山地光伏电站设计建设关键技术

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 丁国平 杨凯鹤 姜春富 周宝贵

目前，我国光伏电站分布情况是“北方平原，南方山地”，由于山地地形较为复杂，光伏电站的结构设计方法较多，工程建设的重点也较多，因此“南山地，山地难”被认为是光伏电站设计与建设的主要难题，在对山地光伏电站的设计与建设的基础上，结合已经实现山地光伏发电的某地商洛并网光伏电站项目成功的工程经验，归纳出山地光伏电站设计与建设的一套主要技术。

1 复杂山地光伏电站的特性及困难

山地光伏电站受到地形条件、国家政策、土地占用和建设周期等多方面的影响，在其建造进程中形成了自身的特色。

1.1 地形环境比较恶劣，光伏组件和集电线路安装困难

山区的光电发电站多在沙化、荒漠化、石漠化山区，其地面高低起伏，方向不同，部分地区还夹杂着一些水冲沟或石头残丘，可设置的发电区域大小不同，并且比较零散。由于受到地形地貌的制约，山地光伏电站相对于戈壁滩和沙漠平缓地带的光伏发电场，会出现支架布置烦琐等的问题，由于方阵分布范围较大，所以其支架支柱的高度也是不均匀的，在这种情况下，系统的方阵布局与周围的自然环境协调程度比较低，从而产生了建设过程中的困难，同时也很难对其进行成本控制。

在符合相关技术标准及需求的前提下，依据其所处的环境，对正方形阵列的安装方式进行规划，并对光伏组件的合理间隔进行设定，以确保正方形阵列与所处的环境具有高度的适用性，从而减少其对地面的干扰，在地形复杂的山区，因为光伏组件的分布较散乱，并且受到地形的限制，所以较难做到节约线缆，易造成工程区域的集电线路规格过大、长度过长和网损过大等问题。

图1 光电场区的地貌

1.2 工程建设周期短，施工难度大

近年来，全国的光伏发电装机规模一直保持着快速的发展趋势。为了对当年的全国光伏发电发展进行一个整体的规划，我国对光伏发电的安装和维护工作进行了全面的规划。如此，各个区域所有的光伏电站的安装和维护工作都需要在当年度进行。另外，我国在西部各省已有数个地区的光伏发电价格由2013年的1元/kWh降至2022年的0.36元/kWh，导致建设单位纷纷赶在电网价格调价前完成建设并投产，因此不得不面临着工期大幅缩短、设备材料因供求关系导致上涨等不利因素，使得建设单位面临着更大的投资风险，也加大了建设单位的投资成本。

1.3 受限制较多，施工计划易于出现重叠现象

光电转换技术是利用太阳能的最重要方式之一。在过去的几年中，光伏发电项目得到了政府的高度重视，同时也是国家可再生能源发展的主要方向。然而，由于光伏电站的建造需要占用大量的土地，所以在项目建设初期阶段，需要经过土地、林业、环境、安全、消防、电力等部门的多重审核。在山地的光伏发电项目工程中，有部分地块可能也会是比较平整的农业耕林地区，如在这些地块安装光伏发电组件时，往往会涉及耕地征用或租赁农田，或被要求采用“农光互补”等方案。由于土地征收补偿和社会风俗习惯等因素，一般这些地块土地征地工作进程缓慢，从而会使光伏发电项目的整体规划往往需要进行多次修改，或者整个项目边施工边征地边设计等[1]。

2 复杂山地光伏电站的规划与施工技术

通过对商洛山地光伏发电项目建设过程中的各个环节进行研究，分析山地光伏发电项目的特点，重点解决山地光伏组件间距控制、灌注桩基础、滑动可调支架、集电线优化布置以及多个平台的协同优化等关键技术[2]。

