山地光伏电站阴坡利用方式研究

■ 王庆伟刘庆超冯磊徐征

(1.华电电力科学研究院；2.华电福新能源股份有限公司；3.北京交通大学理学院太阳能研究所)

山地光伏电站阴坡利用方式研究

■ 王庆伟1*刘庆超1冯磊2徐征3

(1.华电电力科学研究院；2.华电福新能源股份有限公司；3.北京交通大学理学院太阳能研究所)

随着光伏发电的普及，如何合理高效地利用有限的土地资源是行业关注的焦点，中东部地区山地光伏电站阴坡成为被忽视的宝贵资源。本文以光伏发电特点为基础，根据不同情况，分别列举分析了3种阴坡的利用方式，为今后山地光伏的设计和建设提供了参考。

山地光伏；阴坡利用；阶梯改造；反射镜阵列

0　引言

近年来，全国性的雾霾蔓延问题已成为全社会关注的焦点，最大限度地降低污染物排放、合理优化能源结构、提高可再生能源比例，是治理环境污染和化解雾霾危机的有效手段。为此，国家逐年加大对以风电、光伏为代表的新能源发电的核准规模，光伏市场在政策和市场的双重驱动下，被挖掘出了更大的潜能。数据显示，2015年我国光伏新增装机规模达15 GW，同比增长40%以上，全国光伏发电累计装机容量约43 GW，已超越德国成为全球光伏累计装机量第一大国。

据中国光伏协会预测，2016年国内外光伏新增装机量将超过58 GW。预计我国在“领跑者”计划和电价下调带来的抢装带动下，全年光伏新增装机量将超过20 GW。

1　山地光伏电站特点

面对巨大的光伏发电市场空间，随之而来的是优质土地资源的匮乏。受国家区域经济发展不均衡的影响，我国土地资源最丰富的西北地区缺乏良好的经济基础，用电负荷需求较低，同时受制于电网送出工程的建设进程，西部已建成的大型光伏电站经常要面临弃光限电问题的困扰，地面光伏电站的投资风险逐渐加大；而经济较发达，用电需求较大的中东部地区的优质土地资源受到租金成本的限制，开发难度巨大。随着稀缺的优质土地资源被瓜分殆尽，开发和利用中东部地区的山地光伏逐渐成为很多光伏企业的不二选择。

山地光伏电站是指在山地、丘陵等复杂地形条件下建设的光伏电站，建设场地多为荒山，具有土地成本低、管理方便(山区人少)、对生活的扰动小等优势。缺点是地表起伏不平、朝向各异，局部伴有小型水冲沟或高原岩石芽残丘，可安装面积大小不同，相对分散，设计、建设难度和成本较大，运行维护成本较高。因此，山地光伏电站的设计建设必须兼顾系统效率、与自然的协调性、经济性、安全性等进行综合考虑［1］。

2　山地光伏电站阴坡利用方式

在进行山地光伏系统设计时，首先根据项目地址的经、纬度确定光伏组件的最佳倾角，以山地阳坡(南坡)作为光伏组件铺设的首选，再考虑坡度相对较小的东、西坡，最后考虑阴坡(北坡)。一般情况下，若阴坡坡度较小(≤5°)，可以考虑布置光伏组件，此时为弥补坡向所致阴影对光照时间的影响，应适当增大组件间距，同时会耗费更多的光伏支架，施工难度和材料成本相应增加；若阴坡坡度较大(＞5°)，则这一部分常常被舍弃，成为被浪费的资源。因此，如何利用阴坡为电站创造更大的效益，是本文研究的重点内容。

2.1修造阶梯状阴坡

对于坡度较小的阴坡，如果直接安装光伏组件，为避免布置角度所导致的阴影遮挡问题，通常要将光伏阵列间距拉大；同时，后排支架要做得更高，才能使后排组件达到最佳倾角，如图1所示。

图1　阴坡组件安装角度

图1中，α为根据项目所在地坐标及当地太阳能资源确定的组件布置最佳倾角；β为阴坡坡度；L为组件阵列宽度；ΔH为阴坡布置相对于平地布置所增设的支架高度。根据三角形几何特性，有：

则可求解出所增加的光伏支架高度为：

如此布置光伏组件不仅在一定程度上浪费了土地资源，还耗费了更多的支架材料，不利于光伏项目的成本控制。

日本宫崎4.3 MW光伏电站建设在宫崎市大字吉野的山北坡上。北侧向下的山坡因日照和电池板配置条件的原因，并不适合光伏发电。项目单位特意将阴坡占地平整为四级阶梯，如图2所示，改善了日照条件，铺设了更多的光伏组件。

