湖北地区光伏农业大棚项目技术方案特点

刘晓艳 王玉辉

（湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 43300004411）

日前，国家能源局正式下发国能新能（2015）73号文件，发布《2015年光伏发电建设实施方案》。方案提出，鼓励结合生态治理、设施农业、渔业养殖、扶贫开发等合理配置项目。鼓励通过竞争性方式配置项目资源，选择技术和经济实力强的企业参加项目建设，促进光伏发电上网电价下降，对降低电价的地区和项目适度增加建设规模指标。《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》已将太阳能光伏生态大棚电站的模式划定为BIPV（光伏建筑一体化）示范项目，享受国家财政补贴。

光伏农业大棚是一种新形式的土地综合利用方式，是现代化农业与清洁能源紧密结合的产物，项目节约用地，不改变土地属性，又可以将空间立体利用，产生清洁电力，扩大供电可再生能源比例，带来双向效益。

1 项目概况

湖北地区某光伏农业大棚项目规划总容量40MW，占地面积1 443亩，属丘陵垄岗地貌，计划在农业大棚内种植葡萄。厂址东西侧地形相对较宽缓，该地段最大高差达3～6m。场地中部发育南北向冲沟。经现场勘探及结合区域资料，厂址地基岩土分布主要有：人工填土（Q4ml）、第四系全新统冲湖积（Q4l）淤泥、冲洪积（Q4al+pl）黏性土及第四系上更新冲洪积（Q2al+pl）黏性土。

光伏组件选型号为255Wp多晶硅电池组件，采用组串式逆变器。以35kV电压等级接入系统，缓解地区环境保护压力，促进地方经济的发展，具有良好的社会和环保效益。工程建成投产后，所发电量在当地电网消纳。

2 本项目技术方案的特点

2.1 光伏阵列设计及布置方案

根据采用的支架形式，光伏阵列采用横向布置，单个光伏组串由20块光伏组件构成。固定式光伏组串成排安装，经计算阵列南北向间距6.7m。考虑到3～10月份为农业大棚内种植的葡萄的生长期，计算出在3～10月份阵列阴影范围的基础上，预留业主用于种植农作物宽度，经计算优化阵列南北向间距7m。

图1 光伏阵列支架布置形式

光伏电站一般有横向和竖向两种组件布置形式（如图1所示）。两种布置形式，占地面积基本相同，竖向布置形式可节省光伏电缆的使用数量，从节约投资的角度考虑，早期的光伏电站设计上较多采用竖向布置［1］。

光伏组件的布置形式同样影响光伏电站的发电效率。一般情况下，光伏电站的设计原则，是在冬至日上午9时之后下午3时之前无阴影遮挡，早晨和傍晚将不可避免地会出现阴影遮挡光伏组件的现象，对电站总体效率和维护带来差异。多晶硅组件中，一块组件一般由60片或72片电池片串联而成。当串联支路中的一个太阳电池被遮挡时，将被当作负载消耗其他的太阳电池所产生的能量，被遮蔽的太阳电池会发热，严重影响组件的输出功率，同时还会破坏太阳电池的性能。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。

当光伏组件被阴影遮挡50%时，竖向安装的光伏组件不仅不会输出功率，还会产生热斑效应。但在同样比例的阴影遮挡下，横向安装的光伏组件依然正常工作，功率等比例下降，无热斑效应［2-3］。

经过实践证明，同一地区同等规模的光伏电站，横向阵列比竖向阵列的电站发电效率高出3%～5%左右，从而影响光伏组件的转换效率和峰值功率。

本项目的设计方案从业主收益角度出发，采用的是光伏组件横向布置方案。

2.2 集电线路方案

由于农业光伏的特殊性及阴影会显著降低太阳能电池发电量。本项目集电线路不考虑采用架空线方式，采用加保护盖板直埋方式［4］。

集电线路电缆过河沟时，若从水下走，需用防水电缆，虽然采购量不大，但是需要设置接头井，工序复杂。因此过河沟电缆敷设采用桥架方式，建设不高于0.5m的混凝土电缆桥，将电缆槽盒敷设其上，槽盒上铺以草皮加以美观。桥架宽度大于3m时在河道中心适当位置设置桥墩。

