陕西大兴电力勘察设计研究院 710032
一、概述
农光互补是将太阳能光伏发电和农业种植及养殖相结合的一种技术，可以实现土地立体化增值利用，建设现代高效农业综合经济体。
陕西合阳桂花光伏园养鸡场农光互补光伏项目位于陕西省合阳县路井镇郭家坡村境内北面的沟壑内，海拔高度580～700m、中心坐标11002’50”E、3505’6”N。
本工程位于路井镇郭家坡村，光伏资源丰富，利用潜力较大。近二十年来太阳能敷设分布较稳定，其数值基本在5000MJ/m2-6000MJ/m2范围内，选取的工程代表年太阳敷设量为5397.38MJ/m2，并将此值定为本工程设计标准值。
养鸡场一期布置在养鸡场的西南角；已建成投产。养鸡场二期布置在养鸡场的东面整个南北向沟壑内；已完成设计。养鸡场东面南北向山地光伏的布置也在本工程规划范围内。
本项目总用地面积为116115.197平方米，其中养鸡场总用地面积为一期养鸡场占地13886.507平方米，二期养鸡场占地25774.042平方米，东面山地占地76454.648平方米。
本项目以养鸡场为主，兼顾太阳能发电开发（年利用小时1142h）。光伏太阳能发电部分分为屋顶光伏发电、放养场地光伏发电和山地光伏发电。电站总装机容量约1.3MWp，光伏总占地约19000m2（28.50亩）设计建设期6个月，生产运行期25年，总投资约910万元人民币。
屋顶光伏发电是个既有经济效益又有环保效益的项目，首先，使用建构筑物屋顶进行发电，不需要单独占用土地，发电量如此之大，也节省了一大笔费用，其次，与传统火力发电相比，光伏发电不产生任何有害物质，是清洁无污染能源。此外，建构筑物屋顶发电随发随用，就近供电，避免了长距离输电所造成的电能损失，节省了输电成本。当前,国家颁布了“分布式光伏发电”有关政策，允许安装光伏设备并网发电，“除供自己使用外，用不完的还可以卖给电网。此外还能享受相关政策补贴”。根据新能源产业政策，项目建成后税收是三免三减半。
屋顶太阳光电安装简单方便，无噪音，无污染，建设周期短，自动调控，无需人员值守，减少常年运行费用。
山地光伏电站是指在山地、丘陵等复杂地形条件下建设的光伏电站，建设地表起伏不平、朝向各异、局部伴有山沟，地形可使用面积不规则、分散，设计难度大，建设成本高、发电效率减少等特点。根据资源情况、山体地形条件、周围环境，在满足技术规范和要求的基础上，如何选择组件、逆变器、支架安装方式、系统设计方阵排布、阵列遮挡计算、防雷接地设计、集电线路跨渠跨沟设计、场内道路、给排水，优化系统效率、保证电站有较好的经济性、可靠性、安全性，这些都是光伏电站的设计难点。
山地光伏电站设备选型在选择组件、汇流箱、箱变、可调支架需注意外，比较重要的是逆变器选型。目前可用于山地的逆变器有四种，A型组串式逆变器（40KW）、B型山地形集中式逆变器（500-630KW）、C型常规集中式逆变器（500-630KW）、D型集散式逆变器（500-630KW）。这四种逆变器各有特点。
A型组串式逆变器（40KW）
组串式逆变器单台容量小，适合山地电站的应用，相对可以带来更高的发电量。但由于组串式逆变器单台容量小，建议小型山地光伏电站使用，如在大型山地形地面电站使用组串逆变器达上千台后，容易造成系统谐波震荡，给电站带来一定安全风险。
B型山地型集中式逆变器（500-630KW）
山地型集中式逆变器适用于大型山地电站，多组MPPT的逆变器设计是针对山丘电站开发的方案机型，保持集中型逆变器在经济性、稳定性、和电网友好性的优势同时，将同一朝向布置的组件规模控制在125KW，兼顾了设计施工的可行性和运营发电的高效性。
