太陽能光伏電站總平面布置及豎向設(shè)計(jì)優(yōu)化——大唐包頭固陽縣金山光伏電場一期20MWp項(xiàng)目

內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院 ■ 楊輝東 孫建

一 引言

現(xiàn)階段能源消費(fèi)主要依賴石油、煤炭和天然氣等化石燃料。根據(jù)權(quán)威報(bào)告分析，在可預(yù)見的未來，常規(guī)化石燃料將逐步枯竭，并且常規(guī)化石燃料燃燒產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、硫化物、氮化物等污染源，對環(huán)境破壞嚴(yán)重。故太陽能、風(fēng)能、潮汐能和生物質(zhì)能等可再生能源越來越受到人們的青睞。

太陽能以其取之不盡、用之不竭、隨處可得、就近供電、運(yùn)行成本低、不易損壞、維護(hù)簡單、無污染、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，使其開發(fā)與利用日趨受到各國的普遍重視，已成為新能源領(lǐng)域中技術(shù)相對成熟、開發(fā)利用水平較高、具有商業(yè)化發(fā)展條件的新型能源之一。

現(xiàn)有較成熟的、規(guī)?；柲馨l(fā)電有光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電(塔式、碟式或槽式)兩種形式。其中光伏發(fā)電直接將光能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電過程中不產(chǎn)生任何污染物或廢棄物，是太陽能利用的有效方法。本文僅對太陽能光伏發(fā)電總平面布置及豎向設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

二 站區(qū)總平面布置

太陽能光伏發(fā)電具有單位容量占地面積大的特點(diǎn)。根據(jù)地域、地形不同，每MW光伏發(fā)電占地在2.0～2.3hm2。為減少征地費(fèi)用，站區(qū)總平面布置時(shí)，應(yīng)在滿足工藝、消防、檢修等要求前提下，盡量做到占地面積最小。

規(guī)模化光伏發(fā)電站區(qū)常規(guī)由管理站區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)域兩部分構(gòu)成。其中管理站區(qū)由站區(qū)生產(chǎn)管理區(qū)、配電區(qū)、生活區(qū)等構(gòu)成，主要建(構(gòu))筑物有主控樓、服務(wù)樓、消防水及生活水泵房、污水處理系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、配電室、變壓器、110kV屋外配電裝置等；光伏發(fā)電區(qū)域主要建(構(gòu))筑物有光伏發(fā)電板及支架、分站房、箱變、380/220V配電間等。其中管理站區(qū)占總面積的2%～4%，光伏發(fā)電區(qū)域占總面積的96%～98%，故優(yōu)化光伏發(fā)電區(qū)域的總平面布置形式對控制整個(gè)光伏電站的占地面積具有決定性因素。

影響光伏發(fā)電區(qū)域總平面布置的因素主要有光伏方陣的安裝方式、光伏組件布置的方位角、傾角、陰影計(jì)算以及設(shè)計(jì)坡度等。

(1)光伏方陣的安裝方式有簡單的固定式、傾角季度調(diào)節(jié)式和自動(dòng)跟蹤式3種類型。自動(dòng)跟蹤式又可分為單軸跟蹤、雙軸跟蹤兩種類型。

(2)太陽電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角。通常，當(dāng)方陣夾角為0?，即電池方陣朝向正南時(shí)，電池發(fā)電量最大；方陣偏離正南方向角度越大，發(fā)電量損失越大。

(3)傾角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，使方陣年發(fā)電量最大時(shí)的傾角為最佳傾角。緯度越大則傾角越大。

(4)太陽光直接照射太陽電池板時(shí)，電池發(fā)電量最大；相應(yīng)電池板被遮擋，只靠太陽散射發(fā)電時(shí)，電池發(fā)電量減少10%～20%。為防止前排電池方陣對后排電池方陣遮擋，前后排方陣應(yīng)留有足夠的距離。

設(shè)方陣高度為H，其南北方向的陰影長度為D，太陽仰角為α，在方位角為β時(shí)，假設(shè)陰影的倍率為R，則：

此式應(yīng)按冬至日進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槎寥盏年幱白铋L。例如方陣的上邊緣高度為h1，下邊緣高度為 h2，則方陣之間的距離為 D=(h1? h2)×R。

