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淺談光伏電站設計與設備選型
淺談集中式光伏電站設計與設備選型
本文通過比較、提煉、總結(jié)相關設計參數(shù)，依據(jù)類似工程，對集中式光伏電站的設計與設備選型進行淺析。
一、光伏電站設計原則
設計應根據(jù)建設工程的要求，對建設工程所需的技術、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等條件，本著認真貫徹“成熟先進、安全可靠、造價合理、節(jié)能環(huán)�！钡脑瓌t，進行綜合分析，論證，編制建設工程設計文件的活動。這是建設項目進行整體規(guī)劃、體現(xiàn)具體實施意圖的重要過程，是科學技術轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力的紐帶，是處理技術與經(jīng)濟關系的關鍵性環(huán)節(jié)，也是確定與控制工程造價的重點階段。
（一）光伏電站建設的選擇
全年總?cè)照招r數(shù)、日照百分率、年總輻射量、年平均氣溫、年霜凍天數(shù)等參數(shù)是光伏電站選址的重要依據(jù)。
目前，我國根據(jù)各地區(qū)太陽能資源總量將全國化為I、II、III類分區(qū)，實行不同標桿電價補貼政策。I類地區(qū)太陽能資源總量相對較高，電價補貼相對較低；III類地區(qū)太陽能資源總量相對較低，電價補貼則相對較高。I類電價區(qū)主要集中在西北地區(qū)，年輻射總量1500~2000（kwh/㎡）；中部廣闊地帶為II類電價區(qū)，年輻射總量1000~2050（kwh/㎡）；III類電價區(qū)主要在東南沿海地區(qū)，年輻射總量1000~1600（kwh/㎡）。顯然，我國光伏電站上網(wǎng)補貼電價與實際太陽能資源總量的對應并不完全匹配，如二類電價區(qū)的年輻射總量，以及超過一類電價區(qū)的年輻射總量的地區(qū)。在不同電價區(qū)尋找合適的投資地區(qū)，是獲取收益的關鍵因素，即在相對高的電價補貼區(qū)內(nèi)，尋找太陽能資源條件好的區(qū)域建設光伏電站，可以獲得更好的收益。
新建光伏電站選址前應對該區(qū)域可利用面積進行評估，擬定總體建設規(guī)模�？傮w上要求足夠大的可利用面積，能達到一定的總裝機容量。如規(guī)模較小新建電站的接入系統(tǒng)線路、進場道路修建等，初投資費用會較大抬高單位造價，后期的運行維護如果不具規(guī)模同樣會抬高維護成本，工程建設經(jīng)濟將大幅度降低。總體上要求建設規(guī)模大，接入系統(tǒng)線路近，進場道路修建短。
應明確光伏電站所選廠址的土地性質(zhì)，使用權(quán)狀況，石頭納入土地利用規(guī)范范圍等；查明所選廠址的地址情況，合理評價地址構(gòu)造、地震效應、山體滑坡危害及山洪暴發(fā)時洪水的排泄通道等；祥知廠址臨近區(qū)域水文地質(zhì)條件、防洪評價及水利保護等；熟悉廠址周邊人文情況，交通運輸條件等；了解廠址內(nèi)無名勝古跡、未查明有重要礦產(chǎn)資源，遠離文物保護區(qū)、自然保護區(qū)、軍事設施區(qū)等，符合自然環(huán)境保護的有關規(guī)定。總體上要落實用地性質(zhì)，查明地址情況，加強環(huán)境保護，避開文物礦藏。
要掌握當?shù)禺a(chǎn)業(yè)政策，了解區(qū)域市場發(fā)展空間，熟悉項目建設必備條件，完成規(guī)劃選址工作，通過踏勘調(diào)研提出規(guī)劃選址建議，開展資料搜集和職稱文件的取得，取得各主管部門批文，確保項目順利通過各項評審。
（二）光伏電站總布置
