欒石林， 李光明， 廖華， 李文光

（1.云南冶金新能源股份有限公司，云南 紅河654399；2.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南 昆明650092）

在環(huán)境保護(hù)、國(guó)家能源需求和維持經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的壓力下，光伏發(fā)電因自身的優(yōu)點(diǎn)，被各國(guó)廣泛推廣應(yīng)用，預(yù)計(jì)2030年后將成為全球的主流能源［1］.近幾年，以建設(shè)大型并網(wǎng)和分布式光伏電站的太陽(yáng)能利用形式得到快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，截止2013年底［2］，全球累計(jì)光伏裝機(jī)136.7GW，同比增長(zhǎng)35%.而我國(guó)經(jīng)歷歐美市場(chǎng)的“圍追堵截”后，被迫向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)移，在兩年內(nèi)（2012～2013年）32項(xiàng)政策的激勵(lì)下，光伏應(yīng)用市場(chǎng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，截止2013年底，累計(jì)裝機(jī)17.16GW，較2010年增長(zhǎng)了204.5%，其中并網(wǎng)光伏電站占65%以上.

目前，國(guó)內(nèi)外大型并網(wǎng)光伏電站主要建設(shè)在太陽(yáng)能資源豐富、非育林育農(nóng)育牧（戈壁灘、荒草地、海邊灘涂、沙漠等）或可耕種，但自然條件惡劣、產(chǎn)出較低的土地上.在我國(guó)主要集中在西北五省，截止2013年底，裝機(jī)量達(dá)12.515GW，建設(shè)場(chǎng)址地勢(shì)較為平坦，屬性以戈壁灘、荒漠、半荒漠、荒漠草地為主，建設(shè)規(guī)模均10MW以上，如正泰永昌100MWp、金川金昌200MWp、華能格爾木200MWp、中廣核圖木舒克100MWp、順豐石嘴山130MWp光伏電站.

隨著光伏電站容量不斷增加，日照較好、地勢(shì)平坦、建設(shè)條件較好的土地資源日趨減少，山地等建設(shè)條件次之的土地將成為重要的光伏電站建設(shè)資源，“山地光伏電站”將成為未來重要的光伏電站模式之一.

1 山地光伏電站特點(diǎn)及設(shè)計(jì)建設(shè)難度

目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)建設(shè)山地光伏電站的總體經(jīng)驗(yàn)較少，已建成的在國(guó)際上也并不多見［3－7］，實(shí)地調(diào)研了已建或在建的部分山地光伏電站，如圖1所示.

圖1 已建或在建的山地光伏電站Fig.1 The mountain area PV power stations constructed or under construction

山地光伏電站是指在山地、丘陵等復(fù)雜地形條件下建設(shè)的光伏發(fā)電站，建設(shè)場(chǎng)地多屬于沙化、荒漠化和石漠化山地，其地表起伏不平、朝向各異、局部伴有小型水沖溝或高原巖石芽殘丘、可安裝面積大小不同、相對(duì)分散.設(shè)計(jì)建設(shè)難度和成本較大，但具有土地成本低、管理方便（山區(qū)人少）、對(duì)生活的擾動(dòng)小、土地利用率高等優(yōu)勢(shì).

山地光伏電站因受地形地貌條件限制，與地勢(shì)平坦的戈壁灘、沙漠等地區(qū)光伏電站相比，存在系統(tǒng)方陣布局與自然的協(xié)調(diào)性差，系統(tǒng)匹配損失大，設(shè)計(jì)、施工難度大，成本控制難，運(yùn)行維護(hù)成本高等問題.因此山地光伏電站的設(shè)計(jì)建設(shè)必須兼顧系統(tǒng)效率、與自然的協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等進(jìn)行綜合考慮.

