基于柔性支架的光伏电站的研究与设计

宁勇平，袁翼轸，张 果，王勋志

（1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司 湖南 长沙410000；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南 长沙410000）

近年来，国内光伏项目种类层出不穷，如地面光伏、山地光伏、屋顶光伏、农光互补、渔光互补等，本项目依托技术优势，利用柔性支架，打破常规光伏电站模式，创造性地在污水处理厂的水池上空，建设光伏电站。

1 工程概况

该污水处理厂4.16 MWp 光伏并网发电项目位于湖南省长沙市芙蓉区东岸乡，地理坐标为：28.22°N，113.05°E。所选厂区电网接入方便，交通便利，日照丰富，具备建设光伏电站的优越条件。本项目通过对土地和地上空间的再次开发，利用污水处理厂生物池（2 个方形池）、二沉池（8 个圆形池）等水池表面空间和四周绿化用地，采用钢结构加预应力钢索的方式，架空安装太阳能光伏电池组件，项目利用面积约45000 m2，安装275 Wp的多晶硅光伏电池组件15134 块，系统总装机容量4.161850 MWp。本项目采用自发自用、余电上网的模式，接入电网电压等级为0.4 kV，并根据厂区变压器容量和负荷情况，将光伏系统分散接入到厂区一期的2个配电间和二期的3个配电间，共9个并网点，光伏电站所发电量优先由厂区负荷消纳，多余电量输出到电网。该项目已于2018年底竣工并网发电。

2 总体方案设计

光伏发电系统是将太阳能通过光伏组件转化为直流电力，再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的交流电后经过低压配电后并入电网。

2.1 支架方式选择及设计

目前已有的污水处理厂光伏发电方案，绝大部分技术都很成熟，主要的难点是光伏组件方阵支架以及基础的设计，其原因之一是基础的结构形式必须保证污水池的安全可靠运行，并在施工时对污水池不能有任何影响；原因之二则是如何实现支架在污水臭气环境下防腐。

2.1.1 柔性支架设计

本项目针对水厂构筑物跨度大、铺设难的问题，设计出一种新的光伏板安装技术—柔性支架安装。在水池上、布满管线的构筑物上也可通过柔性支架方式安装光伏组件。

刚性支架一般采用钢结构柱、梁作为主结构，檩条作为次结构，光伏组件固定在檩条上，根据以往的实际工程，刚性支架主要存在以下问题：土地占用率高，平均每1 MW 占地面积约22000～23333.33 m2；钢结构支架耗材量大；支架立柱间距3～4 m，支架跨度小，若要形成大跨度支架，支架自身占用空间大，成本大幅度提高。受地形影响较大，适应地形能力差，不能用于大型污水处理池等比较复杂的场地。

柔性光伏支架主要由预应力钢索（钢丝绳）、两侧抗拉构件、中部的支撑立柱组成。光伏组件通过连接件固定于预应力钢索上，通过施加预应力使钢索产生刚度，能作为光伏组件的安装支架，其优势如下：支架自身除立柱外不占用任何空间，大规模提高了土地利用率，大幅度减少了钢材用量，降低造价，节约成本。便于形成较大跨度。节约能源，美化了环境，符合当下国家绿色、环保的理念。柔性光伏支架示意图如图1 所示。

图1 柔性光伏支架示意图

图2 柔性支架设计图

因此根据场地特点，本工程采用柔性支架方案，解决了在大跨度空间的污水处理池上空建设光伏发电站的难题，能够使光伏发电站与污水处理池融为一体，让水厂更具空间感，环境更加优美；同时这种支架形式将光伏电站建设在水池上方，可灵活预留出设备检修通道，不影响污水处理厂的正常运营和设备检修，实现了光伏与环保产业的完美接合。设计图如图2所示。

2.1.2 防腐设计

由于污水处理工艺、污水成分综合原因，柔性支架的防腐性能要求严格，支架防腐可采用以下两种方式。

硅胶涂料：硅胶涂料能够全面防护支架各个原件，很好的适应气候变压，具有防腐蚀、防锈蚀、防盐雾，耐酸碱等特性，保证支架的使用寿命。

酚醛环氧漆：酚醛环氧漆对金属构件的附着力强，涂料耐腐蚀性能强；机械性能优良，同时涂料耐磨，耐冲击，耐有机溶剂。

运维通道：由于柔性支架架设于水池上方，设计对于污水水池本身设备的维护专门预留检修通道；对于光伏组件本身的线路检验、组件检查、运行等单独设置预应力钢索作为日后的运维通道。

采用新型柔性支架形式支架进行光伏组件的固定安装，本项目实际效果如图3所示。

2.2 光伏阵列设计

2.2.1 阴影分析

根据项目规划，本分布式光伏项目拟建设在污水厂区内，光伏组件架设于污水处理池上方，阴影主要考虑阵列间的相互遮挡。

本项目中固定安装系统的方阵倾角经过PVsyst软件模型计算，可得到在不同倾角的情况下，各月方阵斜面上平均日辐射量及年总辐照量，经PVsyst软件测算[1]，倾角为15°～39°范围时，系统年总辐照量接近最大，且能布置的光伏板也较多，综合发电量和光伏板安装容量，由此确定本系统光伏组件倾角为15°。组件最低点离地面3 m，预留比较充足余量供后期运维以及组件下方植物的采光，同时避免造成组件下方空间光线不足而降低人们作业时的舒适感。

