山地扶貧電站組件布置優化研究及其應用

錢一民，丁 凱 ，胡羽川，季 斌

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

山地扶貧電站組件布置優化研究及其應用

錢一民1，丁 凱1，胡羽川1，季 斌2

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

為響應國家光伏扶貧政策，國家電網公司從2016年開始在湖北“三縣一區”開展了陽光扶貧電站的建設。分析了陽光扶貧電站建設選址的山地特點，根據光伏陣列的地理位置、山地坡度、光伏陣列傾角、光伏板件尺寸以及周圍環境等多方面因素，提出了山地陽光扶貧電站固定式光伏陣列的布置優化設計方法，并在2016年湖北“三縣一區”的3個陽光扶貧電站建設中得到實際應用。該方法不僅提高了土地利用率，避免了土地資源浪費，而且提高了陽光扶貧電站的發電效率和收益，間接提高了陽光扶貧工程的扶貧力度，獲得了良好的社會影響力。

扶貧電站；光伏組件；布置優化；山地

0 引言

陽光扶貧是國家精準扶貧十大工程之一。為深入貫徹落實中央扶貧工作會議精神，國家能源局印發了《國家能源局關于加快貧困地區能源開發建設推進脫貧攻堅的實施意見》。國家電網公司為響應國家光伏扶貧政策，決定實施“國網陽光扶貧行動”，在湖北、青海五個定點扶貧縣開展光伏扶貧電站建設工程。通過實施光伏扶貧，利用貧困地區太陽能資源，建設光伏發電項目，將發電收益用于扶貧，可以讓貧困戶有長期、穩定、可持續的收入，承擔起造福貧困群眾的重任。2016年1月15日，湖北省能源局、扶貧辦印發《湖北省光伏扶貧工程實施方案》。國網湖北省電力公司積極開展“三縣一區”（即宜昌秭歸縣、宜昌長陽縣、恩施巴東縣和神農架林區）光伏發電扶貧項目建設，發電收益全部捐贈給貧困戶，助力貧困人口脫貧。

由于“三縣一區”屬于我國太陽能區劃的三類地區，平均年總輻射量為4 000 MJ/m2，全年日照小時數為1 550 h左右，這與甘肅、寧夏等地光照條件差距明顯。另一方面“三縣一區”的地質條件多是山地丘陵，耕地資源十分寶貴，興建光伏扶貧電站的選址不能占用基本農田、林地等土地，不得更改土地性質。這就使得所建光伏發電項目只能利用荒山、荒坡等地塊進行建設[1-2]。而山地陡坡等復雜地貌特點導致山地扶貧電站設計不同于平原地面光伏電站設計理念，特別是光伏組件的布置，如果照搬平原電站設計方式，無法適應山地環境特點，會造成光伏布置與自然條件不協調、發電系統損耗大、土地資源浪費等問題，直接影響扶貧電站的扶貧收益[3-4]。因此，需要結合山地環境特點，開展山地扶貧電站組件布置優化研究及其應用，以提高土地利用率，保障扶貧效益。

1 山地光伏扶貧電站建設選址特點

山地光伏扶貧電站建設在山地、丘陵等復雜地形條件下，設計難度大，建設成本較高，與建設在地勢平坦的平原光伏電站相比，存在以下特點。

1）土地資源緊張

湖北“三縣一區”屬高山峻嶺地區，森林覆蓋率高，境內主要為山地、林地、耕地（果園）和湖泊，可用于建設扶貧光伏電站的土地資源少，特別是建設大型光伏電站的成規模土地更為緊張。

2）地形條件復雜

站址地形不平整，建設地表起伏不平、朝向各異、局部伴有山溝，具有一定的坡度復雜性，地形可使用面積不規則、分散，土地利用率要求高。

3）施工難度大

電站建設占地性質主要為未開發地，“三縣一區”等貧困地區交通條件較差，施工建設很難依靠大型機械進行，建設成本控制困難。

2 光伏組件布置優化

2.1 光伏組件布置原則

山地光伏扶貧電站建設因其土地資源緊張、地形條件復雜、施工難度大等特點，因此對光伏工程設計，尤其是光伏組件布置提出了更高的要求。考慮到布置區域地表起伏不平、地形條件復雜，若對全部場地進行土地平整，平整難度及土方量均較大，不僅增加工程造價而且對原有地形地貌造成破壞。最佳的布置原則是因地制宜、簡單處理、依地勢而建，利用不同朝向的坡面安裝光伏組件，兼顧系統效率、與自然的協調性、經濟性、安全性等進行綜合考慮。