受业主委托，我们陕西大兴电力勘察设计研究院，对陕西合阳桂花光伏园养鸡场农光互补项目方案进行了细致的研究。现就我们的设计展开叙述。
项目概况：
1.项目名称：合阳桂花清洁能源公司农光互补养鸡场光伏项目。
2.项目建设单位：陕西合阳桂花清洁能源有限公司。
3.建设地点：合阳县路井镇郭家坡村桂花公司养鸡场境内。
4.设计内容：合阳桂花养鸡场一、二期范围内光伏设计和养鸡场东面山地光伏设计。
5.设计阶段：方案研究。
6.本阶段设计原则：
1）本工程光伏发电按全部上网设计。
2）本工程光伏设计采用260Wp光伏板。
3）本工程地面光伏光采用斜铺布置；屋顶光伏板沿屋面平铺（养鸡场全部是斜屋面）布置。
4）养鸡场内屋顶及放养场地和山地能布置光伏板的地方尽量设计光伏。
5) 放养场地尽量设置光伏板（将光伏板基础桩提高至地面上一米，光伏板下即可种植；又可放养鸡禽等动物）。
6）本工程施工运输费暂按10万元计。
7) 本工程国家及地方补贴按1元/千瓦时计算。
8）本工程光伏发电接入一期附近的35KV箱变
9) 二期养鸡场的建设、宿舍、库房等建筑物的设计业主已另行委托其它单位设计。
10) 养鸡场防洪由业主另行委托其它单位设计。
11）观景台、精品养殖区及养殖观赏展区不在本项目设计范围内。
合阳县位于陕西省关中地区渭北黄土台塬东部，黄河中游的西侧，总面积1341.5km2，属暖温带干旱半干旱大陆性季风气候，四季分明，县境内多年平均降雨量533.3mm，年降雨量偏少，年际间变化大，季节分配不均匀，降水多集中在七、八、九三个月。县内水系为黄河水系，主要河流有黄河以及黄河的一级支流金水沟、徐水沟、太枣沟及大峪河。
合阳县属于暖温带干旱半干旱大陆性气候，春季受海洋暖湿气团影响，气温渐高，少雨干旱；夏季受太平洋副热带气团影响，气温最高，多有暴雨，酷暑炎热而常见伏旱；秋季冷暖气团交替出现，秋高气爽；冬季受内蒙古冷高压气团的影响，气温低，雨雪少，晴冷干旱而常现严寒。总之该地区冬夏期长，春秋期短，四季分明。
现将合阳气象站多年常规气象要素进行统计，见表4：
陕西合阳桂花光伏园养鸡场
陕西合阳桂花光伏园养鸡场一期工程建于2015年7月，共建有鸡舍450m2、仓库40m2、住房50m2、规划养殖5000只鸡；总投资292.40万元。二期工程拟建鸡舍900m2、仓库200m2、住房80m2、规划养殖10000只鸡；总投资461.60万元。二期还拟建散养猪场20头（投资5万元）、规划设置精品养殖区和观光台等(投资54万元)。
本次方案主要研究养鸡场内所有可利用屋顶及可利用动物放养场地和可利用山地设计布置光伏板的问题。养鸡场一期已建设好；本设计规划在一期的鸡舍和放养场地设置光伏；养鸡场二期未建设；设计要考虑在养鸡场二期的鸡舍及鸡放养场地设置光伏并设计二期鸡舍；养猪场及东侧的山地设置光伏。
二、总平面布置
一）本工程依据建设单位提供的资料进行设计，主要设计范围为：
1. 一期养鸡场可利用屋顶光伏设计。
2. 一期养鸡场可利用放养场地光伏设计。
3. 二期养鸡场可利用屋顶光伏设计。
4. 二期养鸡场可利用放养场地光伏设计。
5. 养鸡场东侧可利用山地光伏设计。
6. 养鸡场防洪由业主另行委托其它单位设计。
7. 二期养鸡场的鸡舍等业主已委托其它单位设计。
二）主要设计原则：
