湖北山地太阳能光伏电站设计与效益分析
黎明，杨庆华，皮琪力
（1.湖北工业大学经济与管理学院，武汉430068:2太阳能高效利用湖北省协同创新中心，武汉430068；3.云南省格沧市致府办公室，临沧云南677000;4.湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉430068）
摘要：基于湖北省太阳辐射资源分布情况，选择以罗田为例晨开湖北湖北山地太阳能光伏电站设计与效益分析工作.文申分析了湖北山地光伏电站的特点及设计建设难点，对光伏组件串联数、阵列间距、设备布置进行优化计算，结合工程地质和环境条件，对组件和电气设备选 择，为今后山地光伏电站的发展提供理论依据和参考.
关键词：山地光伏电站；设计优化；设备选型
中图分类号：TK519.2文献标志码：B文章编号：1009-3230（2016）10-0050-03
BOCAnalysisandOptimumDesignStudyofthePhotovoltaic StationinHubeiMountainArea
LI Ming'² YANG Qing - hua² PI Qi li²
1. Department of Economie and Management Hubei University of Technology Wuhan 430068 China;2. Hubei Collaborative Innovation Center for High efficiency Utilization of Solar Energy.Wuhan 430068 China;3. Linchang Government Offie Linchang Yunnan 67700 China;4. School of Electrical and Electronic Engineering Hubei University of Technology Wuhan 430068 China
d ee u oo p n a pe s up ns s u station foundation were analyzed according to the solar radiation investigation in Hubei Province. On thebasis of the engineering geological and environmental conditions the mathematics models wereestablished to optimize serial number aray spacing oquipment layout. Thus some advice on the PVq u uaeo s s the theoretical basis and reference for the future development of the mountain area PV power station.
Key words: Mountain PV power station; Optimum design; Equipment selection.
开招标的光伏发电项目共计175个，光伏系统安装量合计约为40MW9.截止到2008年底，中国光伏发电的累积装机容量己达到140MW.太阳能电池及光伏发电系统现在已经广泛地应用于工 业、农业、科技、国防及人民们生活的方方面面，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有重要比例.
0引言
一个热点和难点问题.加快发展风能、太阳能、生 能源问题始终是倍受我国和世界各国关注的物质能等可再生能源，是“十一五”规划提出的明确任务.在气候变化及能源危机的背景下，光伏 发电成为全球的主流能源.近几年，由于光伏组件价格及光伏产业链的完善，光伏电站建设得以快速发展.据招标网的统计，2008年全国通过公
当前，国内大量光伏电站主要选择太阳能资源丰富、地势平坦的戈壁滩、荒草地、海边滩涂、沙 漠作为主要建设场址.但随着光伏电站建设数量及容量的不断增加，具有良好建站条件的土地资
源日趋减少，山地等建设条件次之的土地成为重要的光伏电站建设资源.在山地、丘陵等复杂地形条件进行光伏发电站建设，存在系统方阵布 局与自然的协调性差，系统匹配损失大，施工难度大，成本控制难，运行维护成本高等诸多问题.由于建设场地地表异质化严重，导致设计建设难度和成本增加，但具有土地成本低、管理方便，土地 利用率高等优势.因此山地光伏电站的设计必须从安全性和经济性等多方面进行考虑.
根据中国太阳能资源区划指标，湖北省属于我国太阳能资源第Ⅲ-IV类地区，年均太阳能水平辐照在4200~5400MJ/m²之间，具有一定的 太阳能开发潜力.其中，鄂东北以及鄂西北部分区域年太阳总辐射大于4600MJ/m²，日照时数在19002100h之间，年晴天日数在155~180d之间，年平均大于等于7d的连阴（雨）天过程为 1.8~2.2，大于10d的连阴（雨）天过程不足1次，是湖北省太阳能最佳地区.因此，文中拟以太阳能辐射较强区域罗田为例，展开湖北省山地光伏电站研究.
1太阳能资源状况
罗田县属北亚热带季风气候，冬干（冷）夏湿，春暖秋凉，年均总日照时数2047h，年均水平辐照1482kWh/m²（如图1所示）.全县年平均气温16.4℃，极端最高气温41.6°℃，极端最低气 温-14.6℃，无霜期平均240d.全县年均降水量1330mm，全年降雨多集中在5.6、7三个月，约占全年降雨量的50%左右.
图1罗田太阳能辐射水平月变化
2光伏列阵设计方案
2.1设备选型
（1）光伏组件的选型
大型光伏电站项目，光伏组件用量很大，为了减小光伏阵列的占地面积，应选用容量较大的光伏 组件.从性价比考虑，宜选用多晶硅组件.以本项目为例，推荐选用300Wp的多品硅光伏组件.
（2）支架的选型
在支架的选择上，我们要充分考虑到当地的
气候条件，使得我们选用的支架能够满足于当地最大风速、最大降雪量等极端气候条件.
(3）逆变器的选型
目前国际上技术成熟、运行稳定的大型逆变器的容量为500kW，因此光伏电站一般将光伏组件与逆变器连接成一个500kW的最小发电单元.以本项目为例，选用200台500kW集中逆变器.
