浅谈农光互补光伏电站设计研究

郭 亚

山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013

近年来，受石油价格上涨和全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视[1]。许多国家提出了明确的发展目标，制定了支持可再生能源发展的法规和政策，使可再生能源技术水平不断提高，产业规模逐渐扩大，成为促进能源多样化和实现可持续发展的重要能源[2]。我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用[3]。但同时，我国可利用从事光伏电站建设的荒地、荒山、荒滩以及屋顶等资源越来越少，已经远远不能满足市场的需要[4]。光伏产业面临转型升级，与其他产业互相协调发展成为一条重要出路。另一方面，农业也在不断寻求自我突破。光伏农业这个新产业开创性地将光伏发电与农业开发及节约资源相结合，由此光伏农业应运而生[5]。

1 农光互补光伏电站设计

1.1 电站选址

本电站站址位于山东省，场区共分为4个地块，分别分布在滨河大道两侧区域，土地性质主要为煤矿塌陷区，小部分为拆迁区、一般农用地、林地等。规划容量为100MW，面积约为5300亩，周边有迈多河、迈多河路、铁路、输气管道等市域道路及市政基础设施。

其中，地块1位于省道以南滨河大道以北的区域，用地面积2448亩，主要分为食用菌阴棚区、春秋拱棚区以及日光温室区；地块2位于滨河大道南侧区域，占地面积1828亩，主要分为春秋拱棚区以及日光温室区；地块3位于地块2西侧，占地面积318亩，主要布置日光温室区；地块4位于地块1西侧，占地面积342.5亩，主要布置日光温室区。

1.2 当地太阳能资源

本电站场址区域气候属暖温带大陆性半温润季风气候，四季分明，寒暑适宜，光温同步，雨热同季。场址区域全年平均日照时数2655h，平均年太阳辐射量5038MJ/m2，场址处Meteonorm数据年辐射值为4989.6MJ/m2。根据我国太阳能资源等级区划表得知，场址区域太阳能资源较丰富，适宜建设太阳能电站。

根据典型年分析，该区域太阳能稳定度为2.4，太阳能资源较为稳定。

1.3 工艺设计

根据对比经济和技术的结果，本电站采用单晶单玻295Wp、300Wp太阳能电池组件，其中，295Wp单晶硅电池组件数量为305412块，每23块电池组件串联为一个基本汇流单元；300Wp单晶硅电池组件数量为33012块，每28块电池组件串联为一个基本汇流单元。

依据倾斜面太阳辐射量的计算方法，通过分析该地区太阳辐射资料，可得出不同倾角情况下电池组件上太阳辐射量，见表1。

表1 不同倾角情况下电池组件上太阳辐射量（kWh/m2）

从表1可以看出，光伏组件倾角为31°时，倾斜面上所接受的太阳辐射量最大，相应的年发电量也就最多。但是，本光伏场区面积有限，组件按31°倾角安装时组件前后间距大，并且光伏电站设计容量与超配容量要求较大，需对光伏电站安装倾角重新计算。通过对比分析光伏组件不同安装倾角时的度电成本计算，在0～31°的范围内光伏组件安装倾角越大，年均可利用小时数越高，度电成本越低。考虑到光伏发电站面积有限，同时满足光伏发电站容配比的需要，采用的安装角度为26°。水平地面方阵示意图如图1所示。

为确保在一天内南部的阵列对北部的阵列不形成阴影，本电站采用下列公式对其间距进行计算[6]：

式中：β—太阳9：00时方位角；Φ—电站纬度；H—太阳能电池板最大高度（不含支墩）。

图1 水平地面方阵示意图

经综合分析和计算，最终确定前后排组件中心最小间距为：冬暖棚中心间距25m；春秋拱棚中心间距19.5m；食用菌棚中心间距18m。各配电室（逆变器）的布置尽可能使电池组件经汇流箱汇流后到逆变器的线路损失减小，有效地提高各发电单元的上网电量，同时应考虑农业要求及检修维护通道。

1.4 升压站区设计

本电站新建一座110kV升压站，采用装配式升压站。升压站位于站区1号地块的东南侧，用地1.17公顷。其作为整个电站的集控及农业生产调度中心，主要分为两个区，综合生产调度区及升压变电区。综合生产调度区主要布置综合楼、材料库；升压变电区主要布置二次预制仓、主变、SVG无功补偿装置、35kV（110kV）预制舱，接地变及电阻成套装置、事故油池及消防设施等，如图2所示。

图2 升压站平面布置图

升压站内配电装置总体按三列布置。主变压器及中性点设备、接地电阻布置在升压站的中部。35、110kV配电装置布置在主变的北侧，双层布置，35kV配电装置布置在地面一层，110kV配电装置布置在二层。二次继电保护和低压配电装置共同布置在主变南部。无功补偿装置布置在升压站整体的西侧。除主变压器、无功补偿装置的电抗器外，所有配电装置均采用装配式一体化配电装置。