通過陰影遮擋計(jì)算確定行距。假設(shè)場平坡度為0?，光伏方陣行距應(yīng)不小于式(2)的D值：

式中：ˉ為緯度(在北半球?yàn)檎?、在南半球?yàn)樨?fù))；H為光伏方陣上下邊的高度差。

根據(jù)式(1)(β=0)，可得：

仰角α=arccot D/H

設(shè)場平設(shè)計(jì)坡度為X，如果北高南低，X為正值，相反則為負(fù)值；設(shè)計(jì)地面線與水平線的夾角為arctanX。

則光伏方陣前后行距不小于式(3)的L值：

為方便施工，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)將L值在小數(shù)點(diǎn)后一位取整，例如5.423取值為5.5。

(5)光伏發(fā)電常規(guī)由1MW光伏電池板組成一發(fā)電單元，每1MW光伏發(fā)電單元配置一分站房與箱變，由站區(qū)檢修道路將每1MW光伏發(fā)電單元分成兩部分，根據(jù)工藝要求，部分發(fā)電單元內(nèi)布置一380/220V配電間。

圖2 多晶硅(230型)電池方陣

每1MW光伏發(fā)電單元由多個(gè)電池方陣呈陣列布置，根據(jù)電池板單位功率不同，相應(yīng)的電池方陣數(shù)目不同。以多晶硅230(每塊電池板的功率為230W)類型光伏組件為例：每40塊電池板構(gòu)成一個(gè)電池方陣，每1MW光伏發(fā)電單元由109個(gè)電池方陣組成。

根據(jù)地形、征地情況等各種外部條件不同，每1MW光伏發(fā)電單元布置方式呈矩形、平行四邊形或不規(guī)則形布置。以大唐包頭固陽縣金山光伏電場一期20MWp項(xiàng)目為例：每1MW光伏發(fā)電單元呈矩形布置，由8列×14行電池方陣構(gòu)成。

以多晶硅230(30V)類型光伏組件為例：每1MW光伏發(fā)電單元共安裝4360件230W(30V)光伏板組件，每20件光伏板組件串聯(lián)為一個(gè)支路，共218個(gè)支路；故每個(gè)支路的出口電壓為600 V，電壓較低。為降低低壓線損，將分站房與箱變布置于該單元的中部，這種布置低壓集電線路較短，如圖3所示。

圖3 左右各1MW光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電總平面布置時(shí)主要考慮光伏發(fā)電區(qū)域的布置，在滿足前后不遮陰的前提下，前后電池方陣距離應(yīng)盡量小。如征地不受限，光伏發(fā)電單元應(yīng)布置成矩形，占地最小，施工方便；如征地范圍不規(guī)則，則可根據(jù)具體征地線將光伏板布置成平行四邊形或不規(guī)則形。

三 站區(qū)豎向設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電的豎向設(shè)計(jì)就是將站區(qū)自然地形加以改造平整，進(jìn)行豎向布置，使改造后的設(shè)計(jì)地面滿足防洪、防澇、場地排水、光伏發(fā)電等使用要求。豎向布置形式按整平面之間的連接方式不同分為平坡式、臺(tái)階式和混合式3種。

平坡式的定義為“將用地處理成一個(gè)或幾個(gè)坡向的整平面，坡度和標(biāo)高沒有劇烈的變化[1]。”臺(tái)階式為“由兩個(gè)標(biāo)高差較大的不同整平面相連接而成的，在連接處一般設(shè)置擋土墻或護(hù)坡等構(gòu)筑物[1]?！被旌鲜蕉x為“即平坡和臺(tái)階混合使用，如根據(jù)使用要求和地表特點(diǎn)，把建設(shè)用地分為幾個(gè)大的區(qū)域，每個(gè)大的區(qū)域用平坡式改造地形，而坡面相接處用臺(tái)階連接[1]?！?/p>

由于光伏發(fā)電單位容量占地面積大，導(dǎo)致工程場平工程量大。在豎向設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各種不同的自然地形條件，可通過采用臺(tái)階式布置、增加或減少設(shè)計(jì)坡度等各種豎向優(yōu)化方法，減少場平工程量，達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。