图2 过河沟电缆敷设电缆桥架形式

2.3 组件支架及基础

本项目采用固定倾角安装方式，光伏阵列采用三角形钢结构空间支架，支架采用镀锌防腐，光伏阵列基础没有采用传统的螺旋管桩和微孔灌注桩的形式，而是采用预应力管桩基础。

预应力管桩显著优点是工期短、造价低，尤其适用于本项目淤泥软土地区。工期短主要体现在三个方面：一是施工前期准备时间短，经高压蒸养的PHC桩，成型后到使用只需几天；二是施工速度快；三是检测简单快捷。

造价低主要体现在两个方面：一是管桩单体长度的价格较低，其承载力较高，单位承载力的造价较低；二是工期短，可以节省施工费用，缩短投资回收时间。

2.4 选用小型组串式逆变器优势

目前光伏并网逆变器有大型集中式光伏并网逆变器和小型组串式光伏并网逆变器两种主要形式，在光伏农业大棚项目上选用小型组串式光伏并网逆变器具有如下优势：

图3 组串式光伏并网逆变器方案示意图

①提升光伏发电整体效率：多路MPPT，更好地满足组件一致性匹配。直流故障损失低、系统自耗电低。

②设计施工方便：可组成兆瓦单元结构，便于设计。逆变器体积小，布置于阵列支架上，无土建基础，安装。

③降低运行故障率：无风扇、无熔丝、组串智能检测，故障影响范围缩小。

④节省土地、增加土地利用率。

本项目选用国内优质的一线品牌的组串式逆变器，减少了开关损耗，电能质量好，电压跳变辐度小。模块化逆变器通信模块采用移动4G方式进行通信，逆变器通信模块与其所连接的组串之间采用无线载波通信。提高可靠性，便于施工，减少运营工作量。

3 结语

随着我国农业产业结构的深化调整和转型升级，以科技、高效、安全、环保和多功能为标志的现代化农业项目蓬勃发展。光伏农业大棚项目是集光伏发电、农业观光、农业作物、农业技术、园林景观及文化发展于一体的创新型农业产业。本项目实施后将推动绿色农业生产，智能循环，单个模块故障不中断发电，故障检修时间短。可以有效地提高发电量。消除了光伏组串式不匹配的损失，取消了直流汇流箱和直流柜，取而代之的是交流汇流箱，容量配置更加灵活。防护等级可达到IP65。箱变至逆变器之间采用PLC通信技术，比普通的RS-485通信技术传输速度更快。

表1 通信方案对比表

2.5 光伏发电监控系统

本项目电池组件数量庞大，为便于运行维护，光伏电场进入中央监视，监视范围深入到串联回路。采用有智能监控和故障检测功能的组串式逆变器，用无线方式送检测信号至监控中心［5］。

光伏发电监控系统采用分布式网络结构，实现对光伏发电、逆变设备的监视、测量、控制功能。监控主机与真正实现科技高效的循环生态农业，发挥产业集群效应，繁荣地区经济，建成省市特色农业的样板和窗口。

［1］慕阳.浅谈太阳能光伏发电系统在农业大棚中的应用［J］.科研，2015（17）：187-187.

［2］黄勇.光伏发电系统在温室大棚上的应用［J］.科技广场，2015（5）：69-76.

［3］蒋广洁，韩航玲.关于枣庄市台儿庄区发展光伏农业大棚的思考［J］.现代农业科技，2014（13）：225-225.

［4］黄华，张梅，何银涛.基于PKPM-PMSAP的多跨连栋式光伏农业大棚结构分析［J］.太阳能，2015（8）：24-26.

［5］王晓东.光伏技术在农业大棚上的应用［J］.化工中间体，2015（5）：39-40.