图3 新型柔性支架组件安装方式效果图

本项目太阳电池组件纵向一块放置，多晶硅太阳电池组件尺寸为1650 mm×992 mm。

通过以上公式计算得知：太阳电池组件阵列间距D≈600 mm。

同时，通过PVsyst 软件仿真分析，竖向排布组件前后排净距600 mm 在全年9:00—15:00 时段无遮挡，与阴影遮挡公式计算结果一致，通过综合比较分析，本期项目采用竖排布置，组件南北方向净距为600 mm，东西方向净距为100 mm。

2.2.2 光伏组串设计

为了使逆变器的转换效率达到最佳值，必须根据逆变器的参数将光伏组件进行串并联。每个并联支路的光伏组件串联数量主要受逆变器最大功率跟踪电压范围的限制，光伏组串的最佳工作点电压必须在逆变器的最大功率跟踪电压范围内；而总的并联支路数受逆变器最大输入功率限制。

组件串联数为19～22 块均可符合参数要求，考虑到污水池上空情况的阵列布置及施工的便利性，主要按照每22 块组件为一个串路来设计，对个别地方根据实际情况调整为20 或21 块一串来设计。

2.3 抗PID方案

光伏电站抗PID 有负极接地方案、虚拟接地方案和加正向偏置电压方案，其中，负极接地方案必须配置分裂式隔离变压器，成本相对较高；虚拟接地方案适用于地面电站和分布式屋面光伏电站，此方案需要采用隔离变压器；加正向偏置电压方案的原理是：该方案利用夜间逆变器待机后，采用ANTIPID 设备作为辅助电源，在光伏组件直流输出和逆变器直流输入端增加一个直流电源，确保负极高于地电势，把白天工作时由于PID 效应损失的电子从PE“抽”回来，并对已经产生PID效应的光伏组件进行修复，适用于分布式电站及大型地面并网电站。综合技术和经济分析，本期项目采用加正向偏置电压方案，有效的缓解本光伏系统PID 效应，从而提高光伏电站的发电效益。

3 电气接入设计

本项目在不改变污水处理厂厂区内原有配电的前提下，分布式光伏发电实现就地并网，接入配电室0.4 V 配电系统，实现自发自用，余电上网。整个光伏发电系统设9 个并网点，经组串式逆变器输出汇流后，经9 台升压变升压后并入10 kV母线。

在本系统中，光伏并网柜设置断路器进行保护，并设置隔离开关，系统可在需要时与电网完全脱开，保障光伏系统及电网安全。同时在并网侧安装电力监测及显示仪表，可实时观测系统运行参数。本系统并网接入点选取在总配电室0.4 kV低压配电柜内，采用电缆与0.4 V配电柜内母排或开关相连接，安装并网计量柜，预留计量表安装空间，供电网公司安装计量用电流互感器及电能表。

4 发电量预测

本工程系统效率的修正系统如表1所示。

表1 系统效率估算修正系统统计表

本期项目光伏组件方位角为30 度（北偏东），采用15°倾斜角安装，经过PVsyst 模拟，组件倾斜面年峰值日照小时数为1251h。年发电量为4334024 kWh。

本项目第一年系统总效率为83.28%，随后由于光伏组件实际功率的衰减，系统总效率会逐年下降，且首年下降最快[6]。本项目采用多晶硅光伏组件，功率首年衰减3%，前10年衰减率约为10%，第10-25年恒定衰减率为0.667%/a，第25年衰减20%。本项目25年发电量计算结果如表2所示。

表2 25年寿命期内发电量预测表

如表2 所示，本期项目预计第一年发电量为433.4 万 kWh， 第一年有效利用小时数为1041.37h。 25 年累计发电量9789.615223 万kWh，平均每年发电量为391.5846.09 万kWh，年均有效利用小时数为940.80h。

5 效益分析

5.1 经济效益

本项目年均发电量约400 万kWh，项目工业电价约为1 元/kWh，项目国家补贴约为0.42 元/kWh，所以平均每年产生收益约570万元；

5.2 社会、环境效益

本项目25 年寿命期内，年均节能减排量如表3所示。

5.3 优化污水处理工艺效益

项目在污水处理厂上空覆盖了光伏组件，在发出绿色清洁电能的同时，还可以抑制水池内藻类植物的繁殖，优化了污水处理工艺，提升了水质。

表3 节能减排量预测表

6 结束语

本项目采用“钢结构+预应力钢索”光伏支架形式，很好地实现了在大跨度的污水处理池上空建设光伏电站。同时，自发自用模式很好地匹配了污水处理厂白天电价高、耗电大的工艺。太阳能作为清洁能源，项目的经济、社会、环境、优化污水处理工艺等方面效益良好，符合可持续发展的目标。本项目在湖南地区首次采用柔性支架方案，对以后类似的项目具有很好的示范作用。