1.依据建设单位提供的资料，养鸡场可利用屋顶均设屋顶光伏，利用养鸡场放养场地设置光伏（放养场地布置光伏，光伏板下空地可以作为鸡放养场地；又可以作为种植鸡饲料场地）。
2.养鸡场东侧可利用山地全部设置光伏（除了山地地面坡度大于30度）。
山地地面坡度大于30度不适宜设计光伏的原因：
1）大于30度的山坡行走都很困难，施工及运行维护较难。
2）山地坡度大于打桩机最大工作仰角，无法打桩。
3）安全问题突出。
4）最好是相对选地势平坦的，或北高南低的，一般光伏电站不适宜装在斜坡上。
3.据业主提供太阳遮挡情况为:上午东侧遮挡范围为7米，下午西侧遮挡范围为9米。设计时二期养鸡场放养场地西侧10米遮挡内不布置光伏板。
三)方案设计
结合工程现场实际情况；经过与业主协商我们设计了二个总平面布置方案。
1.总平面布置方案一（设计推荐方案）
1）在养鸡场一期建构筑物朝南屋顶上半铺设置光伏板，养鸡场一期放养场地因地下有孔洞不设置光伏板。
2）在养鸡场二期南端东西向（正南正北）设置二期宿舍、二期库房和二期鸡舍，在其北侧设置为二期养鸡放养场地；二期养鸡场建构筑物朝南屋顶上半铺设置光伏板、放养场地设置光伏板。
3）养鸡场东侧的山地当坡度＜30°和没有树林的地方；全部设置光伏板。
4）在鸡舍顶棚南侧布置光伏板，考虑主体桁架结构受力形式，尽可能使原有檩条不受力，将屋面光伏板的主要荷载通过新增檩条传递给屋架节点上，避免了对原有屋盖檩条的改造或加固。
2.总平面布置方案二（业主规划方案）
1）在养鸡场一期建构筑物屋顶上满铺设置光伏板，在养鸡场一期放养场地设置光伏板。
2）在养鸡场二期南端东西向设置二期宿舍、二期库房和二期鸡舍，在其北侧设置为二期养鸡放养场地。二期养鸡场建构筑物屋顶满铺设置光伏板、放养场地设置光伏板。
3）养鸡场东侧的山地当坡度＜30°和没有树林的地方；全部设置光伏板。
4)在现有鸡舍四周新增加基础及钢框架，将光伏板布置于钢框架顶面，这样使得鸡舍屋顶的可布置光伏板面积多一倍。
总平面布置方案一与方案二的区别主要在:
1）因一期养鸡场放养场地地面土层下有孔洞：方案一没有设置光伏板；方案二考虑地基处理后设置光伏板。
2）方案一所有屋顶按朝南面的半扇屋顶设置光伏板；方案二所有屋顶按支架处理后满扇屋顶设置光伏板；
3）方案一二期养鸡场的建构筑物全部采取正南正北布置；有利于屋顶光伏板的布置。
4）方案一在鸡舍顶棚南侧布置光伏板，考虑主体桁架结构受力形式，尽可能使原有檩条不受力，将屋面光伏板的主要荷载通过新增檩条传递给屋架节点上，避免了对原有屋盖檩条的改造或加固。
5)方案二在现有鸡舍四周新增加基础及钢框架，将光伏板布置于钢框架顶面，这样使得鸡舍屋顶的可布置光伏板面积多一倍。
6）方案一屋顶光伏支架土建结构合理、投资少、施工简单效果好；方案二屋顶光伏支架土建结构复杂、投资大、施工烦硕不美观。
四）总平面布置技术经济指标
1. 总平面布置图方案一总装机容量约：0.8MWp；总造价约为550万人民币。
2. 总平面布置图方案二总装机容量约：1.3MWp；总造价约为910万人民币。
五）总平面布置方案比较
1.方案一
优点：工程总造价底。对原有建构筑物主体结构影响较小，土建结构费用较少；屋顶光伏感观效果好。
缺点：缺点是较建构筑物四周增加钢支架的方案，屋顶可布置光伏板的面积少一半。
2.方案二
优点：光伏整体装机容量大。
缺点：工程造价高、新增的光伏支架基础及钢框架投资费用较高、现场施工量较大、屋顶光伏满铺不美观；效果差。
六）方案推荐意见
