山地扶贫电站组件布置优化研究及其应用

钱一民，丁 凯 ，胡羽川，季 斌

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

山地扶贫电站组件布置优化研究及其应用

钱一民1，丁 凯1，胡羽川1，季 斌2

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

为响应国家光伏扶贫政策，国家电网公司从2016年开始在湖北“三县一区”开展了阳光扶贫电站的建设。分析了阳光扶贫电站建设选址的山地特点，根据光伏阵列的地理位置、山地坡度、光伏阵列倾角、光伏板件尺寸以及周围环境等多方面因素，提出了山地阳光扶贫电站固定式光伏阵列的布置优化设计方法，并在2016年湖北“三县一区”的3个阳光扶贫电站建设中得到实际应用。该方法不仅提高了土地利用率，避免了土地资源浪费，而且提高了阳光扶贫电站的发电效率和收益，间接提高了阳光扶贫工程的扶贫力度，获得了良好的社会影响力。

扶贫电站；光伏组件；布置优化；山地

0 引言

阳光扶贫是国家精准扶贫十大工程之一。为深入贯彻落实中央扶贫工作会议精神，国家能源局印发了《国家能源局关于加快贫困地区能源开发建设推进脱贫攻坚的实施意见》。国家电网公司为响应国家光伏扶贫政策，决定实施“国网阳光扶贫行动”，在湖北、青海五个定点扶贫县开展光伏扶贫电站建设工程。通过实施光伏扶贫，利用贫困地区太阳能资源，建设光伏发电项目，将发电收益用于扶贫，可以让贫困户有长期、稳定、可持续的收入，承担起造福贫困群众的重任。2016年1月15日，湖北省能源局、扶贫办印发《湖北省光伏扶贫工程实施方案》。国网湖北省电力公司积极开展“三县一区”（即宜昌秭归县、宜昌长阳县、恩施巴东县和神农架林区）光伏发电扶贫项目建设，发电收益全部捐赠给贫困户，助力贫困人口脱贫。

由于“三县一区”属于我国太阳能区划的三类地区，平均年总辐射量为4 000 MJ/m2，全年日照小时数为1 550 h左右，这与甘肃、宁夏等地光照条件差距明显。另一方面“三县一区”的地质条件多是山地丘陵，耕地资源十分宝贵，兴建光伏扶贫电站的选址不能占用基本农田、林地等土地，不得更改土地性质。这就使得所建光伏发电项目只能利用荒山、荒坡等地块进行建设[1-2]。而山地陡坡等复杂地貌特点导致山地扶贫电站设计不同于平原地面光伏电站设计理念，特别是光伏组件的布置，如果照搬平原电站设计方式，无法适应山地环境特点，会造成光伏布置与自然条件不协调、发电系统损耗大、土地资源浪费等问题，直接影响扶贫电站的扶贫收益[3-4]。因此，需要结合山地环境特点，开展山地扶贫电站组件布置优化研究及其应用，以提高土地利用率，保障扶贫效益。

1 山地光伏扶贫电站建设选址特点

山地光伏扶贫电站建设在山地、丘陵等复杂地形条件下，设计难度大，建设成本较高，与建设在地势平坦的平原光伏电站相比，存在以下特点。

1）土地资源紧张

湖北“三县一区”属高山峻岭地区，森林覆盖率高，境内主要为山地、林地、耕地（果园）和湖泊，可用于建设扶贫光伏电站的土地资源少，特别是建设大型光伏电站的成规模土地更为紧张。

2）地形条件复杂

站址地形不平整，建设地表起伏不平、朝向各异、局部伴有山沟，具有一定的坡度复杂性，地形可使用面积不规则、分散，土地利用率要求高。

3）施工难度大

电站建设占地性质主要为未开发地，“三县一区”等贫困地区交通条件较差，施工建设很难依靠大型机械进行，建设成本控制困难。

2 光伏组件布置优化

2.1 光伏组件布置原则

山地光伏扶贫电站建设因其土地资源紧张、地形条件复杂、施工难度大等特点，因此对光伏工程设计，尤其是光伏组件布置提出了更高的要求。考虑到布置区域地表起伏不平、地形条件复杂，若对全部场地进行土地平整，平整难度及土方量均较大，不仅增加工程造价而且对原有地形地貌造成破坏。最佳的布置原则是因地制宜、简单处理、依地势而建，利用不同朝向的坡面安装光伏组件，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。