1.1 山地光伏電站設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）方陣設(shè)計(jì)：如何根據(jù)資源狀況和地形條件，在滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)方陣的安裝方式、方陣基礎(chǔ)和支架，保證方陣與地形有較高的匹配性，土地資源得到最大化利用；

2）設(shè)備選擇和方陣布置設(shè)計(jì)：如何根據(jù)自然條件和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選擇安全性和經(jīng)濟(jì)性都較高的設(shè)備，設(shè)計(jì)設(shè)備布置方案、系統(tǒng)防雷接地、組串和方陣鏈接模式等，保證系統(tǒng)中設(shè)備間有較高的匹配性，使系統(tǒng)效率、設(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)化；

3）如何根據(jù)地質(zhì)條件和自然環(huán)境，設(shè)計(jì)電站的場(chǎng)內(nèi)道路、土建、消防、給排水等，保證電站具有較高的安全性，降低投資和減少對(duì)地表的擾動(dòng)；

4）如何制定電站運(yùn)行維護(hù)管理方案，提高電站運(yùn)行維護(hù)效率和降低運(yùn)行維護(hù)成本.

1.2 山地光伏電站建設(shè)難點(diǎn)

1）施工前期準(zhǔn)備工作量大：場(chǎng)址遠(yuǎn)離城市和交通主干道，地形起伏，若準(zhǔn)備欠充分，在施工期對(duì)整體施工部署造成困擾，形成不同的安全、質(zhì)量和工期隱患.因此，在了解山地建筑施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分做好準(zhǔn)備工作，制定科學(xué)合理的施工方案；

2）支架強(qiáng)度較平地高：山地未經(jīng)開發(fā)，地表往往被植物和森林覆蓋，地表高低起伏，地形高差大，場(chǎng)區(qū)容易形成不同于平地的山風(fēng)，按照平地對(duì)支架強(qiáng)度（承載力和抗拔力）的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，建成后，支架損毀率會(huì)提高；

3）場(chǎng)內(nèi)施工難度大：山地地勢(shì)坎坷不平，坡多路險(xiǎn)，局部地區(qū)場(chǎng)地不經(jīng)平整，機(jī)械設(shè)備無法進(jìn)場(chǎng)施工，施工過程中人員、設(shè)備危險(xiǎn)性也較高，如采用履帶式或膠輪式打樁機(jī)在有坡度的山地上施工，其安全傾角需小于30°或15°.此外，適合建設(shè)光伏電站的山地多為沙化、荒漠化和石漠化山地，巖、土體穩(wěn)定性差，遇雨季時(shí)，山水匯流，易形成山洪、土體坍塌和山體滑坡等自然災(zāi)害；

4）施工成本高：山地光伏電站對(duì)支架、基礎(chǔ)的強(qiáng)度要求較高，施工時(shí)對(duì)設(shè)備、原材料及施工方法的要求相對(duì)比較嚴(yán)格，此外山體表面常分布有風(fēng)化巖、灰?guī)r或白云巖，其結(jié)構(gòu)緊密，硬度大，造成施工難度和成本都較高，一般會(huì)高出20%～30%；

因此，建設(shè)山地光伏電站，必須進(jìn)行詳細(xì)的場(chǎng)地調(diào)查，做好優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工準(zhǔn)備和施工管理.

2 光伏陣列設(shè)計(jì)

山地光伏電站陣列設(shè)計(jì)應(yīng)從場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造、地表特點(diǎn)（坡度、朝向等）、組件特性參數(shù)、支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和與地形的適應(yīng)性、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、工程的經(jīng)濟(jì)性、安裝的快捷高效性等多層面綜合考慮.

2.1 光伏組件的選取

光伏組件是光伏電站的核心部件，其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)光伏電站的發(fā)電性能，正確選取光伏組價(jià)是保證山地光伏電站高效和安全的重要保障.無論選擇單／多晶硅光伏組件或薄膜光伏組件，在滿足一般要求的條件下，還需滿足以下條件：

1）組件電流、電壓一致性高

多塊同類的光伏組件經(jīng)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成光伏組串，其輸出功率為.

式中P組串為某一光伏組串的輸出功率，Ii、Vi為第i塊組件的輸出電流和電壓.

從（1）式可得，光伏組串的輸出功率受n塊組件的電流、電壓非一致性的影響較大，其組件的電流、電壓最大偏差（ΔI、ΔV）可表示為.

因此，在選購(gòu)組件時(shí)應(yīng)對(duì)組件進(jìn)行二次分檔，即某一組串中的n塊組件的功率誤差要控制在1W以內(nèi).在大型并網(wǎng)光伏電站實(shí)際工程中，對(duì)串聯(lián)構(gòu)成組串的組件進(jìn)行電流分檔，所有組件的電流偏差ΔI要控制在0.12%以內(nèi).

