“农光互补”光伏电站设计

魏 单，陈 琳

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)



“农光互补”光伏电站设计

魏 单，陈 琳

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

光伏发电是一种零排放、无污染的理想发电技术。我国是农业大国，光伏发电应用在农业领域，将会带来巨大的经济效益和社会效益，由此光伏农业应运而生。提出了在拥有足够太阳能光照的辽宁岫岩地区建立光伏电站的想法，阐述了该电站的光伏设计方案、安装方式、发电情况及其产生的经济效益和社会效益，光伏农业对太阳能产业在可再生能源领域的应用具有非常大的推动作用。

光伏电站；农光互补；经济效益

1 农光互补

1.1 背景

我国农业大棚的占地面积位于世界第一位，主要类型为塑料大棚和日光温室，但能得到充分利用的面积却极少。由于温室气体引发的地表温度持续升高，雾霾、酸雨和沙尘暴等灾害的持续发生，世界各国将如何应对气候变化列为讨论的政治议题。大力开发新能源如风能、核能、太阳能和地热能等可再生的清洁能源，将尽可能地促使人们减少对传统能源的依赖，有利于保持可持续发展，改善环境。如何大力开发新能源，应对气候变化也是我国的基本国策, 将一直贯穿在中国未来的能源发展战略的过程中。太阳能的光伏发电项目将要迎来更大的发展空间。

农光互补也称光伏农业，太阳能光伏发电既可以提供良好的生长环境给农作物、水产养殖、畜牧养殖和食用菌，又具有发电能力。光伏农业是一种新的土地空间综合利用形式，在棚外架设太阳能组件，发展农业的“上发电下养殖”的新格局，实现了农业作物经济和能源发电效益的“双赢”，达到“1+1>2”的效果，更有效更合理地利用了有限的土地资源。发展光伏农业响应了世界低碳环保的口号，带动了当地的旅游及周边城市的商业化发展，解决了当地住户的就业问题，实现了农民、政府和企业的共同发展的效果。光伏大棚项目响应国家产业政策，利用新能源，促进能源结构调整及节能减排，引领了低碳环保的绿色能源潮流，光伏大棚的建设势在必行。

1.2 光伏农业发展现状

据统计，我国光伏农业大棚项目主要集中在山东、江苏等省份，这些省份的光照较为充足，农业大棚面积超过333万m2，可见我国光伏农业大棚的发展前景极为广阔。截止2014年，我国的光伏蔬菜大棚、光伏畜禽养殖大棚和食用菌等项目的装机容量为1 182 MW，国家已经审批通过的渔光互补和农光互补的项目达到400多个，达到2.9 GW的总装机容量。在国家政策的支持下，英利、天合光能、协鑫等光伏企业加快光伏农业建设，据悉，2014年英利广西隆安建设的光伏农业大棚项目为60 MW；2015年天合光能在西双版纳已建光伏农业茶园51 MW，预期年发电量8 000万度；协鑫能源在内蒙古有300 MW的光伏项目；2015年8月昌盛日电在银川永宁30 MW的光伏农业项目顺利并网。

2 “农光互补”光伏电站设计

2.1 电站选址

辽宁省鞍山市岫岩满族自治县，位于东经122°52′～123°41′，北纬40°～ 40°39′，辽东半岛的北部，与海城市、辽阳县、凤城市、盖州市、大石桥市、东港市和庄河市等城市相邻，地理面积达到4 502 平方公里，总人口约为50万。岫岩满族自治县北高南低，境内以低山的山地为主，有药山、白云山、弟兄山、帽盔山、大顶子山等山脉的支脉，平均海拔92.4米，境内有药山风景区和白云山风景区，周围有冰峪沟风景区，境内有大洋河流过岫岩。

满族自治县卫星图如图1所示。

岫岩满族自治县的20 MWp光伏发电采用“农光互补”模式，可提供光伏项目使用土地约为1 000 亩，其中一般农田占地约为500亩，其余为未利用土地。距离项目地5.1公里现有1座变电站，66 kV～10 kV，适合做并网式光伏发电，结合当地资源与技术，可大力发展清洁能源，促进生态农业发展，带动当地就业和产业升级，具有良好的经济和环境效益。

图1 岫岩满族自治县

2.2 当地太阳能资源

据统计，当前辽宁省内年平均太阳总辐照量为4 400～5 100 MJ/m2，年平均日照时数大约在2 400～2 800 h，鞍山的太阳辐照的分布表现出四季分布的不对称性，具有夏多冬少的特点，春季和夏季的总辐照量占全年的55%～60%，适合于建设太阳能光伏电站。

通过光伏宝软件，算出岫岩县太阳能电池板安装的最佳倾角为41°，首年总发电量为2 861万kW·h，峰值日照时数为4.6 h，年日照时数为2 302.7 h。

利用工程所在区域的 NASA 气象数据作为对照参考，根据推算的2003～2012年太阳辐射数据，做出太阳总辐射量年内变化图，如图2所示。

图2 岫岩县每月水平辐照量

由图2可见，岫岩市太阳辐射的月际变化较大，其数值在211～611 MJ/m2之间，月总辐射从1月开始急剧增加，5月达最高值，为611 MJ/m2，6月略有下降，8月开始迅速下降，冬季12月达最小值，为211 MJ/m2。

通过上述分析可知，岫岩满族自治县的年平均辐照度相对稳定，该地区是太阳能资源丰富的地区，能够满足建设光伏电站的光资源要求，因此，该地区可以建设大型并网太阳能光伏发电的电站。

