山地光伏電站設(shè)計(jì)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 丁國(guó)平 楊凱鶴 姜春富 周寶貴

目前，我國(guó)光伏電站分布情況是“北方平原，南方山地”，由于山地地形較為復(fù)雜，光伏電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法較多，工程建設(shè)的重點(diǎn)也較多，因此“南山地，山地難”被認(rèn)為是光伏電站設(shè)計(jì)與建設(shè)的主要難題，在對(duì)山地光伏電站的設(shè)計(jì)與建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合已經(jīng)實(shí)現(xiàn)山地光伏發(fā)電的某地商洛并網(wǎng)光伏電站項(xiàng)目成功的工程經(jīng)驗(yàn)，歸納出山地光伏電站設(shè)計(jì)與建設(shè)的一套主要技術(shù)。

1 復(fù)雜山地光伏電站的特性及困難

山地光伏電站受到地形條件、國(guó)家政策、土地占用和建設(shè)周期等多方面的影響，在其建造進(jìn)程中形成了自身的特色。

1.1 地形環(huán)境比較惡劣，光伏組件和集電線路安裝困難

山區(qū)的光電發(fā)電站多在沙化、荒漠化、石漠化山區(qū)，其地面高低起伏，方向不同，部分地區(qū)還夾雜著一些水沖溝或石頭殘丘，可設(shè)置的發(fā)電區(qū)域大小不同，并且比較零散。由于受到地形地貌的制約，山地光伏電站相對(duì)于戈壁灘和沙漠平緩地帶的光伏發(fā)電場(chǎng)，會(huì)出現(xiàn)支架布置煩瑣等的問(wèn)題，由于方陣分布范圍較大，所以其支架支柱的高度也是不均勻的，在這種情況下，系統(tǒng)的方陣布局與周圍的自然環(huán)境協(xié)調(diào)程度比較低，從而產(chǎn)生了建設(shè)過(guò)程中的困難，同時(shí)也很難對(duì)其進(jìn)行成本控制。

在符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及需求的前提下，依據(jù)其所處的環(huán)境，對(duì)正方形陣列的安裝方式進(jìn)行規(guī)劃，并對(duì)光伏組件的合理間隔進(jìn)行設(shè)定，以確保正方形陣列與所處的環(huán)境具有高度的適用性，從而減少其對(duì)地面的干擾，在地形復(fù)雜的山區(qū)，因?yàn)楣夥M件的分布較散亂，并且受到地形的限制，所以較難做到節(jié)約線纜，易造成工程區(qū)域的集電線路規(guī)格過(guò)大、長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)和網(wǎng)損過(guò)大等問(wèn)題。

圖1 光電場(chǎng)區(qū)的地貌

1.2 工程建設(shè)周期短，施工難度大

近年來(lái)，全國(guó)的光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模一直保持著快速的發(fā)展趨勢(shì)。為了對(duì)當(dāng)年的全國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展進(jìn)行一個(gè)整體的規(guī)劃，我國(guó)對(duì)光伏發(fā)電的安裝和維護(hù)工作進(jìn)行了全面的規(guī)劃。如此，各個(gè)區(qū)域所有的光伏電站的安裝和維護(hù)工作都需要在當(dāng)年度進(jìn)行。另外，我國(guó)在西部各省已有數(shù)個(gè)地區(qū)的光伏發(fā)電價(jià)格由2013年的1元/kWh降至2022年的0.36元/kWh，導(dǎo)致建設(shè)單位紛紛趕在電網(wǎng)價(jià)格調(diào)價(jià)前完成建設(shè)并投產(chǎn)，因此不得不面臨著工期大幅縮短、設(shè)備材料因供求關(guān)系導(dǎo)致上漲等不利因素，使得建設(shè)單位面臨著更大的投資風(fēng)險(xiǎn)，也加大了建設(shè)單位的投資成本。