经过以上综合比较，总平面方案一总体布局合理，场区布置紧凑；能合理利用地形地貌，与周边环境相协调，设计中做到充分利用养鸡场内现有土地。特别是二期养鸡场的建构筑物采用正南正北布置，有利于光伏板的设置；同时合理利用养鸡场东侧慌弃山地布置约0.5mwp光伏板，真正做到了农光互补。同时优化了光伏板支架的结构设计；缩短施工工期；在山地光伏布置中尽可能平行于等高线，同时采用阶梯式布置，尽量减少土方工程量。
总平面方案一总共布置0.8MWp光伏板，设计的工艺流程非常合理；光伏板的实际用地面积较小，一期养鸡场放养场地因地下有孔洞不设置光伏板，减少了地基处理工程量。该布置还具有施工和运行条件好，总平面布局合理等优点。
综上所述，本初步设计推荐站平面布置方案一。
3.组串式逆变器
逆变器采用40kW组串式逆变器，可汇入8路光伏组串。
4、交流汇流箱
交流汇流箱采用5汇1。
5、35kV箱变
箱变容量1000kVA，35kV/0.315V/0.315V或1500kVA，35kV/0.315V。
最终接入以一台35kV变压器，容量1250KVA接入附近箱变高压侧。
四、土建结构布置
根据本工程实际情况，因现场已建成一期50MWp地面光伏电站，已并网运行，二期50MWp安装也已接近完成，故对于养鸡场地面光伏的基础及支架拟仍采用二期的结构形式，方便厂家供货及现场施工。
根据业主意见，在现有鸡舍四周新增加基础及钢框架，将光伏板布置于钢框架顶面，这样使得鸡舍屋顶的可布置面积多一倍，但缺点是新增的基础及钢框架使得费用较高，现场施工量较大。
在对养鸡场实地考察听取现场人员的意见后，并对原有结构图纸进行验算校核，暂定在鸡舍顶棚南侧布置光伏板，因屋盖檩条承载力有限，考虑主体桁架结构受力形式，尽可能使原有檩条不受力，将屋面光伏板的主要荷载通过新增檩条传递给屋架节点上，避免了对原有屋盖檩条的改造或加固。不改变原有屋面排水方向，避免了屋面因积水产生的渗漏和变形。
光伏板平铺于原有屋面上。在原有屋架节点处伸出400mm高矩形管，矩形管上敷设光伏板檩条，其上铺设光伏组件。整个系统自重折算后，屋面恒载增加0.25KN/㎡，其优点是不会产生额外的风荷载，对原有主体结构影响较小，费用较少。缺点是较鸡舍四周增加钢支架的方案，可布置光伏板的面积少一半。
在一二期仓库屋顶以同样的方式敷设屋顶光伏，住房屋顶考虑防水要求，以屋面紧固件的构件来将光伏组件固定于屋面混凝土板上，同样可以布置光伏组件，能较好的体现农光互补的理念。
五、组件清洗及消防
根据业主要求，二期养鸡场供水水源由一期水源提供，不再另设清洗水源。生活饮用水为桶装水。电池板清洗方式与一期光伏区现有清洗方式相同，由清洁公司负责组件清洗。
本项目光伏板清洗方式
养鸡场及本次新建光伏区的雨水排水根据地形自然排放。生活办公区不再单独建设，不产生污废水。
消防：贯彻“预防为主，防消结合”的方针，加强工作人员的安全意识。选用绝缘良好的电气设备，并在设备订货时向厂家明确电气设备各侧套管泄露比距（按最高电压计算）。
电缆构筑物和电缆敷设采取必要的防火措施，如电缆沟，电缆隧道设置必要的防火墙，设备盘（柜）底部的电缆孔洞采用封堵等。重要场所采用聚乙烯绝缘、聚乙烯护套的交联阻燃电缆。注意防电伤、防机械和其他伤害。
养鸡场鸡舍的通风和其他建构筑物的采暖通风不在本设计范围内。
六、光伏补贴分析
根据《国家发改委关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》，含税上网电价为1.0元/kWh测算：
