复杂山地地形光伏组件布置流程及原则

孙一鸣 王铭乾

摘要：复杂山地地形在进行光伏组件的布置工作时，有诸多的限制性因素，包括但不限于山体坡度、坡向、地质情况、沟壑、输电线路、天然气管道、国防电缆、坟、村庄、零散建构筑物、寺庙、文物、军事、植被等等。本文从设计和施工两个维度阐述复杂山地地形光伏组件布置工作的原则和流程。

关键词：山地;光伏;布置

复杂山地地形在布置光伏组件时，需考虑多重因素对光伏组件的影响。如山体自身对光伏组件的阴影遮挡、不同支架形式对地形的要求和适应性、坡度和坡向起伏多变条件下的光伏组串前后排间距计算、施工和设计的优化结合等等。

本文从设计和施工两个维度阐述复杂山地地形光伏组件布置原则和流程。

一、设计维度的复杂山地地形光伏组件布置

根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012），光伏方阵各排、列的布置间距，应保证全年每天9：00～15：00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡，也即冬至日当天9：00～15：00时段前、后、左、右的阵列不遮挡。

本文所述复杂山地地形光伏组件布置流程及经验遵循以上原则，主要依托HELIO 3D软件，辅助使用PV syst、sketch up、无人机、遥感影像等软件或手段完成光伏组件的布置工作。将设计维度的布置经验总结如下：

（1）明确支架形式可适用的山体坡度

布置时，首先需要明确可以布置的坡体。不同支架形式对山地的适应性也不同，通常，坡度超过5°的山坡无法布置平单轴支架形式;东西向坡度超过20°的山坡难以布置固定可调支架形式;综合坡度超过40°的坡度施工难度很大，无论何种支架形式，都难以施工。若地质情况复杂，则需视具体地质情况而定不能施工的范围，如若坡上多为碎石，30°以上施工难度已较大，有安全隐患，不建议布置光伏组件。

（2）仿真山体阴影对光伏组串的遮挡

山体遮挡分为自身山体遮挡和相邻山体遮挡两种类型。

当所用坡向为北坡时，自身山体会对光伏组串产生阴影遮挡;当所用坡向为较正的东西坡且东西坡坡度过大时，自身山体也会对光伏组串产生阴影遮挡;同时，相邻山体即使不在场区红线范围内，若高差足够大，也会对所用山坡产生阴影遮挡。

上述山体对光伏组串的影响均需要根据地形图，通过PV syst、HELIO 3D等软件仿真模拟确定山体阴影范围后，排除遮挡面积，再进行光伏组串的布置。

（3）对不同坡向的山体进行精细化分区

不同坡向的山体在计算组串前后排间距时所采用的软件算法不同，比如东坡上的组串在满足冬至日15点时不被遮挡的间距下，即可满足冬至日9点至15点之间一定不被遮挡，因此东坡上的组串的算法需要设置为在冬至日15点不被遮挡;而西坡上的组串则需要满足在冬至日9点时不被遮挡。

因此，山地光伏项目在设计过程中，组串排布要兼顾性能及效率，周全考虑。对于地形复杂多变的项目，在设计过程中首先化整为零，将连续坡面按走向细分，逐块分析，逐排布置，做到坡面不遗漏、行间不浪费;其次是化零为整，利用自然地貌分割线（脊线、岩石廓线等）将区块逐一拼合。确保区块内组串类型一致，组串间距相近，区块间错落有致，互不干扰，分界通道可作检修之用，整体布置兼顾美观与实用性。

（4）前后排组串间距

采用HELIO 3D软件进行光伏组串布置时，可以选择不同的算法确定光伏阵列的前后排间距。

一种算法是逐排计算组串的前后排间距，这种算法的优势是可以在保证发电量的同时，最大限度节约土地;另一种算法是确定等间距，在该分区内，所有组串的前后排间距都是相同的，这种算法的优势是更有利于美观和施工质量、进度的把控。

需要注意的是，对于前后排间距非常小的情况，比如部分南坡上的组串布置，在设计时需设定最小间距为0.5m，以留出施工和检修空间。而对于我国中高纬度地区，坡度较大的山体北坡和正东西坡的前后排间距通常会非常大，对于土地资源不紧张的项目，不建议采用北坡和正东西坡进行光伏组串布置，以降低对土地资料的浪费和电缆等耗材的损耗，同时也可以降低系統效率损耗。

