太阳能光伏电站总平面布置及竖向设计优化——大唐包头固阳县金山光伏电场一期20MWp项目

内蒙古电力勘测设计院 ■ 杨辉东 孙建

一 引言

现阶段能源消费主要依赖石油、煤炭和天然气等化石燃料。根据权威报告分析，在可预见的未来，常规化石燃料将逐步枯竭，并且常规化石燃料燃烧产生大量的粉尘、二氧化碳、硫化物、氮化物等污染源，对环境破坏严重。故太阳能、风能、潮汐能和生物质能等可再生能源越来越受到人们的青睐。

太阳能以其取之不尽、用之不竭、随处可得、就近供电、运行成本低、不易损坏、维护简单、无污染、建设周期短等优点，使其开发与利用日趋受到各国的普遍重视，已成为新能源领域中技术相对成熟、开发利用水平较高、具有商业化发展条件的新型能源之一。

现有较成熟的、规模化太阳能发电有光伏发电和太阳能热发电(塔式、碟式或槽式)两种形式。其中光伏发电直接将光能转换成电能，发电过程中不产生任何污染物或废弃物，是太阳能利用的有效方法。本文仅对太阳能光伏发电总平面布置及竖向设计进行探讨。

二 站区总平面布置

太阳能光伏发电具有单位容量占地面积大的特点。根据地域、地形不同，每MW光伏发电占地在2.0～2.3hm2。为减少征地费用，站区总平面布置时，应在满足工艺、消防、检修等要求前提下，尽量做到占地面积最小。

规模化光伏发电站区常规由管理站区和光伏发电区域两部分构成。其中管理站区由站区生产管理区、配电区、生活区等构成，主要建(构)筑物有主控楼、服务楼、消防水及生活水泵房、污水处理系统、动态无功补偿装置、配电室、变压器、110kV屋外配电装置等；光伏发电区域主要建(构)筑物有光伏发电板及支架、分站房、箱变、380/220V配电间等。其中管理站区占总面积的2%～4%，光伏发电区域占总面积的96%～98%，故优化光伏发电区域的总平面布置形式对控制整个光伏电站的占地面积具有决定性因素。

影响光伏发电区域总平面布置的因素主要有光伏方阵的安装方式、光伏组件布置的方位角、倾角、阴影计算以及设计坡度等。

(1)光伏方阵的安装方式有简单的固定式、倾角季度调节式和自动跟踪式3种类型。自动跟踪式又可分为单轴跟踪、双轴跟踪两种类型。

(2)太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角。通常，当方阵夹角为0¡，即电池方阵朝向正南时，电池发电量最大；方阵偏离正南方向角度越大，发电量损失越大。

(3)倾角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，使方阵年发电量最大时的倾角为最佳倾角。纬度越大则倾角越大。

(4)太阳光直接照射太阳电池板时，电池发电量最大；相应电池板被遮挡，只靠太阳散射发电时，电池发电量减少10%～20%。为防止前排电池方阵对后排电池方阵遮挡，前后排方阵应留有足够的距离。

设方阵高度为H，其南北方向的阴影长度为D，太阳仰角为α，在方位角为β时，假设阴影的倍率为R，则：

此式应按冬至日进行计算，因为冬至日的阴影最长。例如方阵的上边缘高度为h1，下边缘高度为 h2，则方阵之间的距离为 D=(h1− h2)×R。

通过阴影遮挡计算确定行距。假设场平坡度为0¡，光伏方阵行距应不小于式(2)的D值：

式中：¯为纬度(在北半球为正、在南半球为负)；H为光伏方阵上下边的高度差。

根据式(1)(β=0)，可得：

仰角α=arccot D/H

设场平设计坡度为X，如果北高南低，X为正值，相反则为负值；设计地面线与水平线的夹角为arctanX。

则光伏方阵前后行距不小于式(3)的L值：

为方便施工，实际设计时将L值在小数点后一位取整，例如5.423取值为5.5。

(5)光伏发电常规由1MW光伏电池板组成一发电单元，每1MW光伏发电单元配置一分站房与箱变，由站区检修道路将每1MW光伏发电单元分成两部分，根据工艺要求，部分发电单元内布置一380/220V配电间。

图2 多晶硅(230型)电池方阵

每1MW光伏发电单元由多个电池方阵呈阵列布置，根据电池板单位功率不同，相应的电池方阵数目不同。以多晶硅230(每块电池板的功率为230W)类型光伏组件为例：每40块电池板构成一个电池方阵，每1MW光伏发电单元由109个电池方阵组成。

根据地形、征地情况等各种外部条件不同，每1MW光伏发电单元布置方式呈矩形、平行四边形或不规则形布置。以大唐包头固阳县金山光伏电场一期20MWp项目为例：每1MW光伏发电单元呈矩形布置，由8列×14行电池方阵构成。

以多晶硅230(30V)类型光伏组件为例：每1MW光伏发电单元共安装4360件230W(30V)光伏板组件，每20件光伏板组件串联为一个支路，共218个支路；故每个支路的出口电压为600 V，电压较低。为降低低压线损，将分站房与箱变布置于该单元的中部，这种布置低压集电线路较短，如图3所示。