應根據(jù)防洪、防震、防山體滑坡、消防、運行檢修等方面的要求，按擬定總裝機容量的規(guī)模對電站進行統(tǒng)籌安排、合理布置，實現(xiàn)運行安全無風險，消防環(huán)保無事故，經(jīng)濟效益更突出，檢修維護更方便。光伏電站總布置應結(jié)合地形及地貌，避免大規(guī)模重新計劃。電站生產(chǎn)管理區(qū)和生活區(qū)分開隔離，做到既能安全生產(chǎn)又能適宜人員生活。
二、太陽能陣列的設計
（一）太陽能組件的選型
主要考慮制造商的生產(chǎn)規(guī)模、行業(yè)業(yè)績、制造水平、技術成熟度、運行可靠性、未來技術發(fā)展趨勢等。查閱已投入生產(chǎn)的電站所統(tǒng)計的組件衰減率、損耗及年發(fā)電量等數(shù)據(jù)，可作為直觀的分析、判斷依據(jù)。同等面積的單塊光伏組件應選用峰值功率較大的，以減少占地面積，降低線路損耗及組件安裝量，集成線路的使用量和施工量。目前，國內(nèi)電站主要采用多晶硅高效組件。整個電站應盡量選擇同制造商、同規(guī)格、同批次的組件，這樣，效率一致性相對較好，組件衰減率速度基本穩(wěn)定。高溫、高濕區(qū)域須選用抗PID組件。
（二）太陽能組件的排布
通過計算確定最佳傾斜角度，太陽能組件排列順序必須考慮錢、后排陰影遮擋問題，以及太陽能組件陣列與建筑物的距離，最大角度位置的陰影遮擋情況，還應適當考慮地形因素的影響等。一般的確定原則是：冬至日當天早晨9:00至下午15:00的時間段內(nèi)，組件陣列均不應被遮擋。在排布時組件與組件之間應留有一定的間隙作為透風通道。
依據(jù)組件自身特性和理論計算，組件橫向排布方式比豎向排布方式大約可以增加2%~5%的發(fā)電量，橫向排布方式從上到下一般排布4塊，豎向排布從上到下一般排布2塊。但橫向排布比豎向排布支架使用量每兆多出20噸鋼材料及后期安裝工程量；橫向排布比豎向排布會增加20%的占地面積；橫向排布方式安裝難度稍大。
（三）太陽能組件的組串方式
根據(jù)光伏組件開路電壓的高低及逆變器直流側(cè)輸入電壓的等級，結(jié)合當?shù)靥栞椛錀l件，一般由18塊或者20塊組串成為一個基本發(fā)電單元。豎向排布時組串方式主要有：（I）上、下兩層按順序各組一串；（II）上層一半和下層一半按順序共組成一串，另一半按順序組成另一串；（III）上、下兩層都按跳接的方式各組一串即按1、3、5~19、20、18~6、4、2的方式排布。三種排布方式光伏電纜用量（I）、（II）、（III），相對來說，第（III）種排布方式是科學的，減少直流損耗，可提高發(fā)電量。
集中式大 、中型光伏電站建議采用豎向第（III）種排布方式；分布式小型光伏電站如農(nóng)業(yè)大棚、屋頂光伏等有正好可利用資源時可采用橫向排布。
三、組件支撐部分設計
（一）支架基礎的選擇
主要考慮滿足地基承載力、基礎抗傾覆、抗拔、抗滑移等計算要求，保證上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
目前，國內(nèi)主要采用鋼筋混泥土獨立基礎、鋼筋混泥土條形基礎、預應力水泥管樁基礎等。鋼筋混泥土基礎主要運用在地址條件相對較好的地方，如“農(nóng)光互補”、“畜光互補”、等。鋼筋混泥土現(xiàn)澆型基礎主要優(yōu)勢是施工難度較小，基礎平面定位及基礎頂層標高容易控制和抗傾覆、抗滑移性較好，整體效果好，電站建成后總體視覺感官好，更能保證最佳傾角的精確度。缺點是施工工期長，對地面的破壞較大，土方開挖、回填、模板配置、軋鋼筋等工程量大；預應力水泥管樁基礎主要運用在地質(zhì)條件相對惡劣的地方，如“漁光互補”、沿海灘涂等。預應力水泥管樁基礎主要特點是預制型成品，施工速度快，對地面的破壞較少，工程量相對較小。缺點是對打樁操作人員技術、經(jīng)驗要求高、施工難度相對較大，