（5）大坡度山体避免跨山脊布置

在设计及施工交底中，必须明确的一条原则是相邻组串的表面需形成连续光滑曲面，不允许有局部翘起或高低起伏，以免遮挡相邻组串和北侧组串。若跨山脊布置，对于山体坡度较大的地形，该组串两侧的桩基必须抬高高度才能保证组串最低点与山脊之间的间距要求，势必会对相邻组串造成遮挡，详见下图1。

图中所示为某工程跨山脊组串布置，图中四根桩为同一组串的四根桩基础，可以看出两侧的桩基础离地高度必须抬高才能满足组串中间的离地高度要求，这使得两侧的组串都必须相应抬高离地高度，导致桩基础的浪费。

（6）高大障碍物需考虑夏至日的影响

根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012），光伏组件在全年每天9：00～15：00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡。通常按照冬至日的影子长度进行计算和躲避。但是在考虑架空线路塔位等高大障碍物对组串遮挡的影响时，不仅要考虑冬至日9：00-15：00不遮挡，需要核实夏至日同样不遮挡。因为夏至日的东西向阴影长度可能宽于冬至日的阴影，同时夏季辐射量高，障碍物高差较高的话会对两侧组串有遮挡，造成发电量的损失。

（7）架空线路躲避原则

根据《电力设施保护条例》，架空电力线路保护区是指导线边线向外侧水平延伸并垂直于地面所形成的两平行面内的区域，在一般地区各级电压导线的边线延伸距离如下：

1-10KV为5米;

35-110KV为10米;

154-330KV为15米;

500KV为20米。

在保护区内，不能进行打桩作业，也即不能进行光伏组串布置。

（8）沟的躲避原则

不论岩石区还是黄土区，复杂山地地形不可避免都有沟，有较深的发育沟，也有较缓的沟，需核实不同沟的情况。若为较陡的黄土區发育沟，组串桩基位需视情况与沟边躲避一定的安全距离，若为岩石区高差1m以内的浅沟，组串可视情况跨沟，但桩基位不能布置在沟内。

（9）平单轴支架系统布置原则

平单轴系统对地形的平坦性和开阔性要求较高，通常需要南北向和东西向坡度不超过5°左右。若高差超过支架自身适应能力，只能靠抬高部分桩的高度来调平，这样会导致造价上升，运维难度增大，并且两套平单轴支架之间需要拉开间距以躲避遮挡，也浪费了土地。

二、现场施工、安装维度的复杂山地地形光伏组件布置

（1）避免前期道路施工影响可布置容量

复杂山地地形光伏电站的开工，通常需要先进行道路施工。在道路施工前，需要注意在设计交底时与现场交待清楚，避免修建道路的土石方滑落到山坡上。一旦土石方滑落到山坡上，被土石方覆盖的区域厚度可达2m，这部分为虚土，承载力不够，不能直接打桩。直接导致了该区域无法施工，且部分山坡坡度较大，堆土区下方仍需预留安全距离，甚至整个坡无法布置，对容量影响较大。

下图2为某工程土石方滑落到山坡的情况，红色框内为不能布置区域。考虑到大部分场区总容量紧张，此种方式对土地浪费较大，且不符合环保要求，应该避免。

（2）避免相邻组串之间有高差导致遮挡

在设计交底时，需要明确相邻组串的表面必须形成平滑的曲面，也就是相邻组串之间不能有高差，若相邻组串的表面未能按图纸要求形成平滑的曲面，会导致相邻组串之间发生遮挡，且局部翘起的组串同时会导致北侧一排组串也被遮挡。

下图4为某工程中由于施工不规范导致相邻组串之间发生遮挡，这种情况既影响发电量，也不美观。

三、总结

复杂山地地形光伏组串的布置所受到的限制性因素较多，包括但不限于山体坡度、坡向、地质情况、沟壑、输电线路、天然气管道、国防电缆、坟、村庄、零散建构筑物、寺庙、文物、军事、植被等等。不仅在设计时要考虑躲避这些限制性因素及相应的安全保护区，还需要结合施工经验和现场实际情况不断优化布置情况，同时，山体走向复杂，若仅从安全和不遮挡组串的大原则出发进行组串布置，难免出现不美观的情况，还需要结合山体的整体走向进行设计优化和美观性的提升。总的来说，是一个不断设计迭代、优化、改进的过程，需要耗费较大的时间和精力，才能得到一个相对令人满意的布置图纸。