2.1 山地光伏组件间排列间隔的调控技术

在山地建设光伏电站，由于其地势起伏较大，根据设计规范，在冬季时组件每天受到的光照时间不能低于6h且不受任何遮蔽。因此，如何使光伏阵列的布局更加科学，同时又不受遮蔽，成为山地光伏电站一个重要解决的问题。商洛光伏发电站项目充分利用3S空间分析技术，构建出一个具有复杂地势的斜坡、光伏电站的尺寸等多个指标的综合分析指数，如图2所示。

图2 复杂山地光伏间距分析图谱布置组件图

在此基础上，通过对三维等多维地表条件下的坡度和坡向进行精细刻画，并对其进行定量的解算，从而为光伏电站的各组件间距的优化提供依据。该方案能够精确地对场区的地貌因素进行计算，并对每组光伏组件之间的间隔进行计算。在各种地貌地区，光伏组件之间的间隔是不一样的，从而可有效地避免由于间隔不均匀而导致的布局范围过大，占用土地过多等问题；另外，将组件排列间隔进行定量化，可降低人工决策带来的误差，极大地提升排列工作的工作效率。

2.2 灌注桩基础

山地光伏电站地势较高、坡度较大、沟壑较多，传统的打桩装备不能满足要求；场区地面有些为含硅质黏土矿物的强风化层，其表面结构不稳，容易发生滑移，严重威胁着光伏电站支撑系统的稳定性和建设的安全性。灌注桩基础工艺分为微孔灌注桩基础与钻孔锚杆桩基础。

微孔灌注桩。适用范围：多数不同的地质条件可用。施工工艺：利用潜孔钻孔或空气压力进行施工钻孔，手浇灰浆。这些小孔的直径很大，低污染，易控制、造孔时易粉尘飞扬，对生产有一定的不利作用周围的一切。受到地层因素的影响在岩层中对建筑造成了一定的影响；施工进度：施工工序较简单，施工进度较快，单台潜孔钻一天可钻孔250个左右。钻孔进度受地质条件变化影响较小。

钻孔锚杆桩。适用情况：有较强的抗力，地基承载能力高，适用于较坚硬的土壤或岩石层，尤其是适合山地、丘陵、斜坡等地质；施工工艺：装置简便，操作方便，钻孔直径较大。其对周围的生态和环境的损害较小。但在打孔过程中可能会出现卡钻的现象；施工进度：目前，单台手风力钻机每天可开孔50个，但需要进行多轮注压，施工时间相对较长。

经过多方面的分析对比，发现用微空压手风钻法进行成孔的钻孔锚杆桩，对含有强风化层的山地光伏较合适，不仅可实现简单、快速、具有良好的经济效益，还可对工程的品质和进度进行更好的保障。对于普通的地质较均匀的山地光伏，土壤较为均匀、风化层薄或者没有风化层等情况下，微孔灌注桩也是一种更经济、快速、有效的加固地基的方法[3]。

2.3 滑动可调型光伏支架

山地光伏电站在安装过程中，因测点、安装等因素，经常会造成支架桩基座与原来的设计存在定位偏差，造成桩基座之间的间距与实际偏差过大，以致在实际安装时有一些支架立柱可能需要安装在桩基底板面的边沿或没法安装在桩基底板面内。为了保证安装质量，需要对部分桩基对重新进行施工或更换支架材料，造成建设成本和造价上升，而且还会对光伏组件的支撑件的稳固性和安全造成较大影响。这一问题在山地尤其突出。

为了解决这一问题，通过对传统的光伏支架设计进行了创新性的改进，在支撑体系的倾斜横杆上增设了可转动的联轴节和可调节的开孔，增强光伏支架在各种不同地形的适应性。使用这种可调节型光伏支架，当由于测量及施工误差引起的支架立柱的偏离，可通过转动连接件，调整螺栓连接孔，实现将支架立柱与斜梁的连接，从而保证了支架安装的安全性、稳定性和美观性。

