晋南地区山地光伏发电项目设计优化研究

郭文敢 武晋禄 张星星 钱湘

(广东粤电湛江风力发电有限公司 广东湛江 524030)

2023 年3 月20 日，自然资源部办公厅、国家林业和草原局办公室、国家能源局综合司印发《关于支持光伏发电产业发展规范用地管理有关工作的通知》[1]。通知要求，光伏方阵用地不得占用耕地，占用其他农用地的，应根据实际合理控制，节约集约用地，尽量避免对生态和农业生产造成影响。

山西省晋南地区某光伏发电项目为山西省2021年建设指标，由于国家关于光伏发电项目土地政策的变化，项目用地进行了较大的调整，从最初的大部分农光互补（原地貌见图1）的模式到最终的山地模式（地貌特征见图2），项目最初的设计思路无法匹配山地的地貌、地质特征。

图1 原地貌

图2 山地地貌

阵列安装面分布在不同角度、阶梯差的阳坡及东西坡，由于东西坡占比较大，阵列安装面需要针对东西坡做适用性调整，否则会面临如下风险。

（1）支架受力模型变化，对支架基础不利，东西坡安装情况，在随坡就势的安装方式下，支架重心沿坡度方向可以分解，该平行于组件安装面的力对支架基础及主梁不利。

（2）土地利用率低，光伏区占地面积大且分散，集电线路用量大，线损高，对系统效率不利。

（3）阵列间互相阴影影响加剧，会遇到东坡下午阴影遮挡明显，西坡上午阴影遮挡明显的情况，会降低综合系统效率[2]。

基于上述情况，结合项目所在地纬度情况（与太阳高度角运行规律直接相关）、地貌特征、地质特征，综合对比相近纬度项目，相似地貌地质项目，对支架结构及基础形式、阵列安装倾角、阵列排布方位角等与光伏区阵列相关技术要素做了优化[3]。

1 设计方案优化

1.1 支架基础及结构优化

山地模式下项目可使用的地块，光伏阵列安装面普遍坡度较大，大部分区域机械开挖基坑存在困难，需要结合人工开挖，因此，拟将基础调整为小孔径的灌注桩，桩径0.160～0.180 m，桩基础采用地锚桩基础，基础埋深1.6 m，每组基础采取双立柱方案详见图3。调整后的桩基础中心距为0.8 m，整体结构类似原支架方案，但基础及立柱结构由原来的钢柱方案修改为钢架方案，降低了基础的施工难度，增加了安装节点，扩大了立柱的有效截面，单榀支架的惯性矩得到有效提高，大荷载下的挠度变化范围更小，支架的稳定性得到增强[4]。

图3 支架及基础侧视图

施工现场地块坡度存在多样化的现象，偏东或者偏西坡也比较多，由于支架采取随坡就势的安装方法，建议每个阵列增加一组基础，由5组/阵调整为6组/阵，基础加密后，支架主梁和檩条的受力情况均得到好转，主梁和檩条的截面可以根据相应的受力模型重新调整，调整后的支架立柱与组件排布如图4所示。根据调整后的支架结构，重新建模分析，在规范规定的荷载、系数，以及多种组合工况下分析，最不利的情况下，各杆件的应力比均满足要求，杆件应力分析见图5。

图4 支架基础排布图

图5 支架结构应力分析图

由于增加了一组基础，檩条的受力与变形情况得到了较好控制，挠度比远超规范要求的标准值，为大组件长久运行提供了非常好的基础条件。

1.2 阵列安装倾角优化

项目原设计阵列安装倾角为33°，该角度为PVsyst模拟出来的最佳倾角，辐照数据来源为Meteonorm8.0，数据采集期为1991—2000年。依据该辐照数据模型，按照阵列安装面年辐射量最大的原则，模拟情况如图6所示。

图6 PVsyst模拟最佳倾角

PVsyst 是行业内比较权威的模拟分析软件，算法可靠度比较高[5]。但是辐照数据与当前的气候环境存在比较大的偏差，2000年距今已有20年，近20年中国的工业飞速发展，与日俱增的雾霾污染一直无法得到有效控制，近几年国家对大气环境的整治力度空前之大，但是项目所在地地处汾河平原，冬季前后的主方向为北风，汾河平原地势相对较低，雾霾沉积较为严重。在汾河平原东西两侧为山区，海拔逐渐增高，沿山路爬升时，朝向平原区观察，可以看到明显的雾霾沉积现象，而随着海拔达到1 000 m左右时，雾霾逐渐消散，空气通透度大为提高。

基于冬季雾霾情况，自2016年晋南地区开展大型地面光伏电站建设起，就不断有光伏项目结合项目地局部气候的特点、海拔位置、限电情况等因素对阵列安装倾角做了调整，具体情况如表1所示。

表1 晋南地区部分光伏电站安装倾角统计

上述项目在调整安装倾角后，和周边项目做了发电量对比，其中吉县金智与山西天惠光伏电站并网时间较早，自2016年底并网以来实际发电小时数均高于周边33°倾角以上的光伏电站。

若以夏季发电量最大为原则，则模拟出来的最佳倾角为18°，具体如图7 所示。因此，冬季雾霾影响的权重对全年实际发电量的影响可以得出如下结论：项目的安装倾角范围为18°～33°，在本区域高海拔区域（1 800 m 以上），可以采取33°倾角，低于1 800 m 海拔的区域需要结合周边已建电站的数据做适用性调整。

图7 PVsyst模拟最佳倾角（夏季最大）

本项目海拔高程约为700 m，参照表1 的数据，建议采取的安装倾角为22°～25°，在该范围内，实际发电量的偏差不超过0.3%，结论如下。

33°倾角无雾霾区域理论值设为100%，25°倾角相对于理论值降低约1%，而22°倾角相对于25°倾角降低约0.3%。但是由于本项目未处在高海拔区域，无法消除雾霾影响，实际的发电最佳区域应为25°～30°，在该区间内发电量变化不明显，但是高于或者低于这个范围，发电量均可能发生一定比例的损失[6]。

本项目用地紧张，倾角降低能有效降低土地使用面积，为了更好地完成预定的装机容量目标，实现项目整体收益，建议本项目阵列安装倾角调为22°。

1.3 阵列排布方位优化

山地项目在遇到东西坡时，需要调整阵列方位角，阵列方位随等高线方向做一定范围的调整，可有效提高土地利用率，平衡光伏阵列上午与 下午阴影影响的范围线，如图8所示。若不调整方位角，则在东坡工况时，上午阴影线较短，但下午阴影线很长，西坡则相反，会出现比较明显的短板效应[7]。

图8 东西坡阴影模型

但是方位角的调整会损失发电量，调整的角度越小，影响越小[8]。以本项目为例，经PVsyst模拟，不同方位角发电量降低成果如表2所示。

表2 不同安装方位角对比

在方位角15°时，相比方位角0°时发电量降低0.5%，但是超过15°时，随着方位角增大，发电量降低速率也在增大，因此建议方位角的调整控制在15°范围内，地形特殊的情况下，方位角不超过20°。

2 结语

经过上述几个方面的优化，该项目在支架基础、支架安装、阵列布置、土地利用率等方面均实现了有效优化，对发电量的影响也控制在合理范围内，相对于原方案在工程难度、土地利用以及阴影遮挡等方面的弊端，本优化方案在这两方面有较大的提高，综合效益是积极的，对于山地光伏发电项目的设计具有一定的借鉴意义。