山地光伏电站优化方案设计分析

陈伟旗，贺楚平（湖南省电力设计院有限公司电力设备厂，湖南　株洲　412000）



山地光伏电站优化方案设计分析

陈伟旗，贺楚平（湖南省电力设计院有限公司电力设备厂，湖南株洲412000）

科学设计光伏电站直接决定了电站的初始投资及其所能取得的收益。本文通过对电站地理特征、光伏组件特性、光伏阵列特性以及对电站的监控和保护等多个对象进行全方面研究，概述了影响光伏电站安全可靠性、发电量及电网友好性等实质问题的内涵，并且针对具体问题给出了山地光伏电站的科学的设计方法和选型指南，提出“因地制宜、科学设计”的光伏电站设计理念，为山地光伏电站的合理设计提供有价值的参考。

山地光伏；选址；布局；优化方案

引言

山地光伏电站的施工常常伴随土地大面积的平整、开挖，如果不合理的施工就容易导致原有生态系统破坏，从而造成水土流失，这将给光伏电站设备和生态系统带来巨大的危害。作为光伏电站前期规划的重要步骤光伏电站的选址是个不容忽视的问题，合适的地理位置不仅不会对生态环境造成危害，还会延长光伏发电设备的使用寿命，从而实现更长远的经济利益，因此在特殊的地理环境中建造光伏电站就需要对光伏电站进行特定环境的防护。

1　尽量保持山地原有地表地貌，防止水土流失发生

发电站建设类型和施工方式主要取决于光伏电站施工地的地理特征，由此造成的影响将直接关乎到光伏电站的成本投入、投资回报以及后续的运维方式等。山地光伏电站作为所有光伏供电体系中规模较大的一个分区，更需要引起施工方的重视，能否合理地对山地光能加以利用，不仅对新能源的开发产生影响，还会在一定程度上影响人与自然的和谐。电站选址在地形不平坦的山地，就需要施工人员针对特定的地势合理安排电池阵列的排布朝向从而减少遮挡失配现象发生，同时在阵列的排布以及逆变器选型上也要根据实际情况做出调整，在整个山地光伏电站施工过程应尽量做到对山地生态环境的保护，在保证生态稳定的前提下，做到对山地太阳能资源的高效利用。山地光伏电站施工要求光伏设备所使用的支架尽量采用钻孔桩或者螺旋桩，这样可以做到在小区域内实现对光伏设备的固定。

2　单个发电单元依据现场地形，规模适中

阴影造成的遮挡会严重影响光伏电站的发电效率。地形起伏多变使得山地光伏电站中的遮挡现象变得尤为突出。为减少和避免遮挡现象的发生，就要对山地光伏电站的组件进行合理布局并根据电站施工所在山地的实际地形变化进行合理设计。设计的合理化不仅体现在对有限土地面积的合理利用，同时还要尽可能减少甚至是避免遮挡现象的发生，从而实现山地光伏电站的高效发电。山地光伏电站施工所使用的光伏板（250W）的规格在1662×992，由于一个发电单元需要集成20块（2行，10列）光伏板，这样一个发电单元的尺寸就将超过3400×10000，光伏板如图1所示。这就要求施工地点具备很大的平整度，而山地环境中起伏的地势是很难有这种大面积的平地的，所以在施工过程施工单元需要根据地势做出适当的调整。充分运用山地中高低起伏的地势，使得光伏单元按照地势的走向形成阵列发光单元，既保证对山地中光能的充分利用，又可以减少土地整平，从而减少对山地环境造成的损害。

图1　工作环境下的太阳能光伏板

山地光伏电站施工环境中如果出现明显的东西坡，就应该根据实际坡度大小对发电单元的间距进行调整，以减轻前后排之间出现遮挡对电站发电量产生影响。理论上，山地光伏设备中发电单元的设计间距应能保证在冬至当天九点至下午三点间前后排不会产生遮挡。太阳辐射是光伏电站所发电能的主要来源，所以光伏组件间一旦出现遮挡，势必会对光伏电站的发电量产生严重影响。所以在山地电站的施工过程，要对光伏单元进行合理布局，保证对山地光能的充分利用，提高山地光伏电站的发电效率。

