山地光伏电站建设方案探讨

高瑞霞 贾桂香 韩蕾

摘要：近年来，由于经济发展和生产生活的需要，中国的电力消费不断增加，这要求发电行业不断提高原有发电性能，努力开发新的发电方法。依赖太阳能的光伏电站，在电力能源资源短缺的背景下是一个很好的解决方案。光伏电站利用太阳能发电属于纯绿色资源。但是，建设发电厂需要更高的环境因素，中国北部地区地势温和，降水量少，适合光伏电站建设，如何规划和建设南部山区光伏电站一直是一个问题。

关键词：山地光伏；电站建设；方案探讨

引言

目前，由于国家森林和林业政策，将发电厂建设扩大到山地空间的浅地上建设更加困难，向广播电台发展的方向发展。使这些地区能够建设发电厂的复杂地形和较大的外部干扰因素不仅局限于制约因素的影响，而且还设计了技术创新来克服关键技术的瓶颈。采用3D技术、3S技术等，应对复杂地形对建设电厂的技术干扰，使山区能够在严格监督和监督下建设光伏发电设施，为我国的能源生产作出贡献。

1山地光伏电站特点

山地光伏电站建设场址多选址在沙化、石漠化和荒漠化的山地，其地表大都起伏不平、朝向各异、基岩裸露、覆盖层零散分布，且多为强风化砂砾岩、片岩等较为坚硬的地质条件，这些都将导致山地光伏电站建设和施工难度更大、施工周期更长，造价成本更高。但是，由于山地多处于人烟稀少的偏远地区，土地征用成本低、土地利用受限少、管理方便等优势也让其具有很大的开发利用价值。山地光伏电站因受地形地质条件限制，与地势平缓、地质条件较好地区的光伏电站相比，其光伏支架基础选型合适与否对整个光伏发电项目的建设影响更大，故在山地光伏电站建设开始前，选择兼具结构安全、施工简单且快速、造价经济的光伏支架基础是顺利且高质量建设山地光伏电站的关键。

2山地光伏电站设计及建设的困境及因素分析

2.1支架及支架基础设计难度较大

由于山区开发水平低，地面植被复盖率高，山区地形本身的对比也大得多，从而为形成更大的山区风创造了有利条件，在这种情况下，根据平原介质强度设计的介质不适合山区的自然气候问题。此外，由于山区地形复杂，传统的履带钻探设备无法使用，在这些地区部署工程需要人力，使支撑基础设施更加复杂。

2.2复杂山地地形因素的限制

我国山区的地形特点主要表现为沙化、石漠化和荒漠化较明显，其特点是小地区内的地形起伏不同，方向也不同，而且当地存在着小面积的土地如峡谷和山脉，为了在山区建设发电厂，需要更加重视支架的布置、支柱的建设和系统的布局，还需要不断考虑如何更好地适应自然状态，这使得建设山区光伏电站变得困难和昂贵等问题。

3山地地区光伏站设计建设的关键技术

3.1山地光伏支架基础选型分析

根据光伏发电项目建设场址的地形地貌分析可知，整个场址自然坡度较为平缓，基本上满足上述各类支架基础施工所需条件。进一步分析：对于混凝土独立基础，混凝土用量较大且施工时开挖土方量较大，虽然机械设备可到场，但是山地场址地形起伏不利于运输设备和开挖设备的长时间使用，且混凝土养护周期较长影响整体施工工期，故不采用此基础类型；对于螺旋钢管桩基础，由于项目场址位于南方，地表常年潮湿，支架基础易被腐蚀，且场址表面分布较多坚石不利于该支架基础打孔施工，故不采用此基础类型；对于预应力管桩基础，机械引孔会带来较高的成本，且该基础类型适用地形地质条件较为局限，故不采用此基础类型；对于微孔灌注桩基础，该基础类型适用地形地质条件较广泛、开挖量较小、成孔较为方便、混凝土钢筋用量较小、施工工艺较为成熟，故此基础类型较合适。

3.2加装减振装置

动载荷作用下的结构响应很大程度上取决于系统的阻尼特性，平单轴支架系统运行过程中始终存在来自驱动电机及外部不规则强风的动荷载影响，要求比较高的抗震性和动态安稳性。文中在横梁方管和立柱处设置方形抱箍，安装阻尼减振器，在遭到瞬时强风等不利荷载冲击时，阻尼减振器可以对外来能量进行阻尼耗散，避免对主体结构造成较大的非弹性变形，从而保证构造在遭受强风影响时，在极短的时间里康复到需求的安稳状态。同时，安装阻尼减振器，还可以有效地减小平单轴系统机械构造中呈现的共振振幅，进一步防止光伏组件因动应力到达极限形成隐裂破坏。