尽量利用闲置的空地、荒地，地形较平整，无严重地质灾害的地区。将场区坡向、坡度相近区域划分为一个用地单元。其余区域均利用现有的自然地形，以土方开挖工程量最小为原则，并保持场区原有排水坡向。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。

由于在施工安装过程中，若光伏阵列间距偏小，则会导致前排组件与后排组件之间产生阴影遮挡，根据光伏组件的特性，组件被遮挡后性能将产生明显变化甚至损坏，并导致各自所在组串产生电压及电流差异，增加光伏阵列不匹配度，降低阵列发电量，从而影响到整个光伏系统的发电效率及运营安全；若间距偏大，则会造成光伏阵列占地面积增加，降低场地使用率或使装机容量减小，同样影响到光伏电站的经济效益。因此需要根据光伏阵列的地理位置、山地坡度、光伏阵列倾角、光伏板件尺寸以及周围环境等多方面素，对光伏组件间距进行优化。

2.2 山地光伏组件间距优化

在光伏发电工程设计中，关于固定式光伏方阵倾角选择及各排、列的布置间距，《光伏发电站设计规范》（GB 50797－2012）[5]中规定：光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9:00-15:00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡，并在条文说明中给出了光伏方阵各排、列布置间距的计算公式。

式中：L为光伏方阵纵向宽度；Z为光伏方阵倾角；φ为当地纬度。

具体计算如图1所示，由图1可以看出方阵间距为

式中：β为太阳方位角；a为太阳高度角；H为前后光伏方阵相对高度。

由太阳高度角计算公式：

太阳方位角计算公式：

式中：δ为太阳赤纬，δ=23.5sin[360(284+N)/365]。

冬至日的太阳赤纬为-23.45°；w为时角，上午9:00的时角为45°。

图1 方阵间距示意图Fig.1 Schematic diagram of array spacing

可以看到，《光伏发电站设计规范》中列出的计算公式是适用于平原地区上的光伏组件方阵间距，不适用于地面存在坡度的山地光伏扶贫电站方阵间距计算。因此，需考虑山地坡度进行光伏组件间距优化。以正南向坡面为例，具体计算如图2所示。

图2 山地光伏方阵间距示意图Fig.2 Schematic diagram of array spacing in mountainous area

图2中，前后排光伏方阵安装平面的高度差h2，θ为山地坡度。由图2可知：

综上计算可得南向坡面上光伏组件水平间距为：

通用的 D2公式为：，r为光伏方阵的方位角，而β-r则是阳光射线和方阵法线在地面上投影的夹角。通用公式适用于任意方位角，也适用于赤道坐标东西向间距的计算，是任意方向的通用公式，则间距不完全是南北向间距，而是前后排间距。

设光伏方阵纵向宽度L为3.3 m,当地纬度φ为北纬31°，代入公式（6）和（13）得表1。

表1 不同组件倾角和山地坡度情况下光伏组件间距对比Tab.1 Comparison of PV spacing under differentcomponent tilt angles and mountain slopes

可以看出：当组件长度、山地坡度、太阳高度角及方位角等因素不变时，组件倾角越大，间距越大，反之亦然。同时，以山地坡面θ=10°为例，山地坡面光伏组件间距相交标准规定的光伏组件间距优化了1.5 m左右，大大减小了光伏组件间距，提高了土地利用率。

再考虑不同山地坡度情况下光伏组件间距的变化,设山地坡度分别为 10°、15°、20°，分别代入式（13），可以看出：其他因素不变时，组件前后间距由坡面坡度决定，即坡度越大，间距越小，反之亦然,见表2。

表2 不同山地坡度情况下正南坡光伏组件水平间距对比Tab.2 Comparison of PV level spacing under different mountain slopes

3 湖北地区实践应用

湖北“三县一区”多为山地，具备建设光伏电站的土地并不充裕，土地资源宝贵。湖北“三县一区”第二批3个阳光扶贫电站（长阳县大山6 MW光伏项目、巴东县孟家垭2 MW光伏项目和巴东县万流2 MW光伏项目）设计建设中，应用上文所推导的公式，结合大山光伏项目、孟家垭光伏项目和万流光伏项目的地形资料，考虑考虑实际工程中测绘精度、地面坡度朝向、施工精度等影响因素，对原有设计中的前后排光伏组件净间距提出了合理优化，优化结果见表3。图3为长阳县大山光伏扶贫电站的组件布置实景图。通过优化，将3个光伏扶贫项目光伏阵列布置间距至少缩减了10%，保障了扶贫地区建设用地的充分使用，且发电效益良好。

