淺談農光互補光伏電站設計研究

郭 亞

山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013

近年來，受石油價格上漲和全球氣候變化的影響，可再生能源開發利用日益受到國際社會的重視[1]。許多國家提出了明確的發展目標，制定了支持可再生能源發展的法規和政策，使可再生能源技術水平不斷提高，產業規模逐漸擴大，成為促進能源多樣化和實現可持續發展的重要能源[2]。我國政府高度重視可再生能源的研究與開發。國家經貿委制定了新能源和可再生能源產業發展的“十五”規劃，并制定頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，重點發展太陽能光熱利用、風力發電、生物質能高效利用和地熱能的利用[3]。但同時，我國可利用從事光伏電站建設的荒地、荒山、荒灘以及屋頂等資源越來越少，已經遠遠不能滿足市場的需要[4]。光伏產業面臨轉型升級，與其他產業互相協調發展成為一條重要出路。另一方面，農業也在不斷尋求自我突破。光伏農業這個新產業開創性地將光伏發電與農業開發及節約資源相結合，由此光伏農業應運而生[5]。

1 農光互補光伏電站設計

1.1 電站選址

本電站站址位于山東省，場區共分為4個地塊，分別分布在濱河大道兩側區域，土地性質主要為煤礦塌陷區，小部分為拆遷區、一般農用地、林地等。規劃容量為100MW，面積約為5300畝，周邊有邁多河、邁多河路、鐵路、輸氣管道等市域道路及市政基礎設施。

其中，地塊1位于省道以南濱河大道以北的區域，用地面積2448畝，主要分為食用菌陰棚區、春秋拱棚區以及日光溫室區；地塊2位于濱河大道南側區域，占地面積1828畝，主要分為春秋拱棚區以及日光溫室區；地塊3位于地塊2西側，占地面積318畝，主要布置日光溫室區；地塊4位于地塊1西側，占地面積342.5畝，主要布置日光溫室區。

1.2 當地太陽能資源

本電站場址區域氣候屬暖溫帶大陸性半溫潤季風氣候，四季分明，寒暑適宜，光溫同步，雨熱同季。場址區域全年平均日照時數2655h，平均年太陽輻射量5038MJ/m2，場址處Meteonorm數據年輻射值為4989.6MJ/m2。根據我國太陽能資源等級區劃表得知，場址區域太陽能資源較豐富，適宜建設太陽能電站。

根據典型年分析，該區域太陽能穩定度為2.4，太陽能資源較為穩定。

1.3 工藝設計

根據對比經濟和技術的結果，本電站采用單晶單玻295Wp、300Wp太陽能電池組件，其中，295Wp單晶硅電池組件數量為305412塊，每23塊電池組件串聯為一個基本匯流單元；300Wp單晶硅電池組件數量為33012塊，每28塊電池組件串聯為一個基本匯流單元。

依據傾斜面太陽輻射量的計算方法，通過分析該地區太陽輻射資料，可得出不同傾角情況下電池組件上太陽輻射量，見表1。

表1 不同傾角情況下電池組件上太陽輻射量（kWh/m2）

從表1可以看出，光伏組件傾角為31°時，傾斜面上所接受的太陽輻射量最大，相應的年發電量也就最多。但是，本光伏場區面積有限，組件按31°傾角安裝時組件前后間距大，并且光伏電站設計容量與超配容量要求較大，需對光伏電站安裝傾角重新計算。通過對比分析光伏組件不同安裝傾角時的度電成本計算，在0～31°的范圍內光伏組件安裝傾角越大，年均可利用小時數越高，度電成本越低。考慮到光伏發電站面積有限，同時滿足光伏發電站容配比的需要，采用的安裝角度為26°。水平地面方陣示意圖如圖1所示。

為確保在一天內南部的陣列對北部的陣列不形成陰影，本電站采用下列公式對其間距進行計算[6]：

式中：β—太陽9：00時方位角；Φ—電站緯度；H—太陽能電池板最大高度（不含支墩）。

圖1 水平地面方陣示意圖

經綜合分析和計算，最終確定前后排組件中心最小間距為：冬暖棚中心間距25m；春秋拱棚中心間距19.5m；食用菌棚中心間距18m。各配電室（逆變器）的布置盡可能使電池組件經匯流箱匯流后到逆變器的線路損失減小，有效地提高各發電單元的上網電量，同時應考慮農業要求及檢修維護通道。

1.4 升壓站區設計

本電站新建一座110kV升壓站，采用裝配式升壓站。升壓站位于站區1號地塊的東南側，用地1.17公頃。其作為整個電站的集控及農業生產調度中心，主要分為兩個區，綜合生產調度區及升壓變電區。綜合生產調度區主要布置綜合樓、材料庫；升壓變電區主要布置二次預制倉、主變、SVG無功補償裝置、35kV（110kV）預制艙，接地變及電阻成套裝置、事故油池及消防設施等，如圖2所示。

圖2 升壓站平面布置圖

升壓站內配電裝置總體按三列布置。主變壓器及中性點設備、接地電阻布置在升壓站的中部。35、110kV配電裝置布置在主變的北側，雙層布置，35kV配電裝置布置在地面一層，110kV配電裝置布置在二層。二次繼電保護和低壓配電裝置共同布置在主變南部。無功補償裝置布置在升壓站整體的西側。除主變壓器、無功補償裝置的電抗器外，所有配電裝置均采用裝配式一體化配電裝置。