四 工程實(shí)例

大唐包頭固陽縣金山光伏電場一期20MWp項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古包頭市固陽縣政府所在地金山鎮(zhèn)西北側(cè)約5km處。工程規(guī)劃容量100MWp，本期容量為20MWp，光伏發(fā)電系統(tǒng)由20個(gè)1MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電分區(qū)組成，光伏組件全部采用多晶硅。

工程站址位于山前坡地上，地勢較高，地形復(fù)雜，自然標(biāo)高在1425.00～1459.50m之間。自然坡度總體北高南低、中間高兩側(cè)低，其中南北向自然坡度約為2%，東西向自然坡度在1%～10%。站址西側(cè)邊界緊鄰一條季節(jié)性山洪溝，寬約150m，深約1m，根據(jù)水文氣象報(bào)告分析：該無名溝發(fā)生百年一遇洪水時(shí)，山洪不會(huì)出槽，對太陽能設(shè)施無威脅，由于站址地勢較高，因此不受內(nèi)澇洪水的威脅。

根據(jù)站址地形條件，站區(qū)采用臺(tái)階式布置，該布置方式將站區(qū)分為東西兩個(gè)相對獨(dú)立的區(qū)域。站區(qū)東側(cè)由北向南依次布置有6MWp太陽能發(fā)電單元、管理站區(qū)；站區(qū)西側(cè)布置有14MWp太陽能發(fā)電單元。兩區(qū)域之間通過站區(qū)南側(cè)、北側(cè)兩條砂石路面檢修道路連接。

管理站區(qū)內(nèi)東側(cè)由北向南依次為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、10kV配電室、110kV屋外配電裝置；主控樓位于管理站區(qū)的西側(cè)中部，服務(wù)樓位于其北側(cè)；生活水及反滲透處理室緊鄰服務(wù)樓西側(cè)布置，管線短捷；主控樓南側(cè)相應(yīng)布置了廣場和綠化用地；進(jìn)站道路由南側(cè)進(jìn)入站區(qū)。

由于自然坡度較大，本工程豎向設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮減少土石方工程量，為滿足該條件，本工程分別采用臺(tái)階式布置方式結(jié)合東西向設(shè)計(jì)坡度，其中東西兩臺(tái)階最大高差值為5.3m。站區(qū)豎向總體坡度由北向南采用2%的坡度，東西向設(shè)計(jì)坡度在0%～2%之間。

圖4 臺(tái)階式布置方式

圖5 平坡式布置方式

圖6 臺(tái)階式布置的土方斷面圖

由于東西方向有最大2%的設(shè)計(jì)坡度，導(dǎo)致左右相鄰的兩組光伏方陣最大高差值為0.4m。為減少陰影對發(fā)電量的影響，平面布置時(shí)將該光伏方陣左右間距由0.5m增大至2.0m，且單組光伏方陣東西支架長度最大相差約0.3m，故土建專業(yè)應(yīng)將支架設(shè)計(jì)成高低可調(diào)式，安裝時(shí)可通過調(diào)節(jié)支架下部螺栓來調(diào)整光伏方陣的高低。

圖7 平坡式布置的土方斷面圖

表1 臺(tái)階式布置方案與平坡式布置方案工程量、造價(jià)比較表

通過該工程可以發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階式布置較平坡式布置增加了站區(qū)占地面積和檢修道路的長度，但通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，節(jié)約工程投資約226.21萬元。

五 結(jié)論

光伏發(fā)電總平面布置時(shí)，光伏板在滿足前后不遮陰的前提下，前后電池方陣距離應(yīng)盡量小，光伏發(fā)電單元在條件許可的情況下應(yīng)盡量布置成矩形，最大限度節(jié)約用地。

由于光伏發(fā)電占地面積較大，豎向設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與總平面布置統(tǒng)一考慮，在滿足防洪、防澇的前提下，確定合理的豎向布置方式以減少場平工程量。如東西向自然坡度小于2%時(shí)，適合采用平坡式布置方式；當(dāng)東西向自然坡度大于3%或自然坡度在2%～3%之間，但站區(qū)東西向長度大于400m時(shí)，宜采用臺(tái)階式布置方式；南北向自然坡度在8%以上應(yīng)采用臺(tái)階式布置方式。

[1]呂斌，馮健, 等. 城市規(guī)劃相關(guān)知識(shí)[M]. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 2011: 70－71.

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