1.3 受限制較多，施工計(jì)劃易于出現(xiàn)重疊現(xiàn)象

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用太陽(yáng)能的最重要方式之一。在過(guò)去的幾年中，光伏發(fā)電項(xiàng)目得到了政府的高度重視，同時(shí)也是國(guó)家可再生能源發(fā)展的主要方向。然而，由于光伏電站的建造需要占用大量的土地，所以在項(xiàng)目建設(shè)初期階段，需要經(jīng)過(guò)土地、林業(yè)、環(huán)境、安全、消防、電力等部門的多重審核。在山地的光伏發(fā)電項(xiàng)目工程中，有部分地塊可能也會(huì)是比較平整的農(nóng)業(yè)耕林地區(qū)，如在這些地塊安裝光伏發(fā)電組件時(shí)，往往會(huì)涉及耕地征用或租賃農(nóng)田，或被要求采用“農(nóng)光互補(bǔ)”等方案。由于土地征收補(bǔ)償和社會(huì)風(fēng)俗習(xí)慣等因素，一般這些地塊土地征地工作進(jìn)程緩慢，從而會(huì)使光伏發(fā)電項(xiàng)目的整體規(guī)劃往往需要進(jìn)行多次修改，或者整個(gè)項(xiàng)目邊施工邊征地邊設(shè)計(jì)等[1]。

2 復(fù)雜山地光伏電站的規(guī)劃與施工技術(shù)

通過(guò)對(duì)商洛山地光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，分析山地光伏發(fā)電項(xiàng)目的特點(diǎn)，重點(diǎn)解決山地光伏組件間距控制、灌注樁基礎(chǔ)、滑動(dòng)可調(diào)支架、集電線優(yōu)化布置以及多個(gè)平臺(tái)的協(xié)同優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)[2]。

2.1 山地光伏組件間排列間隔的調(diào)控技術(shù)

在山地建設(shè)光伏電站，由于其地勢(shì)起伏較大，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，在冬季時(shí)組件每天受到的光照時(shí)間不能低于6h且不受任何遮蔽。因此，如何使光伏陣列的布局更加科學(xué)，同時(shí)又不受遮蔽，成為山地光伏電站一個(gè)重要解決的問(wèn)題。商洛光伏發(fā)電站項(xiàng)目充分利用3S空間分析技術(shù)，構(gòu)建出一個(gè)具有復(fù)雜地勢(shì)的斜坡、光伏電站的尺寸等多個(gè)指標(biāo)的綜合分析指數(shù)，如圖2所示。

圖2 復(fù)雜山地光伏間距分析圖譜布置組件圖

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)三維等多維地表?xiàng)l件下的坡度和坡向進(jìn)行精細(xì)刻畫，并對(duì)其進(jìn)行定量的解算，從而為光伏電站的各組件間距的優(yōu)化提供依據(jù)。該方案能夠精確地對(duì)場(chǎng)區(qū)的地貌因素進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)每組光伏組件之間的間隔進(jìn)行計(jì)算。在各種地貌地區(qū)，光伏組件之間的間隔是不一樣的，從而可有效地避免由于間隔不均勻而導(dǎo)致的布局范圍過(guò)大，占用土地過(guò)多等問(wèn)題；另外，將組件排列間隔進(jìn)行定量化，可降低人工決策帶來(lái)的誤差，極大地提升排列工作的工作效率。

2.2 灌注樁基礎(chǔ)

山地光伏電站地勢(shì)較高、坡度較大、溝壑較多，傳統(tǒng)的打樁裝備不能滿足要求；場(chǎng)區(qū)地面有些為含硅質(zhì)黏土礦物的強(qiáng)風(fēng)化層，其表面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，容易發(fā)生滑移，嚴(yán)重威脅著光伏電站支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性和建設(shè)的安全性。灌注樁基礎(chǔ)工藝分為微孔灌注樁基礎(chǔ)與鉆孔錨桿樁基礎(chǔ)。

微孔灌注樁。適用范圍：多數(shù)不同的地質(zhì)條件可用。施工工藝：利用潛孔鉆孔或空氣壓力進(jìn)行施工鉆孔，手澆灰漿。這些小孔的直徑很大，低污染，易控制、造孔時(shí)易粉塵飛揚(yáng)，對(duì)生產(chǎn)有一定的不利作用周圍的一切。受到地層因素的影響在巖層中對(duì)建筑造成了一定的影響；施工進(jìn)度：施工工序較簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度較快，單臺(tái)潛孔鉆一天可鉆孔250個(gè)左右。鉆孔進(jìn)度受地質(zhì)條件變化影響較小。

