許 鑫

福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 福建福州 350108

“十四五”規(guī)劃是碳達(dá)峰關(guān)鍵期、推進(jìn)碳中和起步期。提升“非化石能源占比”是實(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)的核心路徑，碳減排需要能源供給側(cè)和需求側(cè)共同革命。因此，發(fā)展新能源發(fā)電將成為“十四五”期間的全球主題。在大政策大背景的前提下，如何提升光伏組件的發(fā)電能力和降低度電成本已經(jīng)成為發(fā)展的一個(gè)重要工作，所以需要在設(shè)備、應(yīng)用方案、項(xiàng)目管理等方面不斷創(chuàng)新和優(yōu)化來(lái)降低度電成本，達(dá)到降本增效的目的。

1 大型地面光伏支架分析的必要性

在當(dāng)前環(huán)境下，光伏行業(yè)已經(jīng)趨于飽和狀態(tài)，同時(shí)也面臨著土地短缺、平價(jià)上網(wǎng)的壓力，如想達(dá)到成本優(yōu)化的目的，需要對(duì)光伏項(xiàng)目進(jìn)行全方位的優(yōu)化，來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力和節(jié)省造價(jià)成本。因此，對(duì)大型地面光伏支架的分析和優(yōu)化管理是必不可少的環(huán)節(jié)。通過(guò)研究大型地面光伏支架系統(tǒng)，分析影響支架系統(tǒng)整體造價(jià)成本的影響因素，從而得到最大化發(fā)電量和最優(yōu)化成本的方案，為后續(xù)工程提供參考和指導(dǎo)方向。

2 光伏組件固定式支架對(duì)比分析

2.1 光伏方陣方位角的選擇

方位角是太陽(yáng)光線在地平面投影與地平面正南方向線之間的夾角。它表示太陽(yáng)光線的水平投影偏離正南方向的角度，取正南方向?yàn)槠鹗键c(diǎn)(即0°)，向西為正，向東為負(fù)。一般情況下，方陣朝向正南(即方陣垂直面與正南的夾角為0°)時(shí)，太陽(yáng)電池發(fā)電量是最大的。在偏離正南(北半球)30°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少10%～15%；在偏離正南(北半球)60°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少20%～30%。所以本工程中方陣方位角選為0°，即朝向正南。

2.2 光伏支架樁基比選

組件安裝支架由樁基和支架兩部分組成，結(jié)合越南平順涵劍49MWp地面光伏EPC總承包項(xiàng)目對(duì)樁基和支架進(jìn)行比對(duì)分析，以1MW容量為基準(zhǔn)，將對(duì)預(yù)制混凝土樁、螺旋鋼管樁、鋼管樁、微型灌注樁以及PHC管樁進(jìn)行樁型比選。

2.2.1 預(yù)制混凝土樁

經(jīng)計(jì)算，一個(gè)光伏陣列需布置9根樁，分為10跨，1MW約為43個(gè)陣列。預(yù)制混凝土樁材料如表1所示：

表1

2.2.2 螺旋鋼管樁

經(jīng)計(jì)算，一個(gè)光伏陣列需布置18根樁，分為10跨，1MW約為43個(gè)陣列。螺旋鋼管樁材料如表2所示：

表2

2.2.3 鋼管樁

經(jīng)計(jì)算，一個(gè)光伏陣列需布置9根樁，分為10跨，1MW約為43個(gè)陣列。鋼管樁材料如表3所示：

表3

2.2.4 微型灌注樁

經(jīng)計(jì)算，一個(gè)光伏陣列需布置18根樁，分為10跨，1MW約為43個(gè)陣列。微型灌注樁、鋼材材料如表4所示：

表4

2.2.5 PHC管樁

經(jīng)計(jì)算，一個(gè)光伏陣列需布置9根樁，分為10跨，1MW約為43個(gè)陣列。PHC管樁材料如表5所示：

表5

2.2.6 樁基形式比選

表6

2.2.7 結(jié)論

預(yù)制混凝土方樁生產(chǎn)成本低，相對(duì)節(jié)約鋼材，承載能力大，施工技術(shù)難度小，可用于現(xiàn)場(chǎng)直接預(yù)制，便于施工；微型灌注樁是一種小直徑的鉆孔灌注樁，成孔后插入型材再灌注水泥砂漿，施工時(shí)對(duì)附近的樁基及建筑物影響小，施工過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但灌注樁成形時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)施工周期會(huì)造成影響；鋼管樁及螺旋鋼管樁施工過(guò)程簡(jiǎn)單方便，螺旋鋼管樁還具備后期處理優(yōu)勢(shì)，可反向旋轉(zhuǎn)拔出，重復(fù)利用，同時(shí)具備良好的抗拔性能，采用螺旋鋼管樁需要采用雙排柱，樁的數(shù)量增加一倍，樁基施工周期較長(zhǎng)；鋼管樁方案鋼材耗量大，造價(jià)較高；PHC管樁單樁承載力高，抗彎性能及抗拔性能較好，應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)工藝成熟，可在工廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)。

同時(shí)考慮到地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中～強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具有腐蝕性，而且螺旋鋼管樁的鋼材防腐比較復(fù)雜，樁基生產(chǎn)成本增加較大。微型灌注樁在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中一般不建議使用，目前缺乏此類工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。預(yù)制混凝土方樁通過(guò)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，降低水灰比，添加抗腐蝕參合料，提高抗?jié)B性，一般可應(yīng)用在強(qiáng)腐蝕環(huán)境，國(guó)內(nèi)已有較多應(yīng)用。相對(duì)PHC樁，預(yù)制混凝土方樁的強(qiáng)度等級(jí)和抗?jié)B性相對(duì)較差。所以考慮樁基工程量、場(chǎng)地適應(yīng)性、質(zhì)量等因素影響，通過(guò)各類樁基的比選，本工程推薦選用Φ300mm截面的PHC管樁作為光伏支架樁基。