基礎平面定位及基礎頂層標高不易控制，吊裝卸貨后增加了二次倒運工作，加大了后期支架安裝施工調(diào)整的工作量和難度，在卵礫石地層，入樁困難，容易偏心或斷樁，不宜采用。兩種方案有明顯的互換性優(yōu)缺點，應結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)條件和工程特點綜合判定。
根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)情況判斷地下水對鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)的腐蝕程度。對弱腐蝕地區(qū)，地下水位以下采用表面涂刷防腐蝕涂層等措施；對高腐蝕地區(qū)，地下水位以下采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、摻入抗硫酸鹽的外加劑、摻入鋼筋阻銹劑、摻入礦物摻合料，表面涂刷防腐蝕涂層等措施。
（二）支架系統(tǒng)的選擇
目前，國內(nèi)光伏電站主要采用最佳傾角固定式、水平單軸跟蹤式、斜單軸跟蹤式及雙軸跟蹤式等支架系統(tǒng)。固定式安裝支架成本相對較低，制造工藝簡單、生產(chǎn)周期短，安裝難度小，且支架系統(tǒng)基本免維護。固定式支架系統(tǒng)占地面積相對較小，且支架系統(tǒng)基本免維護。固定式支架系統(tǒng)占地面積相對較��；自動跟蹤式成本較高，制造工藝較高，跟蹤電機易損壞，運行不穩(wěn)定，特別是濕度較大的場所維護、維修量較大。為避免遮擋，跟蹤式支架系統(tǒng)陣列之間前后左右的間距較大，約提高了50%的占地面積，加大了投資成本，但發(fā)電量較最佳傾角固定式相比有較大的提高，理論計算在20%~30%左右。目前，某地已投入運行的跟蹤式支架系統(tǒng)邏輯運行更簡單，更可靠，是值得借鑒的。因此，應從地形條件、占地面積、運行可靠性、設備價格、建成后維護費用、故障率以及發(fā)電效益等方面綜合分析。對“漁光互補”、沿海灘涂等濕度較大的地方不建議采用自動跟蹤式系統(tǒng)，因為自動跟蹤式系統(tǒng)支架基礎主要為鋼筋混泥土條形基礎，在魚塘、藕塘、灘涂上不易施工，而且濕度大，電機容易受潮燒毀，且維修不方便。
四、匯流箱設計及安裝
大、中型并網(wǎng)光伏電站，通常根據(jù)陣列的排布選用兩種規(guī)格的匯流箱，即12進1出和16進1出或者兩種規(guī)格搭配。設計時應優(yōu)先選用回路多的。匯流箱應具有切除故障電流的功能，進線側(cè)采用光伏專用直流熔斷器保護，出線側(cè)一般采用直流低壓塑殼開關保護，出線側(cè)不建議采用熔斷器保護。匯流箱應配有光伏專用浪涌保護器，正負極應有具備防雷功能。匯流箱內(nèi)應配有監(jiān)測裝置，具有通信接口，可以實時監(jiān)測并上傳各進線分支的直流電流、輸出總電流、母線電壓及總輸出功率、各分支熔斷器與直流低壓塑殼開關的狀態(tài)，及各進線分支異常報警燈。
匯流箱應便于固定安裝，一般采用掛式安裝于系統(tǒng)支架上，箱底安裝高度應滿足各限制條件的要求。匯流箱進出線安裝位置與箱體底部應留有足夠的安裝空間，要便于施工、保證安裝質(zhì)量。
匯流箱各分支進線回路，安裝防反二極管提高運行安全系數(shù)，但會損失一定的發(fā)電量。設計應根據(jù)電站建設環(huán)境、方式等綜合考慮是否安裝防反二極管。如果電站建設濕度大、腐蝕性強的地方或者直流電纜直埋敷設時，為了保證安全運行，建議安裝；如果電站建設環(huán)境好，直流電纜沿橋架敷設時，為了追求更高的發(fā)電量，建議不安裝；安裝了防反二極管，就增加了自身的故障點，環(huán)境溫度高的地方不建議安裝。