2.4 集电线路布置技术

商洛山地光伏电站由于山地地形的原因，其逆变器、箱变等设备在光伏场区的布置受到了一定限制，对与其相连接的集电线路等线缆的规格和长度等也受到影响。集电线路线缆的规格变大或长度增加，意味着整个工程的施工难度增加和建设成本的增加。在布置光伏区集电线路时，需要综合逆变器、箱变等设备布置、考虑线槽的布置和线缆的节约等措施，以减少线缆的损耗，提高电站发电效率和降低成本，从而可以对建设成本进行有效的控制。

2.5 基于COM组件技术多平台联动设计

通过COM组件计算机技术，能够实现跨语言、跨软件平台的模块通信，能够最大限度地发挥每个软件平台的优势，实现协同工作，为光伏电站的快速、高效设计工作奠定了基础。通过COM组件作为媒介，以3S技术为支撑，实现了光伏组件模块布局图的自动绘制、土地和森林的敏感因子的整合；通过对数据的处理，实现了支架桩位点高度的计算和储存；推动C3D进行光伏组件模块的安装和测试。通过使用一个统一的数据界面，可以使光伏电站的结构和性能得到直观的体现，并将其与其他的结构进行比较。

以商洛山地光伏发电项目为例，该项目设计装机容量为100MW，包括1座110kV升压变电站。本项目所有设备均位于多处山丘或陡坡之上，其中陡坡局部坡度高达30°～40°。受地面径流的侵蚀，场区内的沟谷十分发达，大多数沟谷宽度在1.5～2.5m，沟谷深度在0.7～1.2m，对场区内的地貌有很强的干扰，对光伏电站的规划和布局也产生了较大阻碍，使得光伏电站的一些光伏组件不得不放置在沟谷的边缘或者是地势陡峭的地方。

因为场区的结构比较复杂，所以施工图纸设计是在施工现场边测量边进行设计的，一旦发现问题就需要立即对其进行修正，而在修正时，又需要与国土和林地等部门协调，不断修正设计和施工计划。在设计过程中采取了一系列的关键技术，包括在不同地形地貌中，光伏板组件间的布置间距控制、灌注桩基础定位、滑动可调型支架、集电线路的最优布置及基于COM元件技术的多平台链接设计。在确保了良好的项目外观的前提下，还能节省约10%的资金。

商洛山地光伏发电项目采用EPC总承包方式建设，尽管光伏发电项目的技术架构比较简单，但由于其所牵扯的专业比较多，而且建设的时间相对比较短，因此需要不同专业设计人员长期驻扎在施工现场，加强了以E为主导的工作，在施工过程中进行了科学的安排，当施工过程与施工计划不一致的时候，可以及时提出了与施工过程相符的技术解决办法，对P（采购）和C（施工）两个过程进行了综合的控制，使得一些工作能够在施工过程中得到很好地衔接，这样就可以极大地减少施工过程遇到的困难，确保了施工进度以及项目如期完成，同时也可以将多个部门联合起来的优点发挥出来，这也是建设光伏项目的一项有意义的工作。

3 结语

随着国家加大对光伏电站的建设和相关国土林业审批等支持政策的出台，经过多年的光伏电站开发，日照较好、地势平坦、建设条件较好的地块逐渐减少。所以，在山区等建设条件不完善的区域建设光伏电站将成为未来的主流。山地光伏电站场区所位于的区域通常地势起伏变化较大，外界的扰动较大，与平原区域相比，光伏组件以及相关设备的安装较难，且安装计划易于重复，还有施工难度大，施工时间短等问题。

因此，需要充分认识到山地光伏项目施工过程的特殊性，充分发挥前期规划与设计的“排头兵”作用，合理优化已有的施工方案，协调各部门之间的工作配合，以保证光伏建设项目的顺利实施。充分利用三维、3S等高科技技术对支架布置及支撑基础等设计进行创新，可有效对复杂山地光伏发电系统中的各种不利建设条件的约束问题进行有效处理，同时进行精细的管理。如此可将项目打造成让客户感到满意的优异项目。