■ 王慶偉劉慶超馮磊徐征

(1.華電電力科學(xué)研究院；2.華電福新能源股份有限公司；3.北京交通大學(xué)理學(xué)院太陽(yáng)能研究所)

山地光伏電站陰坡利用方式研究

■ 王慶偉1*劉慶超1馮磊2徐征3

(1.華電電力科學(xué)研究院；2.華電福新能源股份有限公司；3.北京交通大學(xué)理學(xué)院太陽(yáng)能研究所)

隨著光伏發(fā)電的普及，如何合理高效地利用有限的土地資源是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，中東部地區(qū)山地光伏電站陰坡成為被忽視的寶貴資源。本文以光伏發(fā)電特點(diǎn)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同情況，分別列舉分析了3種陰坡的利用方式，為今后山地光伏的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了參考。

山地光伏；陰坡利用；階梯改造；反射鏡陣列

0　引言

近年來(lái)，全國(guó)性的霧霾蔓延問(wèn)題已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，最大限度地降低污染物排放、合理優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高可再生能源比例，是治理環(huán)境污染和化解霧霾危機(jī)的有效手段。為此，國(guó)家逐年加大對(duì)以風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)電的核準(zhǔn)規(guī)模，光伏市場(chǎng)在政策和市場(chǎng)的雙重驅(qū)動(dòng)下，被挖掘出了更大的潛能。數(shù)據(jù)顯示，2015年我國(guó)光伏新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)15 GW，同比增長(zhǎng)40%以上，全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量約43 GW，已超越德國(guó)成為全球光伏累計(jì)裝機(jī)量第一大國(guó)。

據(jù)中國(guó)光伏協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2016年國(guó)內(nèi)外光伏新增裝機(jī)量將超過(guò)58 GW。預(yù)計(jì)我國(guó)在“領(lǐng)跑者”計(jì)劃和電價(jià)下調(diào)帶來(lái)的搶裝帶動(dòng)下，全年光伏新增裝機(jī)量將超過(guò)20 GW。

1　山地光伏電站特點(diǎn)

面對(duì)巨大的光伏發(fā)電市場(chǎng)空間，隨之而來(lái)的是優(yōu)質(zhì)土地資源的匱乏。受?chē)?guó)家區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡的影響，我國(guó)土地資源最豐富的西北地區(qū)缺乏良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，用電負(fù)荷需求較低，同時(shí)受制于電網(wǎng)送出工程的建設(shè)進(jìn)程，西部已建成的大型光伏電站經(jīng)常要面臨棄光限電問(wèn)題的困擾，地面光伏電站的投資風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大；而經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，用電需求較大的中東部地區(qū)的優(yōu)質(zhì)土地資源受到租金成本的限制，開(kāi)發(fā)難度巨大。隨著稀缺的優(yōu)質(zhì)土地資源被瓜分殆盡，開(kāi)發(fā)和利用中東部地區(qū)的山地光伏逐漸成為很多光伏企業(yè)的不二選擇。

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)的光伏電站，建設(shè)場(chǎng)地多為荒山，具有土地成本低、管理方便(山區(qū)人少)、對(duì)生活的擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是地表起伏不平、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，運(yùn)行維護(hù)成本較高。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］。

2　山地光伏電站陰坡利用方式

在進(jìn)行山地光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)項(xiàng)目地址的經(jīng)、緯度確定光伏組件的最佳傾角，以山地陽(yáng)坡(南坡)作為光伏組件鋪設(shè)的首選，再考慮坡度相對(duì)較小的東、西坡，最后考慮陰坡(北坡)。一般情況下，若陰坡坡度較小(≤5°)，可以考慮布置光伏組件，此時(shí)為彌補(bǔ)坡向所致陰影對(duì)光照時(shí)間的影響，應(yīng)適當(dāng)增大組件間距，同時(shí)會(huì)耗費(fèi)更多的光伏支架，施工難度和材料成本相應(yīng)增加；若陰坡坡度較大(＞5°)，則這一部分常常被舍棄，成為被浪費(fèi)的資源。因此，如何利用陰坡為電站創(chuàng)造更大的效益，是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.1修造階梯狀陰坡

對(duì)于坡度較小的陰坡，如果直接安裝光伏組件，為避免布置角度所導(dǎo)致的陰影遮擋問(wèn)題，通常要將光伏陣列間距拉大；同時(shí)，后排支架要做得更高，才能使后排組件達(dá)到最佳傾角，如圖1所示。

圖1　陰坡組件安裝角度

圖1中，α為根據(jù)項(xiàng)目所在地坐標(biāo)及當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源確定的組件布置最佳傾角；β為陰坡坡度；L為組件陣列寬度；ΔH為陰坡布置相對(duì)于平地布置所增設(shè)的支架高度。根據(jù)三角形幾何特性，有：

則可求解出所增加的光伏支架高度為：

如此布置光伏組件不僅在一定程度上浪費(fèi)了土地資源，還耗費(fèi)了更多的支架材料，不利于光伏項(xiàng)目的成本控制。

日本宮崎4.3 MW光伏電站建設(shè)在宮崎市大字吉野的山北坡上。北側(cè)向下的山坡因日照和電池板配置條件的原因，并不適合光伏發(fā)電。項(xiàng)目單位特意將陰坡占地平整為四級(jí)階梯，如圖2所示，改善了日照條件，鋪設(shè)了更多的光伏組件。