2.3 技术方案

根据对比经济和技术的结果，光伏电池板选用260 Wp的多晶硅电池组件，其数量为76 923块。逆变器选用500 kW的防雷逆变器，共计40台。每20个光伏组件1串，每16串光伏组件汇集到1个智能直流汇流箱，每7个16进汇流箱接入1台500 kW逆变器。20 MWp光伏电站由20个独立的1 MWp光伏发电单元组成，每个发电单元设置1台1 000 kVA双分裂箱式美变，每10个发电单元汇成一路集电线路，光伏电站红线区域内设集电线路，在电控楼汇集站并出1回66 kV线路接入附近66 kV变电站，送出线路长约10 km。系统组成原理如图3所示。

图3 系统组成原理

安装方式为固定可调式，根据鞍山地区太阳能辐射数据，将可调的方式分为二次可调(4～9月份调1次、10～3月调1次)、三次可调(9～2月调1次、3～4月调1次、5～8月调1次)和四次可调(10～2月调1次、3～4月调1次、5～8月调1次、9月调1次)，方位角为0°。

表1 鞍山地区太阳能辐射数据 kW·m-2

根据表1可知，将安装时每月的倾斜角对应的月平均日辐照量乘上当月天数可得当月的月辐照量，再将12个月的月辐照量相加，可得到年总辐照量。多晶硅的转换效率为16.5%，系统效率为76.8%，年发电量年辐照量转换效率系统效率；收益年发电量电价(税后为0.75元)。

通过计算对比得出，安装方式选为每年调3次倾角。

该光伏电站的监控方式采用智能运维监控系统，整个光伏电站只安装1套全面的自动化系统，具有实时数据、数据分析、数据预判、通信、故障监测等功能，还具有清结算系统，通过对开关站和光伏发电系统的全方面综合的自动化管理，实现电站本地监控端与管控端的监测、遥控和结算控制等功能。直流控制电源系统安装1组200 蓄电池，1套充电/浮充电装置，单母线接线。

表2 不同调整方式的收益分析

2.4 发电情况

根据光资源的分析，岫岩地区太阳能资源很丰富，年辐射量为4 965.6 MJ/m2·a，在倾斜角度为41°时，装机容量20 MWp倾斜面所接收到的年总辐射量为3 067.9 MJ/m2·a。系统效率按76.8%，考虑电池组件效率衰减，第一年衰减率为2.5%，以后0.7%，经计算可得，本工程25年总发电量约为646 750.4万kW·h，25年平均发电量2 587万kW·h。

同燃煤火电站相比，按标煤煤耗为320 g/kW·h计，每年可为国家节约标准煤206 960.14t。相应每年可减少多种有害气体和废气排放，其中减少SO2排放量约为19 402.51 t、NOX(以NO2计)排放量约为2 586.99 t，东北电网的排放因子取0.881 1(tCO2e/MWh)，电站的建设每年可减少温室气体CO2的排放量约为56 985.18 t。

3 经济效益

主要设备价格如下：多晶硅光伏组件(260 Wp/块),按2.8元/Wp；并网逆变器(500 kW/台)，按0.35元/kW；其他电气设备价格参考国内目前的价格水平计算。电站总投资18 000万元，单位千瓦投资9 000元/kW。

收益：每20亩可做1 MWp，年可发电129万kW·h；1 MWp发电系统总投资为900万元，发电年收入114万元，出租养殖大棚每亩5万元，1 MWp收益100万，两项收益年可达214万元。

电站电价分为前20年国家标杆电价+后5年当地脱硫脱销电价，前20年电价按照0.88元/kW·h (含增值税，不含增值税为0.730 4元/kW·h)，后五年按照脱硫电价0.386 3元/kW·h(含增值税，不含增值税为0.320 6元/kW·h)计算，贷款偿还期为12年，全部投资财务内部收益率为7.37 %(所得税后)，财务净现值为2 883万元，投资回收期为8.09年(所得税后)，资本金内部收益率为13.19%。

4 结 语

1)岫岩满族自治县年平均日照2 302.7 h，年平均太阳辐照量约为4 965.6 MJ/m2·a，属我国太阳能资源丰富区域，适合建设大型太阳能光伏并网电站，预期有着显著的经济效益和社会效益。

2)光伏电站采用应用广泛的多晶硅光伏组件，转换效率高且价格适中，比较适合大规模推广，有非常好的产业推广价值。

3)光伏电站预计投入18 000万元，每kW投资9 000元。在经营期内，综合考虑投资成本和时间成本后，资本的收益率为13.19 %，综上所述，如果光伏电站建成，将有着良好的盈利能力，经济效益非常理想。

4)光伏电站是无污染、绿色工程，对于促进节能减排、打造低碳城市有着很好地促进作用，同时对光伏发电产业和太阳能利用产生积极的推动作用。

[1]刘宇卿,赵俊青.光伏发电与农业结合发展的模式研究[J].电气时代,2015(2):40-42.

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[5]刘文堂.山地风电场工程规划[D].石家庄：河北科技大学,2010.

(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

Design on Agricultural Photovoltaic Complementation Power Station

WEI Dan,CHEN Lin

(School of New Energy Resource,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Photovoltaic power generation is a zero-emission,pollution-free power generation technology.As a big agricultural country,the application of photovoltaic power generation in the agricultural field would bring huge economic and social benefits in China.This paper mainly described the idea of establishing photovoltaic power plant in Xiuyan area of Liaoning with enough solar energy illumination,and expounded the photovoltaic design scheme,installation method,power generation situation and its economic and social benefits.The photovoltaic agriculture would play a very large role in promoting the solar energy industry into the field of renewable energy applications.

photovoltaic power station; agricultural photovoltaic complementation; economic benefits

2017-03-09

魏 单(1994-)，女，辽宁沈阳人。

陈 琳(1986-)，女，山东济南人，硕士，助教。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.003

TK511

A

1673-1603(2017)02-0108-05