鉆孔錨桿樁。適用情況：有較強(qiáng)的抗力，地基承載能力高，適用于較堅(jiān)硬的土壤或巖石層，尤其是適合山地、丘陵、斜坡等地質(zhì)；施工工藝：裝置簡(jiǎn)便，操作方便，鉆孔直徑較大。其對(duì)周圍的生態(tài)和環(huán)境的損害較小。但在打孔過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)卡鉆的現(xiàn)象；施工進(jìn)度：目前，單臺(tái)手風(fēng)力鉆機(jī)每天可開孔50個(gè)，但需要進(jìn)行多輪注壓，施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

經(jīng)過(guò)多方面的分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)用微空壓手風(fēng)鉆法進(jìn)行成孔的鉆孔錨桿樁，對(duì)含有強(qiáng)風(fēng)化層的山地光伏較合適，不僅可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快速、具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，還可對(duì)工程的品質(zhì)和進(jìn)度進(jìn)行更好的保障。對(duì)于普通的地質(zhì)較均勻的山地光伏，土壤較為均勻、風(fēng)化層薄或者沒(méi)有風(fēng)化層等情況下，微孔灌注樁也是一種更經(jīng)濟(jì)、快速、有效的加固地基的方法[3]。

2.3 滑動(dòng)可調(diào)型光伏支架

山地光伏電站在安裝過(guò)程中，因測(cè)點(diǎn)、安裝等因素，經(jīng)常會(huì)造成支架樁基座與原來(lái)的設(shè)計(jì)存在定位偏差，造成樁基座之間的間距與實(shí)際偏差過(guò)大，以致在實(shí)際安裝時(shí)有一些支架立柱可能需要安裝在樁基底板面的邊沿或沒(méi)法安裝在樁基底板面內(nèi)。為了保證安裝質(zhì)量，需要對(duì)部分樁基對(duì)重新進(jìn)行施工或更換支架材料，造成建設(shè)成本和造價(jià)上升，而且還會(huì)對(duì)光伏組件的支撐件的穩(wěn)固性和安全造成較大影響。這一問(wèn)題在山地尤其突出。

為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的光伏支架設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)，在支撐體系的傾斜橫桿上增設(shè)了可轉(zhuǎn)動(dòng)的聯(lián)軸節(jié)和可調(diào)節(jié)的開孔，增強(qiáng)光伏支架在各種不同地形的適應(yīng)性。使用這種可調(diào)節(jié)型光伏支架，當(dāng)由于測(cè)量及施工誤差引起的支架立柱的偏離，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)連接件，調(diào)整螺栓連接孔，實(shí)現(xiàn)將支架立柱與斜梁的連接，從而保證了支架安裝的安全性、穩(wěn)定性和美觀性。

2.4 集電線路布置技術(shù)

商洛山地光伏電站由于山地地形的原因，其逆變器、箱變等設(shè)備在光伏場(chǎng)區(qū)的布置受到了一定限制，對(duì)與其相連接的集電線路等線纜的規(guī)格和長(zhǎng)度等也受到影響。集電線路線纜的規(guī)格變大或長(zhǎng)度增加，意味著整個(gè)工程的施工難度增加和建設(shè)成本的增加。在布置光伏區(qū)集電線路時(shí)，需要綜合逆變器、箱變等設(shè)備布置、考慮線槽的布置和線纜的節(jié)約等措施，以減少線纜的損耗，提高電站發(fā)電效率和降低成本，從而可以對(duì)建設(shè)成本進(jìn)行有效的控制。

2.5 基于COM組件技術(shù)多平臺(tái)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

通過(guò)COM組件計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨語(yǔ)言、跨軟件平臺(tái)的模塊通信，能夠最大限度地發(fā)揮每個(gè)軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，為光伏電站的快速、高效設(shè)計(jì)工作奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)COM組件作為媒介，以3S技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)了光伏組件模塊布局圖的自動(dòng)繪制、土地和森林的敏感因子的整合；通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)了支架樁位點(diǎn)高度的計(jì)算和儲(chǔ)存；推動(dòng)C3D進(jìn)行光伏組件模塊的安裝和測(cè)試。通過(guò)使用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)界面，可以使光伏電站的結(jié)構(gòu)和性能得到直觀的體現(xiàn)，并將其與其他的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。