盡量利用閑置的空地、荒地，地形較平整，無嚴重地質災害的地區。將場區坡向、坡度相近區域劃分為一個用地單元。其余區域均利用現有的自然地形，以土方開挖工程量最小為原則，并保持場區原有排水坡向。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。

由于在施工安裝過程中，若光伏陣列間距偏小，則會導致前排組件與后排組件之間產生陰影遮擋，根據光伏組件的特性，組件被遮擋后性能將產生明顯變化甚至損壞，并導致各自所在組串產生電壓及電流差異，增加光伏陣列不匹配度，降低陣列發電量，從而影響到整個光伏系統的發電效率及運營安全；若間距偏大，則會造成光伏陣列占地面積增加，降低場地使用率或使裝機容量減小，同樣影響到光伏電站的經濟效益。因此需要根據光伏陣列的地理位置、山地坡度、光伏陣列傾角、光伏板件尺寸以及周圍環境等多方面素，對光伏組件間距進行優化。

2.2 山地光伏組件間距優化

在光伏發電工程設計中，關于固定式光伏方陣傾角選擇及各排、列的布置間距，《光伏發電站設計規范》（GB 50797－2012）[5]中規定：光伏方陣各排、列的布置間距應保證每天9:00-15:00（當地真太陽時）時段內前、后、左、右互不遮擋，并在條文說明中給出了光伏方陣各排、列布置間距的計算公式。

式中：L為光伏方陣縱向寬度；Z為光伏方陣傾角；φ為當地緯度。

具體計算如圖1所示，由圖1可以看出方陣間距為

式中：β為太陽方位角；a為太陽高度角；H為前后光伏方陣相對高度。

由太陽高度角計算公式：

太陽方位角計算公式：

式中：δ為太陽赤緯，δ=23.5sin[360(284+N)/365]。

冬至日的太陽赤緯為-23.45°；w為時角，上午9:00的時角為45°。

圖1 方陣間距示意圖Fig.1 Schematic diagram of array spacing

可以看到，《光伏發電站設計規范》中列出的計算公式是適用于平原地區上的光伏組件方陣間距，不適用于地面存在坡度的山地光伏扶貧電站方陣間距計算。因此，需考慮山地坡度進行光伏組件間距優化。以正南向坡面為例，具體計算如圖2所示。

圖2 山地光伏方陣間距示意圖Fig.2 Schematic diagram of array spacing in mountainous area

圖2中，前后排光伏方陣安裝平面的高度差h2，θ為山地坡度。由圖2可知：

綜上計算可得南向坡面上光伏組件水平間距為：

通用的 D2公式為：，r為光伏方陣的方位角，而β-r則是陽光射線和方陣法線在地面上投影的夾角。通用公式適用于任意方位角，也適用于赤道坐標東西向間距的計算，是任意方向的通用公式，則間距不完全是南北向間距，而是前后排間距。

設光伏方陣縱向寬度L為3.3 m,當地緯度φ為北緯31°，代入公式（6）和（13）得表1。

表1 不同組件傾角和山地坡度情況下光伏組件間距對比Tab.1 Comparison of PV spacing under differentcomponent tilt angles and mountain slopes

可以看出：當組件長度、山地坡度、太陽高度角及方位角等因素不變時，組件傾角越大，間距越大，反之亦然。同時，以山地坡面θ=10°為例，山地坡面光伏組件間距相交標準規定的光伏組件間距優化了1.5 m左右，大大減小了光伏組件間距，提高了土地利用率。

再考慮不同山地坡度情況下光伏組件間距的變化,設山地坡度分別為 10°、15°、20°，分別代入式（13），可以看出：其他因素不變時，組件前后間距由坡面坡度決定，即坡度越大，間距越小，反之亦然,見表2。

表2 不同山地坡度情況下正南坡光伏組件水平間距對比Tab.2 Comparison of PV level spacing under different mountain slopes