1.本工程方案一按补贴电价计算：25年共计发电补贴约为4095万元。
2.本工程方案二按补贴电价计算：25年共计发电补贴约为2520万元。
七、施工组织
1.屋顶光伏及山地光伏施工
1）光伏各工艺流程及主要施工方法
a）支架安装
运输→分点→定位放线→验线→安装支架→自检
b）太阳能电池组件安装流程
运输→分点→检测→定位放线→验线→竖向支撑件装配→安装组件→安装压板→自检
c）线缆的安装流程
运输→分点→检测→组件间串接电缆连接→引出电缆穿管、铺设（从方阵到接线箱）→接线→自检
d）组件安装注意事项
由于组件的串联数量多，开路电压较高。超过了安全电压范围，所以必须注意以下事项：
为防止高电压和电流的产生，在连接电缆之前，可以先使用一块不透明材料将组件完全遮盖，然后再进行电缆连接。不要接触组件带电的末端或电线。但是，如果依据当地的安全法规，在操作过程中采取了适当的保护，上述的要求则是不必要的。
在安装时不要带金属首饰。
使用被许可的绝缘工具。
在干燥的条件下进行安装，同时也确保所使用的工具的干燥。
组件主要被用在户外，在闪电时有被雷击的危险，接地电缆应该良好地连接到组件框架；
如支撑框架由金属制作，支撑框架的表面应该进行电镀处理，具有良好的导电性能。接地电缆也应该良好地连接到金属材料的支撑框架上。
在组件框架的中部有一对预先打好的孔，这两个孔是专门用于安装接地电缆的。
组件的接地电阻必须小于10欧姆。
2）施工进度计划的关键路径顺序：
前期准备工作→安装钢框架→安装钢次梁→安装斜支架→支架总体调整→支架螺栓紧固→安装光伏组件支架檩条→校正檩条和孔位→紧固所以螺栓→符合光伏组件孔位→第一批光伏发电组件试运行→第二批光伏发电组件试运行→并网发电投入商业运行。
其中安装工程的关键为：
安装太阳光伏组件前，应根据组件参数对每个太阳光伏组件进行检查测试，其参数值应符合产品出厂指标。一般测试项目有：开路电压、短路电流。应挑选工作参数接近的组件在同一子方阵内。应挑选额定工作电流相等或相接近的组件进行串联。
安装太阳能光伏组件时，应轻拿轻放，防止硬物刮伤和撞击表面玻璃。组件在基架上的安装位置及接线盒排列方式应符合施工设计规定。组件固定面与基架表面不吻合时，应用铁垫片垫平后方可紧固连接螺丝，严禁用紧拧连接螺丝的方法使其吻合，固定螺栓应加防松垫片并拧紧。
光伏组件电缆连接按设计的串接方式连接光伏组件电缆，插接要紧固，引出线应预留一定的余量。
2.施工要素
施工场地:屋顶光伏施工场地利用屋顶空地、山地光伏利用山地空地。
施工水电源：本工程高峰用水量为10t/h。施工水源从附近水管引长度约100 m。本工程高峰用电负荷为10KW。施工电源附近电源引接，长度约100m。
施工工期:三个月（材料准备15天、光伏施工60天，收尾验收15天）。
施工人员：50名。
施工机具：
八、造价分析
1.本工程总平面布置方案一：总装机容量约为1.3 MWp总造价约为：910万元人民币，回收期约为5.6年。
2.本工程总平面布置方案二：总装机容量约为0.8 MWp总造价约为：550万元人民币，回收期约为5.5年。
九、存在问题与建议
1. 存在问题
1）一期养鸡场的排水问题：一期养鸡场建在整个养鸡场西南角(东西)向沟壑内，是整平后作为一期养鸡场的鸡舍和鸡放养场地。因此一期养鸡场建设带来了山洪隐患；建议埋设大孔径排水管解决排洪问题。