图3 左右各1MW光伏发电单元

光伏发电总平面布置时主要考虑光伏发电区域的布置，在满足前后不遮阴的前提下，前后电池方阵距离应尽量小。如征地不受限，光伏发电单元应布置成矩形，占地最小，施工方便；如征地范围不规则，则可根据具体征地线将光伏板布置成平行四边形或不规则形。

三 站区竖向设计

光伏发电的竖向设计就是将站区自然地形加以改造平整，进行竖向布置，使改造后的设计地面满足防洪、防涝、场地排水、光伏发电等使用要求。竖向布置形式按整平面之间的连接方式不同分为平坡式、台阶式和混合式3种。

平坡式的定义为“将用地处理成一个或几个坡向的整平面，坡度和标高没有剧烈的变化[1]。”台阶式为“由两个标高差较大的不同整平面相连接而成的，在连接处一般设置挡土墙或护坡等构筑物[1]。”混合式定义为“即平坡和台阶混合使用，如根据使用要求和地表特点，把建设用地分为几个大的区域，每个大的区域用平坡式改造地形，而坡面相接处用台阶连接[1]。”

由于光伏发电单位容量占地面积大，导致工程场平工程量大。在竖向设计时，应根据各种不同的自然地形条件，可通过采用台阶式布置、增加或减少设计坡度等各种竖向优化方法，减少场平工程量，达到节省工程造价的目的。

四 工程实例

大唐包头固阳县金山光伏电场一期20MWp项目位于内蒙古包头市固阳县政府所在地金山镇西北侧约5km处。工程规划容量100MWp，本期容量为20MWp，光伏发电系统由20个1MWp光伏并网发电分区组成，光伏组件全部采用多晶硅。

工程站址位于山前坡地上，地势较高，地形复杂，自然标高在1425.00～1459.50m之间。自然坡度总体北高南低、中间高两侧低，其中南北向自然坡度约为2%，东西向自然坡度在1%～10%。站址西侧边界紧邻一条季节性山洪沟，宽约150m，深约1m，根据水文气象报告分析：该无名沟发生百年一遇洪水时，山洪不会出槽，对太阳能设施无威胁，由于站址地势较高，因此不受内涝洪水的威胁。

根据站址地形条件，站区采用台阶式布置，该布置方式将站区分为东西两个相对独立的区域。站区东侧由北向南依次布置有6MWp太阳能发电单元、管理站区；站区西侧布置有14MWp太阳能发电单元。两区域之间通过站区南侧、北侧两条砂石路面检修道路连接。

管理站区内东侧由北向南依次为动态无功补偿装置、10kV配电室、110kV屋外配电装置；主控楼位于管理站区的西侧中部，服务楼位于其北侧；生活水及反渗透处理室紧邻服务楼西侧布置，管线短捷；主控楼南侧相应布置了广场和绿化用地；进站道路由南侧进入站区。

由于自然坡度较大，本工程竖向设计时主要考虑减少土石方工程量，为满足该条件，本工程分别采用台阶式布置方式结合东西向设计坡度，其中东西两台阶最大高差值为5.3m。站区竖向总体坡度由北向南采用2%的坡度，东西向设计坡度在0%～2%之间。

图4 台阶式布置方式

图5 平坡式布置方式

图6 台阶式布置的土方断面图

由于东西方向有最大2%的设计坡度，导致左右相邻的两组光伏方阵最大高差值为0.4m。为减少阴影对发电量的影响，平面布置时将该光伏方阵左右间距由0.5m增大至2.0m，且单组光伏方阵东西支架长度最大相差约0.3m，故土建专业应将支架设计成高低可调式，安装时可通过调节支架下部螺栓来调整光伏方阵的高低。

图7 平坡式布置的土方断面图

表1 台阶式布置方案与平坡式布置方案工程量、造价比较表

通过该工程可以发现，台阶式布置较平坡式布置增加了站区占地面积和检修道路的长度，但通过综合技术经济比较，节约工程投资约226.21万元。

五 结论

光伏发电总平面布置时，光伏板在满足前后不遮阴的前提下，前后电池方阵距离应尽量小，光伏发电单元在条件许可的情况下应尽量布置成矩形，最大限度节约用地。

由于光伏发电占地面积较大，竖向设计时应与总平面布置统一考虑，在满足防洪、防涝的前提下，确定合理的竖向布置方式以减少场平工程量。如东西向自然坡度小于2%时，适合采用平坡式布置方式；当东西向自然坡度大于3%或自然坡度在2%～3%之间，但站区东西向长度大于400m时，宜采用台阶式布置方式；南北向自然坡度在8%以上应采用台阶式布置方式。

[1]吕斌，冯健, 等. 城市规划相关知识[M]. 北京: 中国计划出版社, 2011: 70－71.

[2]张玉明，王永, 等. 变电站总布置设计技术规程 (DL/T 5056—2007)[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[3]杨金焕, 于化丛, 葛梁. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.