3.3太阳能电池阵列子方阵设计

光伏组件的串联数和并联数受到光伏组件自身参数、逆变器参数与当地温度条件的限制。其中，光伏组件串联的数量由逆变器的最高输入电压和最低工作电压，以及光伏组件允许的最大系统电压所确定。光伏组件的并联数量由逆变器的额定容量所确定。根据GB50797—2012《光伏电站设计规范》中所选光伏组件串联数的计算公式，光伏组件的工作电压为800~1500V(正常范围)，电池组件的最大空闲电压大于1500V电阻电压。容配比被定义为连接至逆变器的光伏组件的在标准测试条件下的峰值功率之和/逆变器额定输出功率。光伏发电时，由于阻尼、光伏组件损失、近阴影损失、污秽损失、逆变器损失、系统损失以及不同地区不同安装倾角下有效峰值日照时数等因素的共同影响，模块的整体性能可以相应提高，以适应系统的经济性。采用PVsyst软件，根据场地面积辐照数据和要应用的阵列布局进行仿真。阵列倾斜角度选择发电的最佳倾斜角度，距离是基于阵列在当地冬至9:00~3:00不会互相阻塞的原则。基于局部辐照，当分量功率小于或等于逆变器额定功率时，逆变器可提供全功率；当模块的理论性能超过逆变器额定功率的110%时，实际性能受到逆变器最大输出功率的限制，导致曝光抑制。如某山地项目，项目所在地环境温度-18.4℃至38.9℃，拟选用196kW的组串式逆变器及540Wp双面单晶硅光伏组件，196kW逆变器的MPPT电压范围为500V至1500V，逆变器允许输入最大电压1500V，540Wp双面单晶硅光伏组件的最大系统电压为1500V，开路电压49.5V，工作电压41.65V。按照满足逆变器最大直流输入电压要求计算得组件串联数N≤26.98，按照满足MPPT输入电压范围要求计算知12.62≤组件串联数N≤31.27，根据以上条件计算，综合考虑支架布置情况等因素，最终确定该项目选用光伏组件的串联数量为26块。依据逆变器允许的最大直流输入功率必须大于其对应的光伏方阵的实际最大直流输出功率以及光伏发电系统设计中的工程经验，通常使用光伏组串的并联数量为逆变器的额定功率/（组件最大输出功率×光伏组件串联个数）。按照上述已确定的光伏组件串联数，结合电站的布置和逆变器的额定功率来确定本项目光伏组串的并联数量。每个单晶硅组件串联后的额定功率=0.540kWp×26=14.04kWp，按照1.2容配比设置，每台196kW组串式逆变器所并联的组串路数为N≈17路。

3.4山地光伏组件布置间距的控制

关于光伏发电，根据业界要求，光伏发电的地点必须达到每天6小时的最低日照量，山地地形复杂多变。如何在不相互晒太阳的情况下科学地组织光伏发电的组成部分，是一个难以解决的问题。因此决定采用RS、GIS和GPS，即“3S”技术。从山区地形的坡度和外观研究出发，结合光伏载体的规范，可以在3s空间分析中实现光伏模块布局阵列的分布规划，得到阵列间距的设计图，借助“3S”技术，规划人员可以方便地分析光伏电站选址的地形因素，并根据地形特点分配光伏组件，更好地解决了光伏组件布局区域过大、过去由于间距均匀而占用面积过大的问题。

3.5光伏组件柔性支架技术方案

针对山地光伏电站地块朝向变化剧烈，坡度起伏较大的地形特点，光伏组件安装时建议采用柔性支架的技术方案。柔性支架采用两固定点之间张拉预应力钢绞线的方式，两固定点采用钢性基础提供反力，可实现10～30m大间距。通过将光伏组件固定在张紧于两柱间的钢绞线上的方式来简化组件支架系统。一方面柔性支架能解决山地地形的不利影响，使用未利用地建设地面光伏电站，节约土地资源；另一方面经过几年的发展，柔性支架技术已趋成熟，造价也相应降低，柔性支架技术方案在山地光伏电站建设中更应得到积极应用。

结束语

作为一种新型清洁能源电站，光伏电站在山地光伏地区具有广阔的发展前景，但分布式光伏电站毕竟运行时间较短，人们对其建设过程存在的相关问题了解不多，需要电力等部门深入了解其运维规律，针对建设中的问题确定并采取改进措施，从而不断提高发电功率，降低运营成本。

参考文献

[1]李冉.山地光伏电站关键设计技术研究[D].山东大学,2019.

[2]李刚,袁强,吴穹,江浩,赵常明.四川高海拔山地光伏电站建设总结[J].科技资讯,2019,17(32):30-32..

[3]董国飞.山地光伏电站设计建设的关键技术研究[J].电工技术,2019(12):102-103..

[4]李雪英.山地光伏电站方阵布置方法分析[J].四川水泥,2018(11):277.

[5]买发军,吕丹,白荣丽.山地光伏电站总图布置方法及施工难点解决方案[J].太阳能,2018(07):76-78.