图2　工程北坡鸟瞰图

对于山坡改为阶梯的实用效果，本文仅以二级阶梯为例进行分析。

对于原始山坡的优化，在没有增减土方、尽可能降低工程量的情况下进行，得到如图3所示的阶梯结构。图3中，光伏组件后方直线为假设冬至日9∶00～15∶00组件不发生遮挡的最大边界，即阴影范围；原始山坡与阶梯状阴坡组件排布严格按照阴影范围铺设。

图3　阶梯改造效果对比

由图3可知，原始山坡经过阶梯改造之后，可视范围内铺设的组件阵列排数由10增加到13，增容率达到13%，大幅增加了土地利用率；同时加上单位阵列节省的支架数量，相对于所增加的土建工程量，是十分划算的。

2.2种植植被，降温阻尘

对于坡度较大且起伏较多、平整度较差的阴坡，阶梯改造的工程量巨大，基本不具备铺设组件的条件，因此，可以采取其他措施加以改造。

目前，绝大多数光伏组件是以晶体硅作为芯片材料，受制于半导体的特殊性质，温度对于光伏系统效率的影响非常重要。

如图4所示，随着太阳电池温度的增加，开路电压减小，在20～100 ℃范围内，约每升高1 ℃，每片电池的电压减小2 mV；而光电流随温度的增加略有上升，约每升高1 ℃，每片电池的光电流增加1‰，约为0.03 mA/(℃•cm2)。总的来说，温度升高，太阳电池的功率随之下降，典型温度系数为-0.35%/℃；也就是说，如果太阳电池温度每升高1 ℃，则功率减少0.35%［2］。

图4　不同温度下的太阳电池I-V 曲线

在阴坡种植喜阴植被，如图5所示，不仅能够美化电站环境，降低风沙和灰尘的附着，还可以利用植物的蒸腾作用有效降低周围环境温度，间接提高太阳电池光电转换效率，进而提高光伏电站发电量；同时，植物的根系可以起到水土保持的作用，从而降低水土流失、山体滑坡及泥石流等自然灾害发生的风险。

图5　种植喜阴植物的山地光伏电站

2.3安装大型反射镜阵列

对于坡度较大、平整度较好的阴坡，阶梯改造土建工程量依然较大，因此，可以考虑将坡面进行简单处理后，采用铺设固定式平面反射镜阵列的方式进行改造。

反射镜阵列可以将倾斜入射的光线反射至相邻的铺设光伏阵列的阳坡上，增加单位面积组件所接受的辐射量，从而提高光伏电站总体发电量和土地利用率，可最大限度地利用这一部分损失的光能和土地资源。

如图6所示，左侧为阴坡，在初步平整过的坡面上铺设平面反射镜阵列；右侧为阳坡，根据当地经、纬度及气象数据确定的最佳倾角排布光伏组件阵列。阴坡的反射镜阵列会将倾斜入射的太阳光反射到阳坡的光伏组件表面，从而达到提高单位面积光伏组件表面接收到的辐射量的效果。

图6　阴坡平面反射镜安装示意图

需要注意的是，由于太阳的角度在实时变化，导致反射后的光线不会固定在同一区域，而是随着时间的变化而移动，会在一定程度上造成光伏阵列接收的辐射量出现明显差异，造成失配现象。因此，此种模式不适合将系统接入采用单路MPPT追踪的集中式逆变器，而多路追踪的组串式逆变器可以更好地将该模式的优势放大、缺点弥补，可最大限度地获取经济效益。

3　结论

在光伏产业飞速发展且土地资源，特别是中东部地区优质光伏资源严重稀缺的背景下，合理利用好山地建设光伏电站，将以往被忽略的阴坡资源“变废为宝”，是一项十分重要的研究。本文通过对3种山地光伏电站阴坡利用方式的分析和探讨，为今后山地光伏的设计和建设提供了参考，同时也在一定程度上增加了光伏资源的开发潜力，为进一步扩大光伏资源的覆盖范围开辟了一条新思路。

［1］栾石林, 李光明, 廖华, 等. 太阳能山地光伏电站优化设计研究［J］. 云南师范大学学报(自然科学版), 2014, 34(5)∶ 25－31.

［2］张雪莉, 刘其辉, 马会萌, 等. 光伏电站输出功率影响因素分析［J］. 电网与清洁能源, 2012, 28(5)∶ 75－81.

2016-03-28

王庆伟(1986—)，男，硕士研究生、工程师，主要从事光伏系统的研究检测工作。qingwei-wang@chder.com