表3 3个阳光扶贫电站组件间距优化结果Tab.3 Optimization results of array spacing between three sunlight poverty reduction photovoltaic power plants

图3 长阳县大山光伏扶贫电站组件布置图Fig.3 Array spacing diagram of Dashan sunlight poverty reduction photovoltaic power plantin Changyang county

4 结语

为了深入贯彻落实中央开展精准光伏扶贫的政策，国网湖北省电力公司在湖北“三县一区”开展了阳光扶贫电站的建设。由于“三县一区”多是山地丘陵地区，所建村级光伏发电项目不同于常规平原选址，属于山地光伏电站，在设计和建设方面有其特殊之处。针对山地环境存在的土地资源紧张、地形条件复杂、施工难度大的特点，面对山地扶贫电站的设计难点，本文提出了光伏组件布置原则和山地光伏组件间距优化方法。该方法在湖北“三县一区”第二批3个阳光扶贫电站得到了应用。不仅提高了土地利用率，避免了土地资源浪费，而且增加了阳光扶贫电站的发电效率和收益，间接提高了阳光扶贫工程的扶贫力度，获得了良好的社会影响力。

（References）

[1]郭家宝,汪毅.光伏发电设计关键技术[M].北京：中国电力出版社，2014.GUO Jiabao,WANG Yi.Key technology of photo⁃voltaic power plant design[M].Beijing:China Electric Power Press,2014.

[2]栾石林，李光明，廖华，等.太阳能山地光伏电站优化设计研究[J].云南师范大学学报:自然科学版，2014,34（5）:25-31.LUAN Shilin,LI Guangming,LIAO Hua,et al.Re⁃search on optimum design of the photovoltaic power station in mountainous area[J].Journal of Yunnan Normal University:Natural Sciences Edition,2014,34(5):25-31.

[3]周长友,孙祎,朱国峰.大型光伏电站阵列优化设计研究[J].华电技术,2014,36(9):68-72.ZHOU Changyou,SUN Yi,ZHU Guofeng.Study on optimization design of large-scale photovoltaic power plant[J].Huadian Technology,2014,36(9):68-72.

[4]黎明，杨庆华，皮琪力.湖北山地太阳能光伏电站设计与效益分析[J].应用能源技术，2016(10):50-52.LI Ming,YANG Qinghua,PI Qili.BOC analysis and optimum design study of the photovoltaic station in Hubei mountain area[J].Applied Energy Technology,2016(10):50-52.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50797—2012光伏发电站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50797—2012 Code for design of photovoltaic power station[S].Beijing:China Planning Press,2012.

Research and Application on PV Optimum Arrangement of Sunlight Poverty Reduction Photovoltaic Power Plant in Mountainous Area

QIAN Yimin1，DING Kai1，HU Yuchuan1，JI Bin2
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China）

To carry out the policy of take targeted measures to help people lift themselves out of poverty,the state grid corporation of China has launched the construction of sunlight poverty reduc⁃tion photovoltaic power plant in Hubei Zigui,Changyang County,Badong County,Shennongjia For⁃est Region(hereinafter referred to as the Hubei three county and one region)from 2016.Firstly,the characteristics of mountain site selection of sunshine poverty alleviation power station are ana⁃lyzed.According to multiple factors of the PV array location,mountain slope,photovoltaic array an⁃gle,photovoltaic panel size and the surrounding environment,the optimum design method of fixed array PV layout of mountainous photovoltaic power plant is put forward.On this basis,this opti⁃mum design method has been applied in three sunlight poverty reduction photovoltaic power plant in Hubei three county and one region in 2016.The method not only improves the land utilization rate,avoids the waste of land resources,but also increase the efficiency and return of sunlight pov⁃erty reduction photovoltaic power plant,and indirectly strengthen the work of aiding the poor to ob⁃tain a good social influence.

poverty reduction photovoltaic power plant;photovoltaic module;optimum design；mountainous area

TM615

A

1006-3986(2016)11-0028-04

10.19308/j.hep.2016.11.006

2016-10-15

钱一民（1988），男，湖北武汉人，硕士，工程师。