3　电缆采用桥架敷设，发电单元部分电缆利用中部支架做槽架

光伏电站施工过程中电缆的敷设问题也要根据光伏电站的选址而做出相应的变化，针对于山地光伏电站，人的活动相对较少，所以外露的电缆不会对人的活动空间造成影响，在山地施工过程中，为了降低工程作业难度，减少施工成本同时实现对山地环境的保护，光伏电站的电缆可以不用埋入地下，直接暴露于山体表面，但暴露在外的电缆需要进行适当的固定及保护，避免因山地环境对电缆造成损害，从而影响山地光伏电站的正常发电。在山地环境中对电缆进行桥架式敷设是解决电缆布局问题的较优选择，不仅降低了电缆铺设过程的工作量，而且不会对山地地表造成过度的损害，既保证了山地生态环境的稳定，又降低了工程的难度，同时针对于电缆的检修也变得方便、易操作。施工过程由于山地较恶劣的环境，对于施工过程中电缆的损害变得尤为突出。外部发电单元间的连接电缆可以通过电缆敷设实现它们之间的连接，这项工程可以在工程的最后阶段统一进行，所以中间施工过程对这部分电缆造成的损害相对较小。比较而言发电单元电池板之间的连接电缆损害相对较大，针对于这部分电缆可以通过将电缆的铺设路线设计在电池板的支架中，利用光伏组件支架中部的槽型梁作为电缆铺设的槽架，不仅减少了电缆在施工过程造成的磨损，也可以通过槽架的结构减少电缆因风雨和光照等自然因素而造成的损害，从而延长电缆的使用寿命。

由于山地环境与平地环境存在较大差别，所以在山地电站施工过程中应注意做到电站的防雷。因为山地电站的选址相对海拔都很高，所以电站遭受雷击的概率也随之提高很多，为了避免雷电对裸露的线缆产生影响，保证供电的稳定，就需要充分利用光伏单元的金属构架，使其形成接地网，从而实现减少雷电对光伏电站中电缆造成危害。

4　视屏监控尽量覆盖光伏电站边沿地区

由于当下对于太阳能的利用率还不是很高，所以光伏电站用于光能转化的电池板占据了光伏电站最大的面积，巨大的光伏面积也对其管理提出了更高的要求。同时问题出现较多的边缘区也应引起电站维护人员的高度重视。如何实现对光伏电站的全方位监控是解决这一系列问题的关键。①每一组电池单元都应配有一块监测芯片，便于管理室的工作人员对光伏电站进行全方位的监控，问题一旦出现，便可针对特定区域进行故障排查。②电站内要根据其所占据的面积合理的布局视频监控器，从而保证工作人员对光伏电站运行环境进行掌控，对可能对电站造成损害的情况进行及时排查，保证电站正常运作。由于山地光伏电站的选址特殊，电站整体可能都被草木包围，这就要对消防问题进行高度重视，由此可见，完善的视频监控体系更是必不可少，不仅可以实现对电站运作情况的监督，还能在消防安全问题出现时，及时发现并进行处理，从而保证电站正常运转，实现其持续稳定的电量供应。

电站外围围栏的设计对电站现场的监测同样很重要，因为电站的选址是山地，人的活动大大减少，但山地环境中生活的动物变成了影响电站正常运作的主要因素。因为山地条件下围栏的作用主要是限制动物，使其远离电站，所以围栏在设计时应最先考虑其实用的功能，而不需要花费太多的资金在围栏建设方面。

5　每个发电升压单元分区合理

5.1汇流箱选择与布置

汇流箱的主要作用就是将多路光伏组串的输出进行一或多级汇流，以此来保护监测各组串正常运行。合理的选择汇流箱并根据山地电站结构对汇流箱进行合理布局将直接影响汇流过程中电缆的实用量及汇流箱在整个山地光伏电站中的使用量。同时，电力在电缆传输过程造成的压降损失以及发电系统的效率也会因此受到影响。汇流箱的选择可以参照《光伏汇流箱技术规范》并根据具体的施工特点进行调整，汇流箱的回路数就必须根据电缆长度、缆线磨损情况以及电站选址的实际情况进行确定。

5.2逆变器选择与布置

目前集中式逆变器（地面大型并网光伏电站使用较多）和组串式逆变器（屋顶分布式光伏电站使用较多）是当下光伏电站中使用较多的逆变器。但针对于山地特殊的地理形貌，其高低起伏的地势，如果应用大型集中式逆变器，在早晨日出和晚间日落的时候会造成光伏单元长时间的遮挡，而且山地光伏电站中各组串的输出相差较大，系统之间的匹配性也很低，这就会对系统的安全运行造成隐患，从而大大降低系统的发电量，所以，在选择山地光伏电站的逆变器时，应结合山地具体形貌确定逆变器的型号。这样不仅会保证电站的发电量，还能节约电缆，降低光伏电站的建设成本。

6　结语

本文分别从技术和工程两个角度对光伏电站建设过程中需要考虑的电站选址问题、各个光伏组件选择与连接过程的排列布局以及光伏逆变器配套选型等问题进行了较系统地阐述，并对光伏电站的设计方案提出了指导建议。今后的光伏电站设计施工应根据本文提出的“因地制宜，科学设计”的电站设计理念和方法，实现光伏电站因地制宜的建设，从而使光伏电站在今后充分发挥其发电能力从而获得更高的经济效益。

［1］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.

［2］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，2015，S1：78～81．

［3］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.

贺楚平（1978-），男，工程师，大学专科，主要从事电力设备设计、施工工作。

TM615

A

2095-2066（2016）12-0063-02

2016-4-15

陈伟旗（1975-），男，工程师，本科，主要从事火电设备设计制造、设备安装施工方面工作。