2）選用通過電勢(shì)誘導(dǎo)衰減測(cè)試（Potential Induced Degradation，PID）的組件

光伏組件在光伏系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)存在內(nèi)部電路對(duì)組件邊框的負(fù)電勢(shì)，當(dāng)光伏組件長(zhǎng)期在內(nèi)部電路負(fù)電勢(shì)和外部高溫高濕的環(huán)境下，光伏組件內(nèi)部產(chǎn)生反向電場(chǎng)，這種電場(chǎng)會(huì)抵消內(nèi)建電場(chǎng)的作用，使電池發(fā)電效率下降.大量實(shí)驗(yàn)表明，在外部氣候環(huán)境（溫度及濕度）一定的條件下，只要選用合適的電池片、封裝材料、背板和玻璃，可以極大限度地降低PID的影響，延長(zhǎng)光伏組件的長(zhǎng)期使用壽命.

3）能滿足運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求

山地光伏電站通常建在交通較差的山區(qū)，運(yùn)輸、安裝條件差，大型運(yùn)輸設(shè)備難到達(dá)場(chǎng)地，加之電站占地面積較大，站內(nèi)交通較差，存在大量二次搬運(yùn)，尤其在安裝過程中，全依靠人工搬運(yùn)完成.因此，必須考慮合適的光伏組件尺寸大小和重量，防止光伏組件在安裝過程中對(duì)組件造成二次傷害（隱裂）、降低組件在使用過程中的衰減、提高安裝效率、降低建設(shè)成本.

2.2 光伏組串串聯(lián)數(shù)計(jì)算［8］

光伏組串是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最小直流電輸出單元，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下因素：逆變器的輸入最大直流電壓和MPPT電壓范圍，光伏組件的開路電壓、工作電壓、開路電壓溫度系數(shù)、工作電壓溫度系數(shù)和工作條件下的極限高低溫等.組串中各個(gè)組件的電特性參數(shù)應(yīng)盡可能保持一致，組串最大組件串聯(lián)數(shù)N可由下式計(jì)算.

式中：Voc、Vpm分別為光伏組件的開路電壓、工作電壓；Vmpptmax、Vmpptmin、Vdcmax分別為逆變器的最大輸入直流電壓、MPPT最大電壓、MPPT最小電壓；Tmin、Tmax、Tref分別為組件工作條件下的極低溫度、極高溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度（25℃）；kv、kv′分別為光伏開路電壓溫度系數(shù)和工作電壓溫度系數(shù).

例：某工程，選擇60片156×156多晶片封裝的250W光伏組件和500kW逆變器，則11.98≤N≤min｛22.35，22.74｝，為提高系統(tǒng)的效率，組件串聯(lián)數(shù)量取22.

2.3 光伏陣列間距設(shè)計(jì)

山地光伏電站場(chǎng)址地表起伏不平、朝向各異、局部伴有小型水沖溝或高原巖石芽殘丘等.在布置陣列時(shí)在南北、東西方向必須預(yù)留足夠的間距，保證每個(gè)組串都不被遮擋.

假設(shè)光伏陣列布置在一傾角為β、方位角為γn的坡面上，前排光伏陣列某一遮擋點(diǎn)垂直于水平面的高度為H.建立空間坐標(biāo)系，如圖2所示.

圖2 陣列遮擋空間模型Fig.2 Space model of array block

圖2 中O（S，E，Z）為水平面坐標(biāo)系，平面SOE表示水平面，O＇（x，y，z＇）為坡面坐標(biāo)系；∠daO＝∠CbO2＝∠AO1D為坡面傾角，用β表示；∠FOO1為太陽(yáng)高度角，用α表示；∠SOO1為太陽(yáng)方位角，用γs表示，∠aOS為坡面方位角，用γn表示，修正后的方位角為γ，即γ＝γs－γn，當(dāng)坡面朝向正南時(shí)，γn＝0，γ＝γs.

經(jīng)推導(dǎo)，遮擋物H在坡面和水平面上的遮擋可表示為.