1.5 光伏电站年上网电量计算

光伏电站的系统效率是随着辐照强度不断变化的，辐照越低效率也越低，这是由于以下几点原因造成的：其一，组件、逆变器、线缆等的损耗并不是线性变化的；其二，在辐射很低时（阴天或雨天），存在组串电压过低，逆变器无法启动的阶段（而辐照量是累加的）；其三，逆变器存在一定的自耗电情况（自耗电随负荷变化很小），在低辐照情况下占发电量比重较高，导致系统效率降低。一般地，在进行电站设计时采用的系统效率值是年效率，每一天的系统效率差异和辐照的变化范围有关，对于系统效率影响最大的其实是光伏组件。不同电站效率最高和最低差异很大，主要是因为逆变器规格、MPPT范围和其自耗电大小有关。

本光伏电站发电量采用PVSYST软件进行计算，计算依据厂址修订后的太阳辐射量数据。考虑各种折减系数后，系统的总效率取84.2%。站区总发电量从第1年末到第25年末，本光伏电站年上网电量由第1年的14735.14万kWh下降到第25年的12183.08万kWh。按25年运营期考虑，总上网电量336477.71万kWh，年均上网电量约为13459.11万kWh。年均有效可利用小时数为1136.88h。

1.6 农光互补设计

农业部分设计按照主要功能区分，有三大部分，即冬暖大棚蔬果种植区、拱棚蔬果种植区、食用菌棚种植区。结合三种棚型的特点，分别选用不同的设计方法，分别如下：

冬暖大棚主要由基础、墙体、钢架、覆盖薄膜、保温被及传动系统等组成。冬季白天阳光由前坡面薄膜照射进入棚内，后墙及地面均蓄热，冬季放下保温被后，墙体蓄积的热量释放到温室内，从而达到升温的作用，节省大量的供暖费用和能源消耗。通过研究，总结出了几种冬暖大棚与光伏相结合的生产模式，得出了冬暖大棚投影面积与光伏板投影面积的适合比例，并探索出了与光伏相结合的冬暖大棚种养模式，使之更适应新形式下的生态循环农业。

拱棚常用于春季提前和秋季延迟栽培，主要由钢骨架、塑料薄膜、卷膜机构等组成，可以有效阻挡雨水及鸟虫等对棚内作物的伤害。在拱棚中间架设支架，支架上安装光伏板进行光伏发电，此种方法对棚内作物影响较小。

食用菌棚主要由钢骨架、塑料薄膜、放风系统等组成，可以有效阻挡雨水及鸟虫等对棚内作物的伤害。种植领域的农光互补多在食用菌棚顶部铺设光伏板，利用棚顶进行光伏发电，此种方法对棚内作物影响较小，且单位面积发电量较高。

2 发电指标

众所周知，对于光伏电站，发电指标的高低直接影响着经济效益。为此，针对该农光互补光伏电站，以消缺为根本，通过节能降耗、对标管理的方法，提出几点提高发电指标的建议，为相关领域提供参考。具体建议如下：

（1）在配电室巡检、操作结束后，及时关闭照明；（2）办公室、学习室和休息室空调和照明，人员离开时及时关闭；配电材料仓库等区域白天正常不得开灯；一、二次预制舱内空调温度设定不低于26℃；（3）合理调整运行方式，站用电源正常由站用备用电源供电，尽量增加上网电量。每月定期进行一次站用电源切换试验，切换完毕后倒为备用变供电方式。（4）利用站控系统加强对发电设备各项参数的监视和调整，当值班长指定专人每小时一次跟踪设备状态，及时掌握运行数据变化情况；根据站控设备及时发现缺陷并现场进行确认，根据影响发电量大小等因素进行分类，联系施工单位及时进行现场消缺，减少设备故障弃光率。（5）根据季节特点，加强对光伏电站设备的监控力度，确保逆变器按时并网、断网，对未能如期并网或提前断网的逆变器进行检查分析。（6）加强对光伏场区的巡视，及时发现私拉私接农业用电、组件损坏、树木遮挡、人为破坏电缆等不安全因素，及时处理，保证设备投入率。（7）加强备品备件的管理，提高发电单元的运行可靠性。（8）加强与当地镇、村领导的沟通和电力法规宣传，在光伏场区周边围栏增设安全、警示、防火等宣传标语，减少因当地村民擅自破坏围栏进入场区进行种植、放牧等行为造成的光伏设备、电缆损坏。（9）如何保证组件的清洁对有效提高发电效益至关重要，要合理安排清洗周期，拟采用纳米喷涂材料进行试验。

3 结语

光伏农业和我国当前经济转型的目标以及生态文明建设相契合，成为现代农业发展的一种全新模式。在这种模式下，不但可以实现土地立体化增值利用，还能带来显著的经济效益和社会效益。然而，因现阶段没有统一的标准，光伏农业还存在诸多问题，如技术不成熟、面临的土地问题等，为此制定光伏农业行业标准至关重要，有了标准才能引导产业发展的方向，可以为传统农业向现代农业过渡提供方向，更好地实现能源与农业、环境与发展、经济与资源的协调发展。