山地光伏电站设计及施工特点

中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 ■ 王艳国

0 引言

随着光伏电站的数量逐年增加，光照充足、地势平坦等建设条件较好的区域的土地资源日趋减少，而在农牧业、湖泊、山地等建设条件次之的区域建设光伏电站，已成为建设光伏电站优先考虑的形式，其中，尤其以地形地貌较为复杂的山地光伏电站最为突出。

1 山地光伏电站的特点

山地光伏电站是指在高低起伏变化较大的地形上建设的光伏电站。该类光伏电站所在地的整体地貌起伏不平、朝向各异、沟壑纵横，地形呈主条状或起伏型阶台式；局部主要为突石、断崖或凹凸型、波浪型地形地貌，这些特点使山体等易对山地光伏电站造成阴影遮挡[1]。图1为某山地光伏电站实景图。

此外，山地光伏电站存在可使用土地面积不规则、较分散，且地形落差较大的特点，容易出现边坡问题，致使设计和施工难度增大。此外，山地光伏电站的建设成本高、易发生雷击、发电效率较低等也是亟待解决的问题。

图1 某山地光伏电站实景图

在现有山地土地上解决上述问题，需从光伏电站的前期规划、设计和施工管理等方面进行优化布局。

2 山地光伏电站的规划

首先，利用卫星地图分析项目所在地的地形地貌，大致规划出光伏电站的范围，然后依据项目所在地国土、林业等部门的规划和意见，确定未利用地(包括基本农田、林地、文物、军事、旅游、压覆矿等)的范围，结合待建设项目的性质确定建设范围，以确保所选场址符合相关政策。在确定使用范围后，再进行实地踏勘，确定所选场地是否满足设计要求，尤其是针对周边的高山遮挡、局部的地表环境(如突石、凹陷大坑、局部断崖等)及主条状或起伏型阶台式地形；首先应剔除场址内会影响光伏组件布置、项目施工及系统发电量的区域，如沟壑、高山遮挡、坟地、陡坡等；然后利用专业地形图软件进行分析，选取朝向较好、坡度较缓的地块，对于坡度较大、地形复杂的地块，可与建设单位共同评估其的可利用价值(主要涉及到施工和后期运维等情况)；最终选定场址范围后，应计算可利用面积的装机容量，若存在利用面积不足的情况，应及时向建设单位汇报。

对于场址面积有限、地形条件不好、不能大面积场平，但装机容量又必须满足要求的情况，可采取降低组件倾角、调整方位角等方法，最大程度地优化装机容量和发电量。

3 山地光伏电站的设计阶段

在山地光伏电站的设计阶段，地形图宜选用l:1000或l:500的比例[2]。在测绘方面，若业主方委托的第三方测绘单位不了解光伏电站的布置特点，在进行测绘时，基于测绘范围及比例的缘故，测量结果的相对精度与质量都不会太高；并且点位范围控制在0.5 m以外，易导致山地地形地貌不全面(含周围山地的影响)、不清晰。如此一来，或多或少会影响光伏电站布置人员对地形的全面了解。

若设计人员采用传统的二维平面设计，将无法全面反映实际的地形地貌和光伏阵列的布置，尤其是光伏场区的整体优化设计周期长，使电站设计无法达到预期的效果，即使是设计人员现场设计也无法准确分析光伏组件的遮挡情况。因此，这种设计方法的效果不显著，也是造成后期返工的原因之一。

鉴于此，在进行光伏电站布置时，设计人员应利用PVsyst软件做阴影分析，但该软件在山地光伏电站建模方面较为困难。于是本文提出了在进行山地光伏电站的三维技术设计时，采用山地光伏电站阴影分析软件Helios 3D、交互式卫星地图(奥维互动地图)及无人机巡航相结合的方式。具体方法为：

1)在地图初步确定的选址范围内，采用无人机航拍来辅助现场踏勘，现场通过奥维互动地图移动端辅助定位，实地查看初选范围内地形地貌、地表附着物、施工道路条件等，为后期设计保留影像记录。