圖2　工程北坡鳥(niǎo)瞰圖

對(duì)于山坡改為階梯的實(shí)用效果，本文僅以二級(jí)階梯為例進(jìn)行分析。

對(duì)于原始山坡的優(yōu)化，在沒(méi)有增減土方、盡可能降低工程量的情況下進(jìn)行，得到如圖3所示的階梯結(jié)構(gòu)。圖3中，光伏組件后方直線(xiàn)為假設(shè)冬至日9∶00～15∶00組件不發(fā)生遮擋的最大邊界，即陰影范圍；原始山坡與階梯狀陰坡組件排布嚴(yán)格按照陰影范圍鋪設(shè)。

圖3　階梯改造效果對(duì)比

由圖3可知，原始山坡經(jīng)過(guò)階梯改造之后，可視范圍內(nèi)鋪設(shè)的組件陣列排數(shù)由10增加到13，增容率達(dá)到13%，大幅增加了土地利用率；同時(shí)加上單位陣列節(jié)省的支架數(shù)量，相對(duì)于所增加的土建工程量，是十分劃算的。

2.2種植植被，降溫阻塵

對(duì)于坡度較大且起伏較多、平整度較差的陰坡，階梯改造的工程量巨大，基本不具備鋪設(shè)組件的條件，因此，可以采取其他措施加以改造。

目前，絕大多數(shù)光伏組件是以晶體硅作為芯片材料，受制于半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)，溫度對(duì)于光伏系統(tǒng)效率的影響非常重要。

如圖4所示，隨著太陽(yáng)電池溫度的增加，開(kāi)路電壓減小，在20～100 ℃范圍內(nèi)，約每升高1 ℃，每片電池的電壓減小2 mV；而光電流隨溫度的增加略有上升，約每升高1 ℃，每片電池的光電流增加1‰，約為0.03 mA/(℃?cm2)?？偟膩?lái)說(shuō)，溫度升高，太陽(yáng)電池的功率隨之下降，典型溫度系數(shù)為-0.35%/℃；也就是說(shuō)，如果太陽(yáng)電池溫度每升高1 ℃，則功率減少0.35%［2］。

圖4　不同溫度下的太陽(yáng)電池I-V 曲線(xiàn)

在陰坡種植喜陰植被，如圖5所示，不僅能夠美化電站環(huán)境，降低風(fēng)沙和灰塵的附著，還可以利用植物的蒸騰作用有效降低周?chē)h(huán)境溫度，間接提高太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高光伏電站發(fā)電量；同時(shí)，植物的根系可以起到水土保持的作用，從而降低水土流失、山體滑坡及泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5　種植喜陰植物的山地光伏電站

2.3安裝大型反射鏡陣列

對(duì)于坡度較大、平整度較好的陰坡，階梯改造土建工程量依然較大，因此，可以考慮將坡面進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，采用鋪設(shè)固定式平面反射鏡陣列的方式進(jìn)行改造。

反射鏡陣列可以將傾斜入射的光線(xiàn)反射至相鄰的鋪設(shè)光伏陣列的陽(yáng)坡上，增加單位面積組件所接受的輻射量，從而提高光伏電站總體發(fā)電量和土地利用率，可最大限度地利用這一部分損失的光能和土地資源。

如圖6所示，左側(cè)為陰坡，在初步平整過(guò)的坡面上鋪設(shè)平面反射鏡陣列；右側(cè)為陽(yáng)坡，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)、緯度及氣象數(shù)據(jù)確定的最佳傾角排布光伏組件陣列。陰坡的反射鏡陣列會(huì)將傾斜入射的太陽(yáng)光反射到陽(yáng)坡的光伏組件表面，從而達(dá)到提高單位面積光伏組件表面接收到的輻射量的效果。

圖6　陰坡平面反射鏡安裝示意圖

需要注意的是，由于太陽(yáng)的角度在實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致反射后的光線(xiàn)不會(huì)固定在同一區(qū)域，而是隨著時(shí)間的變化而移動(dòng)，會(huì)在一定程度上造成光伏陣列接收的輻射量出現(xiàn)明顯差異，造成失配現(xiàn)象。因此，此種模式不適合將系統(tǒng)接入采用單路MPPT追蹤的集中式逆變器，而多路追蹤的組串式逆變器可以更好地將該模式的優(yōu)勢(shì)放大、缺點(diǎn)彌補(bǔ)，可最大限度地獲取經(jīng)濟(jì)效益。

3　結(jié)論

在光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展且土地資源，特別是中東部地區(qū)優(yōu)質(zhì)光伏資源嚴(yán)重稀缺的背景下，合理利用好山地建設(shè)光伏電站，將以往被忽略的陰坡資源“變廢為寶”，是一項(xiàng)十分重要的研究。本文通過(guò)對(duì)3種山地光伏電站陰坡利用方式的分析和探討，為今后山地光伏的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了參考，同時(shí)也在一定程度上增加了光伏資源的開(kāi)發(fā)潛力，為進(jìn)一步擴(kuò)大光伏資源的覆蓋范圍開(kāi)辟了一條新思路。

［1］欒石林, 李光明, 廖華, 等. 太陽(yáng)能山地光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 34(5)∶ 25－31.

［2］張雪莉, 劉其輝, 馬會(huì)萌, 等. 光伏電站輸出功率影響因素分析［J］. 電網(wǎng)與清潔能源, 2012, 28(5)∶ 75－81.

2016-03-28

王慶偉(1986—)，男，碩士研究生、工程師，主要從事光伏系統(tǒng)的研究檢測(cè)工作。qingwei-wang@chder.com