匯流箱安裝在電站的各個位置，防護等級應根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件有針對性的設計 。如濕度大的地方（如漁光互補）防潮等級要相應提高；溫度高的地方（如農(nóng)光互補，農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)）要加強散熱功能；腐蝕性強的地方（如沿海灘涂）外殼
應采用不銹鋼或者合金等材料。
五、逆變器設計選型及安裝
逆變器是直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的變流裝置，是光伏電站系統(tǒng)中的重要部件。對于大、中型并網(wǎng)光伏電站工程，一般選用大容量集中并網(wǎng)逆變器。通常單臺逆變器容量越大，單位制造價格相對較低，轉(zhuǎn)換效率也越高。選用單臺容量大的逆變器，可在一定的成都上降低投資，并提高系統(tǒng)可靠性。逆變器轉(zhuǎn)換效率越高，光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率越高，系統(tǒng)總發(fā)電量的損失就越小。故在額定容量相同時，應選擇轉(zhuǎn)換效率高的逆變器。逆變器的直流輸入范圍要寬，在早晨和傍晚太陽輻射較低時應具有一定的抗干擾能力、環(huán)境適應力、瞬時過載能力。如在一定程度過電壓情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)應能正常運行；故障情況下，逆變器必須自動從主網(wǎng)解列。系統(tǒng)發(fā)生擾動后，在電網(wǎng)電壓和頻率恢復正常之前逆變器不允許并網(wǎng)，在系統(tǒng)電壓和頻率恢復正常之后經(jīng)延時能自動重新并網(wǎng)。根據(jù)電網(wǎng)對光伏電站運行方式的要求，逆變器應具有交流過壓、欠壓保護、超頻、欠頻保護、防孤島保護、交、直流過流保護、過載保護、高溫保護等功能。逆變器應有多種通信接口進行數(shù)據(jù)采集并發(fā)往控制室。
集中型并網(wǎng)逆變器為了降低直流電纜使用量和降低直流損耗，逆變器應盡量布置在各子方陣的中間部位。但“漁光互補”型光伏電站各子陣建設在魚塘或者藕塘里，逆變器的安裝就位和運行維護都極不方便，所以“漁光互補”型電站逆變器應布置在站內(nèi)道路的兩側(cè)，即便如此，也應盡量靠近各子陣。因此，在電站總體布置前就應考慮道路與逆變器、匯流箱的有機結(jié)合。屋頂式光伏電站逆變器一般設計為地面安裝，或者直接安裝在建筑物地下空間內(nèi)。
對于采用自動跟蹤系統(tǒng)的光伏陣列，由于占地面積大，各個支架系統(tǒng)之間的距離較遠，安裝集中式逆變器直流電纜用量和直流損耗會比較大，可以選用組串式小容量逆變器。
逆變器進出線安裝位置與箱底部位應留有足夠的安裝空間，目前，國內(nèi)多家逆變器進出線安裝相當不方便，給安裝帶來極大的難度，留下一定的安全、質(zhì)量隱患。一般規(guī)定進出線安裝位置與箱體底部應留有≥250mm的安裝空間。
六、升壓變壓器設計選型
大、中型并網(wǎng)光伏電站基本選擇2*500kW集中式逆變器，其中配套設計的變壓器為1000kVA低壓雙分裂式變壓器。主要采用具有戶外式、體積小、安裝方便、少維護等特點的箱式變電站，目前常用的箱變有美式油變和歐式干變。美式油變結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，成本相對較低，過載能力強，安裝方便。主要缺點是變壓器本體、負荷開關等封閉在郵箱內(nèi)，發(fā)生故障時更換不方便，易滲、漏油，需建事故油池。