例：位于北緯25.9°的一工程，在南偏西15°、傾角10°的坡面布置光伏陣列，陣列某一遮擋點(diǎn)垂直于水平面的高度為H.陣列的遮擋如表1所示.

表1 遮擋相關(guān)參數(shù)Table 1 Shading parameters

2.4 光伏陣列支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

山地光伏電站工程地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)內(nèi)伴有沖溝、巖石突出、土石比例分布不均勻、易形成山風(fēng)和山洪或塌方（雨季）等，在支架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需因地制宜，選擇材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造措施，計(jì)算支架在有或無地震效應(yīng)時(shí)的風(fēng)荷載（順風(fēng)和逆風(fēng)）、雪荷載、溫度荷載下支架橫梁的彎曲強(qiáng)度和彎曲量，支撐臂的壓曲（壓縮）以及拉伸強(qiáng)度，安裝螺栓的強(qiáng)度等.為了適應(yīng)復(fù)雜地形的變化，支架還應(yīng)具備一定的調(diào)節(jié)能力.

光伏陣列基礎(chǔ)，綜合考慮山地光伏電站場(chǎng)地的特點(diǎn)，本著設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求，選擇對(duì)地表擾動(dòng)較小，工程實(shí)施經(jīng)濟(jì)、方便、高效的基礎(chǔ)形式.目前采用的基礎(chǔ)主要有：微型鋼管樁基礎(chǔ)、微型鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)、錨桿式基礎(chǔ)、預(yù)制混凝土基礎(chǔ)、混凝土基礎(chǔ)等.

3 設(shè)備選擇與布置

3.1 匯流箱選擇與布置

匯流箱的作用是對(duì)多路光伏組串輸出進(jìn)行一或多級(jí)匯流，保護(hù)監(jiān)測(cè)各組串運(yùn)行.匯流箱的選擇和布置直接影響到光伏組串至匯流箱段直流電纜和匯流箱的用量、直流電纜壓降損失、系統(tǒng)的安全可靠性，對(duì)提高系統(tǒng)發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益有直接的影響.選擇匯流箱時(shí)可參照《光伏匯流箱技術(shù)規(guī)范》（CNCA／CTS 0001－2011）和工程特點(diǎn)進(jìn)行，但匯流箱的回路數(shù)需根據(jù)電站場(chǎng)地、電纜長(zhǎng)度、線損等條件確定.

假設(shè)陣列中組串呈矩陣布置，可用坐標(biāo)解析法建立數(shù)學(xué)模型，求解匯流箱布置位置及組串至匯流箱的直流電纜長(zhǎng)度.如圖3所示，一匯流箱匯集陣列中的n個(gè)光伏組串，布置覆蓋的最大面積為xm×ym，其中一光伏組串AB，正／負(fù)極（A／B）輸出用直流電纜接至匯流箱（n回路），正極坐標(biāo)為（xi＋，yi＋）、負(fù)極坐標(biāo)為（xi－，yi－）、匯流箱坐標(biāo)為（xh，yh）.

圖3 匯流箱平面布置Fig.3 Box layout of junction

經(jīng)推導(dǎo)，組串至匯流箱的直流電纜長(zhǎng)度為.

求匯流箱的位置坐標(biāo)L（xh，yh），目標(biāo)函數(shù)為.

上式可采用群體復(fù)合型進(jìn)化算法求解，為工程實(shí)際布置提供理論參考.