2)在场址范围确定后，核实土地类别，确定最终用地红线范围，委托测量单位进行地形测绘，结合Helios 3D软件快速建模进行地形分析，生成排布以便分析阴影遮挡。

3)在设计阶段，可将Helios 3D软件自动排布的光伏组件布置导入奥维互动地图PC端，采用三维方式浏览排布情况，进一步优化后，导入奥维互动地图移动端，现场定位并调整光伏组件排布情况。

Helios 3D软件与无人机工作流程如图2所示。

图2 Helios 3D软件与无人机的工作流程

4)采用Helios 3D软件进行山地光伏电站阴影分析，建立3D模型，并导入PVsyst软件进行发电量分析；然后通过分析结果进行复核，通过调整达到预期的发电量；将Helios 3D模型通过CAD二维平面设计导入到交互式卫星地图进行第二次3D建模；最后利用建好的模型，采用交互式卫星地图和无人机巡航对山地光伏电站进行实地踏勘，对光伏场区的布置进行复核复测，二次确认。布置设计时要考虑实际的地形地貌与地形图中的光伏场区道路规划，实现光伏电站布置的协调统一。

图3 导入交互式卫星地图的设计效果图

在现场定位时，可将Helios 3D模型导入奥维互动地图移动端，对现场人员所在位置的光伏组件进行缩放定位，如有问题可及时做出调整。

4 山地光伏电站的施工措施

在山地光伏电站的道路施工过程中，多数施工单位会依据山地的地形地貌及地势情况修改设计图纸中的光伏场区道路路径，但这样会造成光伏组件的二次调整，而且道路施工产生的落石会严重影响光伏组串的布置容量。因此，在对道路路径进行规划设计时，应在充分了解光伏场区的布置情况后再进行现场踏勘调研，力求道路规划整体布局合理。道路施工过程中产生的碎石等应及时清除，若不能清除的应及时反映给设计人员，因为道路施工时产生的碎石会对光伏电站布置、单元划分、线缆路径等造成影响。

山地光伏电站会遭受雷击，施工质量是主要影响因素之一。所以，应加强以下施工措施：

1)光伏组件与支架之间搭接形成的电气通道应均匀、紧密，以减少泄流通道的差异性，避免雷击隐患存在。

2)支架各部件之间均采用螺栓连接时，要紧密均匀，使支架形成良好的等电位整体。

3)支架与接地扁钢之间采用螺栓连接时，首先应提高支架与接地扁钢的接触面的可靠性[3]，增大有效接触面积，避免接触面存在空隙；其次应涂抹导电膏，避免形成氧化腐蚀，导致接触点的电阻随时间的推移而增大。

4)汇流线路处于防雷分区0B区，虽然无遭受直击雷的可能，但所途径的空间电磁场能量未得到衰减。为了使雷电过电压较小，施工时应尽可能缩小光伏组串至汇流设备的连接线围成的面积[4]。汇流线路所经部位应设置良好的屏蔽措施。

5)对经过光伏场区的铁塔电力线路、杆塔通信线路、受保护的树木等，设计方应在图纸上标注阴影区范围。在特殊的铁塔电力线路范围内设计和施工，应取得电力部门的同意。

5 结语

对于山地光伏电站而言，在前期踏勘、测绘、设计和施工等阶段，任何一个环节的失误，都会给光伏电站造成不可挽回的后果。因此，在项目前期规划、设计和施工阶段应采取多项措施，提高电站的整体性能水平。

借助Helios 3D软件、PVsyst软件、卫星地图及无人机可提高工作效率，使设计人员更直观地了解项目所选场址的整体阴影遮挡情况，并进行设计判断，可取代大量手动设计工作；利用交互式卫星地图，可使现场人员在施工前对光伏场区的组件布置情况进行校验和调整，大幅节省时间，提高工作效率和设计成品的准确性。