熔斷器與油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分存在質(zhì)量通病，熔斷器熔斷后沒有三相聯(lián)跳裝置，造成缺相運行。油變的重瓦斯跳閘，只能跳本回路的低壓側(cè)，無法切除高壓進線電源；歐式干變空間相對較大，安裝更方便，便于維修。高低壓、變壓器室獨立隔斷，操作安全系數(shù)高。高低壓可根據(jù)用戶配置不同柜型。主要缺點為占地面積大、成本相對較高、過載能力一般、絕緣支撐件、分接開關位置在濕度大的環(huán)境下容易形成閃落、爬電，如處理不及時可能造成故障擴大。
一般在箱變內(nèi)部安裝變壓器綜合保護裝置，應有多種通信接口進行數(shù)據(jù)采集并發(fā)往控制室。
七、高壓開關的選型
目前、光伏電站主要選用金屬鎧裝中置開關柜，斷路器配置繼電保護，標準成套設備技術成熟，主要考慮品牌與造價做綜合選型。綜合保護裝置應有多種通信接口進行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至控制室。
升壓變壓器的布置一般緊靠集中式逆變器安裝，設計一個基礎平臺上 。
八、防雷接地工程
光伏電站接地材料首選鍍鋅扁鋼。熱鍍鋅扁鋼平均年腐蝕率為0.1mm/年，鋼材存在點蝕，點蝕的速度比年平均腐蝕率高幾倍，實際壽命約為15~20年。但建設地為強腐蝕地區(qū)時，需選擇鋼鍍銅材料。鋼材不存在點蝕，屬于緩慢的均勻腐蝕，銅在土壤中的腐蝕速度大約為鋼的1/5，銅的年腐蝕率為0.02mm/年，純銅接地裝置的壽命可達50年，鋼鍍銅接地裝置的實際壽命可達25~30年。
光伏電站由于占地面積較大，光伏區(qū)一般不配置避雷針。主要通過組件支架與場區(qū)接地網(wǎng)連接作為接地保護，投資比例相對較小。在綜合利用的光伏電站不能做到全封閉式管理，接地保護保護更不能馬虎。良好的接地網(wǎng)是設備和人身安全的重要保證。
九、綜合自動化系統(tǒng)
光伏電站應按“無人值守”的原則設計。開關站應配置中央控制室，通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)為基礎的集中監(jiān)控系統(tǒng)，完成對光伏發(fā)電單元及開關站機電設備的監(jiān)視、控制與調(diào)度管理。綜合自動化系統(tǒng)的設計應安全使用、技術先進、經(jīng)濟合理。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、技術性能和指標應與光伏電站的規(guī)模及其在電力系統(tǒng)中的地位和當前監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展水平相適應。
目前，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)通過匯流箱的監(jiān)控裝置，能監(jiān)測到每一路光伏進線分支，但是還不能監(jiān)測到每一塊電池組件。
十、結(jié)論
光伏電站建地址選擇太陽能資源好、地址條件好的區(qū)域，并能順利的通過各部門評審�？傮w布置要經(jīng)濟實惠，檢修方便，避免大規(guī)模重新規(guī)劃。選擇效率高、功率大、性能穩(wěn)定的光伏組件，合理選擇組件排列方式。根據(jù)工程特點選擇支架系統(tǒng)及基礎。匯流箱、逆變器的防護等級要與當?shù)丨h(huán)境相適應，布置要盡量減少集電線路的用量，通過電纜長度與容量計算選擇合適的電纜截面，從而降低線路損耗。全站接地系統(tǒng)可靠，自動化監(jiān)控系統(tǒng)完備。各項參數(shù)要滿足25年設計運行年限。
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