晋南地区山地光伏发电项目设计优化研究.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.18 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯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)摘要：根据国家最新光伏发电项目用地政策的要求，光伏方阵用地不得占用耕地。为此山西省部分2022年之前获取建设指标的光伏发电项目，用地发生了较大的调整，从最初的大部分农光互补的模式到最终的山地模式，项目最初的设计思路已经无法匹配山地的地貌、地质特征。为此，该文以山西晋南某100 MW光伏发电项目为例，在支架基础、支架安装、阵列布置等方面实现了设计方案优化，有效促进了项目的工程建设。关键词：光伏发电 山地 晋南地区 设计方案优化中图分类号：TM615文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)18-0176-06Research on the Design Optimization of Photovoltaic Power Generation Projects in Mountainous Areas in the South Region of ShanxiGUO Wengan WU Jinlu ZHANG Xingxing QIAN Xiang(Guangdong Yuedian Zhanjiang Wind Power Generation Co.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong Province,524030 China)Abstract:According to the requirements of the latest land use policy for national photovoltaic power generation projects,the land used for photovoltaic arrays shall not occupy arable land.For this reason,some photovoltaic power generation projects in Shanxi Province that obtained construction indicators before 2022 have undergone great adjustments in land use,from most of the complementary mode of agriculture and photovoltaic power generation in the beginning to the mode of mountainous areas in the end,and the initial design concept of the project is no longer able to match the terrain and geological characteristics of mountainous areas.Therefore,this article takes a 100 MW photovoltaic power generation project in the south region of Shanxi as an example,and optimizes the design scheme in bracket foundation,bracket installation,array layout and other aspects,which effectively promotes the construction of the project.Key Words:Photovoltaic power generation;Mountainous area;South region of Shanxi;Design scheme optimization2023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。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DOI：10.16661/ki.1672-3791.2305-5042-8118作者简介：郭文敢（1987），男，本科，工程师，研究方向为新能源项目开发及工程管理。武晋禄（1995），男，本科，助理工程师，研究方向为电力工程管理。张星星（1982），男，大专，助理工程师，研究方向为电力工程管理。176SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.18 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION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0.1600.180 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。施工现场地块坡度存在多样化的现象，偏东或者图1 原地貌图2 山地地貌177SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.18 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯偏西坡也比较多，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。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，为大组图4 支架基础排布图图3 支架及基础侧视图178SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.18 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION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19912000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。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图5 支架结构应力分析图图6 PVsyst模拟最佳倾角179SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.18 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯大，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。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。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。表1 晋南地区部分光伏电站安装倾角统计序号1234项目吉县金智光伏电站山西天惠光伏电站曲沃晋南钢铁光伏电站曲沃华能光伏电站安装倾角/26262022海拔高程/m900900400400图7 PVsyst模拟最佳倾角（夏季最大）180SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.18 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION1.3 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。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。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。参考文献1 自然资源部办公厅.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(自然资办发 2023 12号)R/OL.(2023-03-20)2023-03-20.https:/ 程宇旭.大型山地光伏发电系统应用问题浅析和优化设计探讨J.科技创新导报,2022,19(20):115-117.3 任龙.山地光伏电站项目施工管理对策研究J.中小企业管理与科技,2022(8):47-49.4 张磊.关于山地光伏电站组件支架及基础的方案设计分析J.建筑工程技术与设计,2017(33):1354-1354.5 陈琦,王海华,韩学栋,等.双面组件阵列辐照模拟与系统效率分析J.可再生能源,2022,40(12):1591-1595.6 陈全超,张彦昌.光伏组串东西向阴影遮挡整改方案的讨论J.太阳能,2022(6):14-19.7 王怀斌,胡芳,刘伊雯.光伏阵列倾角与土地成本双因素影响下的光伏发电项目经济性分析研究J.太阳能,2022(8):19-26.8 王辉,冯征,王恩镇,等.光伏组件不同布置倾角对发电量影响的研究J.能源与节能,2022(11):7-12.图8 东西坡阴影模型表2 不同安装方位角对比序号1234567安装方位角/051015202530降低比例/%00.10.20.40.711.7181