1.5 光伏電站年上網電量計算

光伏電站的系統效率是隨著輻照強度不斷變化的，輻照越低效率也越低，這是由于以下幾點原因造成的：其一，組件、逆變器、線纜等的損耗并不是線性變化的；其二，在輻射很低時（陰天或雨天），存在組串電壓過低，逆變器無法啟動的階段（而輻照量是累加的）；其三，逆變器存在一定的自耗電情況（自耗電隨負荷變化很小），在低輻照情況下占發電量比重較高，導致系統效率降低。一般地，在進行電站設計時采用的系統效率值是年效率，每一天的系統效率差異和輻照的變化范圍有關，對于系統效率影響最大的其實是光伏組件。不同電站效率最高和最低差異很大，主要是因為逆變器規格、MPPT范圍和其自耗電大小有關。

本光伏電站發電量采用PVSYST軟件進行計算，計算依據廠址修訂后的太陽輻射量數據。考慮各種折減系數后，系統的總效率取84.2%。站區總發電量從第1年末到第25年末，本光伏電站年上網電量由第1年的14735.14萬kWh下降到第25年的12183.08萬kWh。按25年運營期考慮，總上網電量336477.71萬kWh，年均上網電量約為13459.11萬kWh。年均有效可利用小時數為1136.88h。

1.6 農光互補設計

農業部分設計按照主要功能區分，有三大部分，即冬暖大棚蔬果種植區、拱棚蔬果種植區、食用菌棚種植區。結合三種棚型的特點，分別選用不同的設計方法，分別如下：

冬暖大棚主要由基礎、墻體、鋼架、覆蓋薄膜、保溫被及傳動系統等組成。冬季白天陽光由前坡面薄膜照射進入棚內，后墻及地面均蓄熱，冬季放下保溫被后，墻體蓄積的熱量釋放到溫室內，從而達到升溫的作用，節省大量的供暖費用和能源消耗。通過研究，總結出了幾種冬暖大棚與光伏相結合的生產模式，得出了冬暖大棚投影面積與光伏板投影面積的適合比例，并探索出了與光伏相結合的冬暖大棚種養模式，使之更適應新形式下的生態循環農業。

拱棚常用于春季提前和秋季延遲栽培，主要由鋼骨架、塑料薄膜、卷膜機構等組成，可以有效阻擋雨水及鳥蟲等對棚內作物的傷害。在拱棚中間架設支架，支架上安裝光伏板進行光伏發電，此種方法對棚內作物影響較小。

食用菌棚主要由鋼骨架、塑料薄膜、放風系統等組成，可以有效阻擋雨水及鳥蟲等對棚內作物的傷害。種植領域的農光互補多在食用菌棚頂部鋪設光伏板，利用棚頂進行光伏發電，此種方法對棚內作物影響較小，且單位面積發電量較高。

2 發電指標

眾所周知，對于光伏電站，發電指標的高低直接影響著經濟效益。為此，針對該農光互補光伏電站，以消缺為根本，通過節能降耗、對標管理的方法，提出幾點提高發電指標的建議，為相關領域提供參考。具體建議如下：

（1）在配電室巡檢、操作結束后，及時關閉照明；（2）辦公室、學習室和休息室空調和照明，人員離開時及時關閉；配電材料倉庫等區域白天正常不得開燈；一、二次預制艙內空調溫度設定不低于26℃；（3）合理調整運行方式，站用電源正常由站用備用電源供電，盡量增加上網電量。每月定期進行一次站用電源切換試驗，切換完畢后倒為備用變供電方式。（4）利用站控系統加強對發電設備各項參數的監視和調整，當值班長指定專人每小時一次跟蹤設備狀態，及時掌握運行數據變化情況；根據站控設備及時發現缺陷并現場進行確認，根據影響發電量大小等因素進行分類，聯系施工單位及時進行現場消缺，減少設備故障棄光率。（5）根據季節特點，加強對光伏電站設備的監控力度，確保逆變器按時并網、斷網，對未能如期并網或提前斷網的逆變器進行檢查分析。（6）加強對光伏場區的巡視，及時發現私拉私接農業用電、組件損壞、樹木遮擋、人為破壞電纜等不安全因素，及時處理，保證設備投入率。（7）加強備品備件的管理，提高發電單元的運行可靠性。（8）加強與當地鎮、村領導的溝通和電力法規宣傳，在光伏場區周邊圍欄增設安全、警示、防火等宣傳標語，減少因當地村民擅自破壞圍欄進入場區進行種植、放牧等行為造成的光伏設備、電纜損壞。（9）如何保證組件的清潔對有效提高發電效益至關重要，要合理安排清洗周期，擬采用納米噴涂材料進行試驗。

3 結語

光伏農業和我國當前經濟轉型的目標以及生態文明建設相契合，成為現代農業發展的一種全新模式。在這種模式下，不但可以實現土地立體化增值利用，還能帶來顯著的經濟效益和社會效益。然而，因現階段沒有統一的標準，光伏農業還存在諸多問題，如技術不成熟、面臨的土地問題等，為此制定光伏農業行業標準至關重要，有了標準才能引導產業發展的方向，可以為傳統農業向現代農業過渡提供方向，更好地實現能源與農業、環境與發展、經濟與資源的協調發展。