以商洛山地光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為100MW，包括1座110kV升壓變電站。本項(xiàng)目所有設(shè)備均位于多處山丘或陡坡之上，其中陡坡局部坡度高達(dá)30°～40°。受地面徑流的侵蝕，場(chǎng)區(qū)內(nèi)的溝谷十分發(fā)達(dá)，大多數(shù)溝谷寬度在1.5～2.5m，溝谷深度在0.7～1.2m，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地貌有很強(qiáng)的干擾，對(duì)光伏電站的規(guī)劃和布局也產(chǎn)生了較大阻礙，使得光伏電站的一些光伏組件不得不放置在溝谷的邊緣或者是地勢(shì)陡峭的地方。

因?yàn)閳?chǎng)區(qū)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)是在施工現(xiàn)場(chǎng)邊測(cè)量邊進(jìn)行設(shè)計(jì)的，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就需要立即對(duì)其進(jìn)行修正，而在修正時(shí)，又需要與國(guó)土和林地等部門協(xié)調(diào)，不斷修正設(shè)計(jì)和施工計(jì)劃。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取了一系列的關(guān)鍵技術(shù)，包括在不同地形地貌中，光伏板組件間的布置間距控制、灌注樁基礎(chǔ)定位、滑動(dòng)可調(diào)型支架、集電線路的最優(yōu)布置及基于COM元件技術(shù)的多平臺(tái)鏈接設(shè)計(jì)。在確保了良好的項(xiàng)目外觀的前提下，還能節(jié)省約10%的資金。

商洛山地光伏發(fā)電項(xiàng)目采用EPC總承包方式建設(shè)，盡管光伏發(fā)電項(xiàng)目的技術(shù)架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但由于其所牽扯的專業(yè)比較多，而且建設(shè)的時(shí)間相對(duì)比較短，因此需要不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期駐扎在施工現(xiàn)場(chǎng)，加強(qiáng)了以E為主導(dǎo)的工作，在施工過(guò)程中進(jìn)行了科學(xué)的安排，當(dāng)施工過(guò)程與施工計(jì)劃不一致的時(shí)候，可以及時(shí)提出了與施工過(guò)程相符的技術(shù)解決辦法，對(duì)P（采購(gòu)）和C（施工）兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行了綜合的控制，使得一些工作能夠在施工過(guò)程中得到很好地銜接，這樣就可以極大地減少施工過(guò)程遇到的困難，確保了施工進(jìn)度以及項(xiàng)目如期完成，同時(shí)也可以將多個(gè)部門聯(lián)合起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)，這也是建設(shè)光伏項(xiàng)目的一項(xiàng)有意義的工作。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家加大對(duì)光伏電站的建設(shè)和相關(guān)國(guó)土林業(yè)審批等支持政策的出臺(tái)，經(jīng)過(guò)多年的光伏電站開發(fā)，日照較好、地勢(shì)平坦、建設(shè)條件較好的地塊逐漸減少。所以，在山區(qū)等建設(shè)條件不完善的區(qū)域建設(shè)光伏電站將成為未來(lái)的主流。山地光伏電站場(chǎng)區(qū)所位于的區(qū)域通常地勢(shì)起伏變化較大，外界的擾動(dòng)較大，與平原區(qū)域相比，光伏組件以及相關(guān)設(shè)備的安裝較難，且安裝計(jì)劃易于重復(fù)，還有施工難度大，施工時(shí)間短等問(wèn)題。

因此，需要充分認(rèn)識(shí)到山地光伏項(xiàng)目施工過(guò)程的特殊性，充分發(fā)揮前期規(guī)劃與設(shè)計(jì)的“排頭兵”作用，合理優(yōu)化已有的施工方案，協(xié)調(diào)各部門之間的工作配合，以保證光伏建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施。充分利用三維、3S等高科技技術(shù)對(duì)支架布置及支撐基礎(chǔ)等設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，可有效對(duì)復(fù)雜山地光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各種不利建設(shè)條件的約束問(wèn)題進(jìn)行有效處理，同時(shí)進(jìn)行精細(xì)的管理。如此可將項(xiàng)目打造成讓客戶感到滿意的優(yōu)異項(xiàng)目。