（4）汇流箱的选型
对于大型光伏并网发电系统，为了减少光伏组件与逆变器之间连接线，方便维护，提高可靠性，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装置，即光伏汇流箱.选择汇流箱可参照光 伏汇流箱技术规范（CNCA/CTS0001-2011）和工程特点进行，汇流箱的回路数需根据电站各个区域的实际情况确定.
2.2阵列的设计
（1）串联方案设计
光伏方阵通过光伏组件的串并联得到，光伏组件的串联必须满足并网逆变器直流输人电压的要求，设每个阵列申联数为N，则：
Nmax = Udcmax/Voc
Nmin = Udemin/Vmp
因此，每个阵列串联个数Nmin≤N≤Nmax
当地的最高最低温度，计算极端温度下每种串联方 考虑到温度对光伏组件开路电压的影响，结合案的开路电压，选择出使系统效率最大的组件串联方案.以本项目为例，N=20为最佳串联方案.
(2）倾角的设计
利用PVSYST（v5.55瑞士）仿真可以得到方阵最佳倾角，以本项目所在地罗田为例，最佳倾角为30°（如图2所示）.
图2PVSYST最佳倾角分析
（3）间距的计算
遮挡物H在坡面和水平面的遮挡可表示为：Hcos(yS-yn)
9：00-15：00时段内前、后、左、右互不遮挡.本研究以南偏东10度，倾角15度的坡面布置光伏阵列为例，可得冬至日阵列的遮挡如下表所示，根 据遮挡参数表，则可求出满足冬至日上午9点至下午3点光伏组件无遮挡的最佳间距.
Sx=Sycosβtan(ys -yn）
水平面：Ss= Hcsys ;Se = Sstanys tana
其中，a太阳高度角；β坡面倾角；y.太阳方位角；y.坡面方位角；y修正方位角.
范》要求，光伏阵列间距设置要保证在全年每天 根据GB50797-2012《光伏发电站设计规
挡相关参数
表1
时间 （）m a（°) n（) Sy/H(m) Sx/H(m) Sw/H(m) S/H(=)00²8 00°6 60° -45 11.5 21.3 -44.1 -54.2 34.1 -44.2 1.88 1.40 1.76 -0.92 2.88 1.84 66- 1.7800°01 -30 -15 29.3 34.6 -31.8 16.9 21.8 -6.9 1.19 1.07 0.46 0.13 1.39 1.51 0.94 0.4200²11 12;00 0 36.5 0 10 1.02 0.17 1.35 013;00 14;00 30 15 34.6 29.3 16.9 31.8 26.9 41.8 0.99 1.01 0.49 0.87 1.39 1.51 0.42 0.9415:00 45 11.5 21.3 44.1 54.2 54.1 64.2 1.11 1.41 1.48 2.82 2.88 1.84 1.78 3.9916:00 17:00 60 75 0.4 62.4 72.4 3.55 10.80 55.36 105.8918:00 90 11.5 69.4 79.4 1.23 -6.35 1.73 -4.60
3 安全性保障
由于山地属于雷击高发区，因此我们需要对光伏电站采取防雷保护.应该充分利用每个光伏组件基础内的钢筋作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设不同的人工接地网，以满足接电势和跨步电压的要求.并且电气设备外壳、 地电阻的要求，重点区域加强均匀布置以满足接触开关装置和开关柜接地母线、架构、电缆支架、和其它可能事故带电的金属物都应可靠接地.
为原因造成火灾，因此我们有必要考虑光伏电站的 山地植被较多，容易因为雷击等自然原因或人消防问题.以本项目为例，由于是100MW的大型电站，因此一般设置有火灾报警系统.光伏电站一般建设在屋顶及偏远地区，现场查看很不方便，面 光伏电站监控就是将光伏电站的逆变器、汇流箱、辐照仪、气象仪、电表等设备通过数据线连接起来，用光伏电站数据采集器进行这些设备的数据采集，并通过GPRS、以太网、WIFI等方式上传到网络服 务器或本地电脑，使管理者可以在互联网或本地电脑上查看相关数据，方便电站管理人员和用户对光伏电站的运行数据查看和管理.
图3光伏电站投资效益评估
5 结束语
随着光伏发电技术的飞速发展，太阳能光伏危机理想选择.山地光伏电站因其用地成本低、管 发电技术将是21世纪人类面对气候变化及能源理方便，土地利用率高等优势，将是未来光伏电站建设的主流.文中采用罗田太阳总辐射量作为研究基础，对湖北山地区域开展太阳能电站建设可利 用性、光伏列阵的优化设计及成本效益等做了较为充分的研究分析，并且就湖北山地光伏电站建设串联数、最佳倾角及列阵间距给出建设意见，为山地电站建设的场地平面布置提供参考依据.
4成本效益分析
参考文献
资效益粗略分析，结果如下：假设不向银行贷款， 用光伏宝（上海）对本100MW光伏电站对投以1元的固定电价出售给电网，政府补贴0.10元/度，补贴时长5年，并由专业第三方运行维护，则初始投资约为7.80亿元，25年总收益约为 13.26亿元.
[1]栾石林，李光明，廖华，等，太阳能山地光伏电站优化设计研完，云南师范大学学报（自然科学[2]刘可群，陈正洪，夏智宏，湖北省太阳能资源时空 版） 2014 34(5):25 31.分布特征及区划研究，华中农业大学学报，2007.26(6) : 888 893.