3.2 逆變器選擇與布置

目前光伏電站中常用的逆變器有集中式逆變器（多用于地面大型并網(wǎng)光伏電站）和組串式逆變器（多用于屋頂分布式光伏電站）.針對(duì)山地光伏電站（單位容量500kW），場(chǎng)地地形復(fù)雜，朝向各異，又無法進(jìn)行場(chǎng)地平整，若仍采用大型集中式逆變器（1臺(tái)，500kW），會(huì)造成早上或傍晚部分方陣存在遮擋，各組串輸出差異性大，系統(tǒng)的匹配性低，系統(tǒng)運(yùn)行安全隱患大，系統(tǒng)發(fā)電量降低.因此在選擇逆變器時(shí)，應(yīng)結(jié)合地形綜合考慮.1）若500kW的光伏方陣場(chǎng)地朝向和角度基本相同，周邊也不存在較高的遮擋物，可以選擇集中式逆變器，布置應(yīng)綜合考慮電纜走向的合理性、場(chǎng)平土方量少、降低投資和線損等因素，逆變器布置在方陣的中部，且位于道路兩側(cè)；2）若500kW方陣場(chǎng)地朝向各異，可根據(jù)方陣布置的實(shí)際情況，將集中在一起朝向相同的方陣作為一個(gè)子陣，選擇一臺(tái)相同容量的組串式逆變器，布置在子陣的中部，安裝可采用澆筑混凝土基礎(chǔ)或懸掛于支架立柱上.不論逆變器是采用集中式還是組串式，逆變器容量必須隨使用地的海拔、環(huán)境、太陽(yáng)能資源做出降容使用，避免實(shí)際容量超出額定容量而出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn).

4 安全性保障

4.1 防雷接地

山地光伏電站一般都在海拔相對(duì)較高的地方，遭遇雷擊的概率較一般光伏電站高.因此，需做好對(duì)直擊雷電、感應(yīng)雷電、雷電波浸入等的防護(hù)措施.整個(gè)光伏電站的接地應(yīng)充分利用支架基礎(chǔ)的金屬構(gòu)件設(shè)置接地網(wǎng)，將整個(gè)電站的接地網(wǎng)連接到一起，最大限度地降低接地電阻，同時(shí)選擇好的接地極，做好接地網(wǎng)的防腐，使接地網(wǎng)的使用壽命與光伏電站的設(shè)計(jì)壽命同步，減少運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)成本和風(fēng)險(xiǎn).

4.2 消防及監(jiān)控

山地草木較多，易因人為或雷擊等原因引起火災(zāi)，山地光伏電站與外界應(yīng)有防火帶進(jìn)行隔離，建議沿電站外圍四周修建一條較寬站內(nèi)道路，除交通運(yùn)輸功能外可承擔(dān)防火隔離帶的作用.

山地光伏電站面積廣，地形復(fù)雜，存在諸多死角，電站設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮在各個(gè)關(guān)鍵部位設(shè)立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能讓電站值守人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)方陣區(qū)域的異常.

山地光伏電站陣列中各組串工況各異，電站設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮對(duì)各組串的主要技術(shù)參數(shù)能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且結(jié)合山地光伏電站的特征，安裝能發(fā)現(xiàn)組串、匯流箱、逆變器異常的計(jì)算機(jī)分析軟件，方便值守人員能精準(zhǔn)鎖定故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障和風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)整體效率.

5 結(jié) 論

山地光伏電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)應(yīng)該結(jié)合建設(shè)場(chǎng)地實(shí)際情況，遵循降低投資、提高系統(tǒng)效率、保證系統(tǒng)運(yùn)行安全性的原則進(jìn)行.

1）陣列設(shè)計(jì)：選擇電流、電壓偏差小于0.12%，小尺寸（60片封裝最優(yōu)）的光伏組件，組串組件串聯(lián)數(shù)嚴(yán)格計(jì)算，若在高海拔、空氣透明度較好的地區(qū)，需引入組件在1.1～1.5倍標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的輸出做修正計(jì)算，確定組串組件串聯(lián)數(shù).

2）陣列間距：需要根據(jù)工程坡面角度和組件安裝角度進(jìn)行精確計(jì)算，確保一天中9：00～15：30時(shí)間段內(nèi)，任意一組件都不被遮擋.

3）支架及基礎(chǔ)：支架及基礎(chǔ)必須能適應(yīng)復(fù)雜地形的變化，應(yīng)具備一定的調(diào)節(jié)能力，盡可能做到方陣與地形有較高的匹配度，其強(qiáng)度必須滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn).

4）所選電氣設(shè)備必須隨使用地的海拔、環(huán)境、太陽(yáng)能資源做出降容使用，避免實(shí)際容量超出額定容量而出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn).其應(yīng)本著用量最省、能量損失最小、便于運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)的原則布置.

5）應(yīng)該根據(jù)電站場(chǎng)地及周邊時(shí)間情況，選設(shè)計(jì)適合的防雷接地、消防及監(jiān)控方案.

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