2) 整个养鸡场的排水问题：整个养鸡场建在东西向和南北向沟壑内，养鸡场整个场地北高南底，最低排泄处在养鸡场大门东面沟壑内。现场由于修建养鸡场南侧的道路，已经将此沟壑尽头填埋；因此带来了整个养鸡场的山洪隐患；建议在此道路下埋设大孔径排水管解决排洪问题。
2.建议
1）增加养羊圈：设计建议在二期养鸡场场地道路西面黄土壁上挖些窑洞作为养羊圈，用来养殖优质奶山羊；增加农业综合开发项目的范畴，提高经济效益。
2）增加养鱼池：设计建议在养鸡场场地南面黄土排水沟内修建养鱼池，用来养殖优质淡水鱼；即可增加农业综合开发项目的范畴，又能提高经济效益。
3）在养鸡场围栅的部分柱子上设置光伏板：设计建议将部分围栅柱子设计成仿古装饰柱，在其上布置光伏板；即可起到景观效果，又能增加发电量。
4）在养鸡场大门内东边空地内设置停车场（上面设计光伏板）。
5）在综合楼前的院内空地设置停车场（上面设计光伏板）。
6)部狭窄部位东侧山地的局部狭窄部位(山地地面坡度小于30度)设置独立单腿或双腿基础柱子的光伏板：又能增加发电量约0.5MWp。
7）在养鸡场东侧山地的空闲部位种植名贵中草药；即可绿化美化山地；又可增加经济效益。
8）在养鸡场内大门口设置消毒处；鸡禽是一种极易感染疾病的动物，大门口设置消毒处可对进出养鸡场的人员消毒；防止病毒的传播。
十、结论
综上所述，本项目最大的优点就是在养鸡场建筑物屋顶和养鸡场放养场地及养鸡场区域的山地规划光伏发电。其次是方案布置格局符合建设场地条件，能充分利用屋顶面积和放养场地及空闲山地，本方案规划合理、运行费用低、施工条件好等。再次，方案设计中支架设计合理、光伏支架材料较少。
该项目是落实国家大力发展清洁能源---农光互补政策，将光伏、屋顶、山地一体化绿色发电技术综合用于农村建设的项目，该项目农光互补光伏发电场地主要利用养鸡场的屋顶和放养场地及空闲山地；其本身不占用农田，实现新能源与屋顶、放养场地、山地的完美结合。为加快发展我国低碳经济，实现农村经济发展模式转型，打造清洁能源农村综合示范，促进光伏和农村建设的结合，在陕西合阳桂花光伏园养鸡场的建设中是十分必要的。
通过对项目多方面的分析研究，我们认为本项目在建设、技术、组织、管理、经济、社会、生态、环保等方面都是切实可行的。既有良好的直接经济效益，又有显著的社会效益和生态效益，是解决雾霾问题和利用新能源及造福子孙后代的好项目。
建议尽快立项并建设实施为盼。
作者简介
王志平，男，陕西大兴电力勘察设计研究院副院长、总工程师、长期从事新能源设计研究。在西北电力设计院建筑规划室从事本总图设计工作43年；先后参与了180余项大中型电厂、分布式能源、变电站、光伏电站、风电场的不同阶段的主设人工作，包括工程选厂、项目建议书编制、初可、可研、初设、施工图设计、施工组织大纲设计、投标、安全设施设计、竣工图编制等设计工作。
本人在陕西大兴电力勘察设计研究院作为总工、设总工作了3年，先后参与了58项光伏设计项目；主要为：集中式光伏、分布式农光互补光伏、大棚光伏、水面光伏、屋顶光伏、玻璃幕墙光伏等设计工作。
工程获奖：陕西省第十六次优秀工程设计评选省级一等奖（国电大武口发电厂“上大压小”热电联产（2×330MW）机组工程；陕西省优秀勘测设计奖评选委员会；排名第一、主设人）。
论文作者:王志平
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/23
标签：光伏论文; 养鸡场论文; 山地论文; 屋顶论文; 二期论文; 鸡舍论文; 场地论文; 《电力技术》2016年第4期论文;