融破坏风险。当前变电站设计采用的材料多为多孔性无机材料，内部孔隙中很容易留存水分，一旦水分结冰则体积便膨胀9%左右，从而给材料内部造成损伤。而随着气温变化，内部水分不断在结冰和融化之间反复，导致损伤不断扩大，进而导致结构层层剥蚀破坏，即冻融破坏。

1.2 对太阳能电池组件的影响

太阳能电池组件是光伏发电系统的核心构件，有研究人员发现温度对点样能电池组件存在较大的影响。例如，太阳能电池在温度较高的环境工作时，温度的升高会导致其开路电压大幅下降，同时期输出功率也会下降，另外还会影响其充电工作点。因此在高寒地区环境温度过低的情况下，太阳能电池组件同样会受到较大影响，对发电系统的正常工作产生不利影响。

1.3 对蓄电池的影响

蓄电池同样是光伏发电系统的重要构件，且蓄电池对于温度及其敏感，不管是温度高还是过低都会影响蓄电池的正常工作。这主要是因为，温度的极端会导致蓄电池浮充电流发生改变，出现热失控的情况，进而损坏整组电池。具体如表1。

2 高寒地区独立光伏发电站的设计

2.1 设计要点

光伏电站设计之初，设计人员需要考虑一下几个问题：

第一，考虑到高寒地区恶劣的气候及自然条件，例如：地形复杂、交通不便、气温过低等。同时还要考虑到当地的社会环境，例如：人口文化程度低、维护技术不高等。基于以上几个问题，在设计光伏电站时便需要着重加强电站的可靠性、自动化程度、操作性、经济性以及环境适应性等。

第二，选择合适的地址。光伏电站的运行对阳光的需求极大，且对阳光照射角度也有很高要求，因此在选址时可以选择光照充沛、空间空旷无遮挡。同时，还要符合变电站选址的基本要求，即处于负荷中心地带，距离供电区近，从而节约输电线路的成本。

第三，确定合适的容量。电站装机容量的计算一般与用电地区的总负荷有关，因此在设计前要对供电地区的负荷进行调查，并根据有关公式确定总装机容量。

2.2 设计中的关键技术

根据光伏系统的构成特点，笔者从电池方阵设计、蓄电池设计、控制器及逆变器设计对光伏电站设计的关键技术进行了阐述。

2.2.1 方阵设计

在设计太阳能方阵时需要考虑倾角及间距两个因素。鉴于我国高寒地区均处于北半球，因此在冬季的光照量会减少，且太阳直射的角度也不同，因此在方阵倾角是需要重点考虑冬季光照的变化，以提高冬季的发电量。间距的设计同样要以冬季光照条件为参考，有资料[2]指出青海省秋冬季太阳辐射总量在下午4点后会逐渐减弱，此时若电池板被遮挡也不会对发电产生较大影响。因此，在设计时要以秋冬季下午4点均之前不被遮挡的距离为宜。

2.2.2 蓄电池设计

对蓄电池容量进行设计时除了要考虑到用户总负荷、连续阴天蓄电池规定放电天数、逆变器效率、电力损耗等，还要考虑到高寒地区气温过低的客观条件。鉴于低气温会降低蓄电池的放电效率，因此在设计时要考虑温度因素，适当增大蓄电池容量。另外，在设计时还要保证单体蓄电池之间的一致性要好。

2.2.3 逆变器及控制器设计选择

逆变器的选择必须要保证安装可靠，且具有较高的整机效率，不管是低负荷还是负载的情况下都要有较高输出效率。另外，逆变器输出电压波形的失真度要低。而在选择控制器时，要确保其保护功能及测量功能都需要完善。

3 结论

光伏发电站是未来高原地区清洁能源产业发展所必须的电力设施，且高原高寒的气候特点要求设计人员必须对光伏发电站的设计进行慎重考虑。本文率先分析了高寒气候对光伏发电站可能产生的影响，为后文设计要点的分析指明了方向，随后从电池方阵设计、蓄电池设计以及控制器逆变器设计角度进行了系统论述，为光伏发电站在高寒地区的实际应用提供了理论借鉴。

参考文献

[1]段志伟，任霞.高寒地区独立光伏电站设计方案探讨[J].城市建设理论研究：电子版，2012（26）.

[2]陈创业，涂洁磊.西南高原高寒地区微网发电系统实践[J].科技展望，2015（19）：82-83.