3 湖北地區實踐應用

湖北“三縣一區”多為山地，具備建設光伏電站的土地并不充裕，土地資源寶貴。湖北“三縣一區”第二批3個陽光扶貧電站（長陽縣大山6 MW光伏項目、巴東縣孟家埡2 MW光伏項目和巴東縣萬流2 MW光伏項目）設計建設中，應用上文所推導的公式，結合大山光伏項目、孟家埡光伏項目和萬流光伏項目的地形資料，考慮考慮實際工程中測繪精度、地面坡度朝向、施工精度等影響因素，對原有設計中的前后排光伏組件凈間距提出了合理優化，優化結果見表3。圖3為長陽縣大山光伏扶貧電站的組件布置實景圖。通過優化，將3個光伏扶貧項目光伏陣列布置間距至少縮減了10%，保障了扶貧地區建設用地的充分使用，且發電效益良好。

表3 3個陽光扶貧電站組件間距優化結果Tab.3 Optimization results of array spacing between three sunlight poverty reduction photovoltaic power plants

圖3 長陽縣大山光伏扶貧電站組件布置圖Fig.3 Array spacing diagram of Dashan sunlight poverty reduction photovoltaic power plantin Changyang county

4 結語

為了深入貫徹落實中央開展精準光伏扶貧的政策，國網湖北省電力公司在湖北“三縣一區”開展了陽光扶貧電站的建設。由于“三縣一區”多是山地丘陵地區，所建村級光伏發電項目不同于常規平原選址，屬于山地光伏電站，在設計和建設方面有其特殊之處。針對山地環境存在的土地資源緊張、地形條件復雜、施工難度大的特點，面對山地扶貧電站的設計難點，本文提出了光伏組件布置原則和山地光伏組件間距優化方法。該方法在湖北“三縣一區”第二批3個陽光扶貧電站得到了應用。不僅提高了土地利用率，避免了土地資源浪費，而且增加了陽光扶貧電站的發電效率和收益，間接提高了陽光扶貧工程的扶貧力度，獲得了良好的社會影響力。

（References）

[1]郭家寶,汪毅.光伏發電設計關鍵技術[M].北京：中國電力出版社，2014.GUO Jiabao,WANG Yi.Key technology of photo?voltaic power plant design[M].Beijing:China Electric Power Press,2014.

[2]欒石林，李光明，廖華，等.太陽能山地光伏電站優化設計研究[J].云南師范大學學報:自然科學版，2014,34（5）:25-31.LUAN Shilin,LI Guangming,LIAO Hua,et al.Re?search on optimum design of the photovoltaic power station in mountainous area[J].Journal of Yunnan Normal University:Natural Sciences Edition,2014,34(5):25-31.

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[4]黎明，楊慶華，皮琪力.湖北山地太陽能光伏電站設計與效益分析[J].應用能源技術，2016(10):50-52.LI Ming,YANG Qinghua,PI Qili.BOC analysis and optimum design study of the photovoltaic station in Hubei mountain area[J].Applied Energy Technology,2016(10):50-52.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50797—2012光伏發電站設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50797—2012 Code for design of photovoltaic power station[S].Beijing:China Planning Press,2012.

Research and Application on PV Optimum Arrangement of Sunlight Poverty Reduction Photovoltaic Power Plant in Mountainous Area

QIAN Yimin1，DING Kai1，HU Yuchuan1，JI Bin2
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China）

To carry out the policy of take targeted measures to help people lift themselves out of poverty,the state grid corporation of China has launched the construction of sunlight poverty reduc?tion photovoltaic power plant in Hubei Zigui,Changyang County,Badong County,Shennongjia For?est Region(hereinafter referred to as the Hubei three county and one region)from 2016.Firstly,the characteristics of mountain site selection of sunshine poverty alleviation power station are ana?lyzed.According to multiple factors of the PV array location,mountain slope,photovoltaic array an?gle,photovoltaic panel size and the surrounding environment,the optimum design method of fixed array PV layout of mountainous photovoltaic power plant is put forward.On this basis,this opti?mum design method has been applied in three sunlight poverty reduction photovoltaic power plant in Hubei three county and one region in 2016.The method not only improves the land utilization rate,avoids the waste of land resources,but also increase the efficiency and return of sunlight pov?erty reduction photovoltaic power plant,and indirectly strengthen the work of aiding the poor to ob?tain a good social influence.

poverty reduction photovoltaic power plant;photovoltaic module;optimum design；mountainous area

TM615

A

1006-3986(2016)11-0028-04

10.19308/j.hep.2016.11.006

2016-10-15

錢一民（1988），男，湖北武漢人，碩士，工程師。