2.3 光伏組件支架比選

2.3.1 支架

由于電池組件自重很小，支架設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載起控制作用，因此最不利荷載組合中不考慮地震荷載，光伏支架設(shè)計(jì)風(fēng)荷載考慮25年一遇荷載取值。

2.3.2 組件排列方案比選

結(jié)合越南平順涵劍49MWp地面光伏EPC總承包項(xiàng)目，按照1MW光伏組件布置進(jìn)行比較，計(jì)算得28塊組件組成一個(gè)光伏組件串，基于接線和布置方便，對(duì)2×28(雙排布置)、4×14(橫排布置)、8×7(之字形布置)共三種光伏組件排列方式進(jìn)行比較。樁基形式選用PHCΦ300管樁。

表7 單樁形式三種光伏組件排列方式對(duì)照表

2.3.3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比，1MW容量光伏組件的三種布置方式：采用2×28(雙排布置)布置形式在樁基數(shù)量相同的情況下，用鋼量較4×14(橫排布置)布置方式少約7.72t，較8×7(之字形布置)布置方式少約2.51t。用樁量上2×28(雙排布置)形式和4×14(橫排布置)形式數(shù)量相當(dāng)，較8×7(之字形布置)形式數(shù)量少。

3 光伏組件發(fā)電量對(duì)比分析

3.1 太陽(yáng)能電池選型

太陽(yáng)能電池組件是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，目前國(guó)內(nèi)外使用最普遍的是單晶硅、多晶硅太陽(yáng)能電池，其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能，以下是對(duì)常用的晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)性能比較：

多晶硅。轉(zhuǎn)換效率：電池片一般17%～19%；價(jià)格：材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本不斷降低；外部環(huán)境適應(yīng)性：輸出功率與光照強(qiáng)度成正比，在高溫條件下效率發(fā)揮不充分；自主化產(chǎn)能：產(chǎn)業(yè)鏈完整，生產(chǎn)規(guī)模大、技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)能大；實(shí)際工程應(yīng)用：現(xiàn)階段大多數(shù)電站采用多晶硅組件。

單晶硅。轉(zhuǎn)換效率：電池片一般19%～21%；價(jià)格：生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，總的生產(chǎn)成本與多晶硅造價(jià)高；外部環(huán)境適應(yīng)性：輸出功率與光照強(qiáng)度成正比，在高溫條件下效率發(fā)揮不充分；自主化產(chǎn)能：產(chǎn)業(yè)鏈較完整，生產(chǎn)規(guī)模大、技術(shù)先進(jìn)；實(shí)際工程應(yīng)用：現(xiàn)階段大多數(shù)地面電站采用單晶硅組件。

從比較結(jié)果可以看出：(1)單晶硅太陽(yáng)能電池組件較多晶硅太陽(yáng)能電池組件轉(zhuǎn)化效率高，單塊組件容量大，可提高裝機(jī)容量，可節(jié)省占地面積，減少系統(tǒng)造價(jià)，適用于大型地面光伏。(2)單晶硅太陽(yáng)能電池組件弱光性能比多晶硅太陽(yáng)能電池組件好，單晶硅太陽(yáng)能電池組件更適用于光資源略差的地區(qū)。(3)單晶硅太陽(yáng)能電池組件比多晶硅太陽(yáng)能電池組件價(jià)格略高，兩者差別較小。(4)目前電站主流組件大多采用單晶硅太陽(yáng)能電池組件。

因此，綜合考慮上述因素，推薦選用單晶硅太陽(yáng)能電池組件。

3.2 光伏組件選型

單晶硅太陽(yáng)能電池組件的功率規(guī)格較多，且產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛。從太陽(yáng)輻照特征和環(huán)境條件的角度來(lái)說(shuō)，本工程場(chǎng)址區(qū)內(nèi)各種類型的太陽(yáng)能電池均可應(yīng)用，但本工程屬大型地面光伏，綜合考慮選擇性價(jià)比以及市場(chǎng)主流產(chǎn)品型號(hào)。

3.3 光伏組件發(fā)電量模擬仿真計(jì)算

結(jié)合本項(xiàng)目，運(yùn)用PVSYST對(duì)2×28(雙排布置)、4×14(橫排布置)、8×7(之字形布置)三種支架形式進(jìn)行發(fā)電量仿真模擬如表8：

表8 模擬仿真表數(shù)據(jù)結(jié)果表

總結(jié)：運(yùn)用Pvsyst軟件結(jié)合本項(xiàng)目分析如下：(1)2×28(雙排布置)、4×14(橫排布置)、8×7(之字形布置)三種支架布置形式發(fā)電量變化不明顯，最大相差不足8%；(2)2×28(雙排布置)、4×14(橫排布置)支架布置形式占地面積幾乎相當(dāng)；8×7(之字形布置)支架布置形式占地面積明顯減少，相比其他兩種支架形式減少比例高達(dá)36%。

所以在本項(xiàng)目中推薦采用8×7(之字形布置)支架布置形式，在不影響發(fā)電量的前提下，可以節(jié)約土地面積降低造價(jià)成本。

3.4 光伏組件度電成本對(duì)比分析

結(jié)合本項(xiàng)目，對(duì)2×28(雙排布置)、4×14(橫排布置)、8×7(之字形布置)三種支架形式進(jìn)行占地費(fèi)用、樁基費(fèi)用及支架費(fèi)用統(tǒng)計(jì)比較，并形成度電成本如表9：

表9 度電成本對(duì)比分析表

總結(jié)：8×7(之字形布置)支架形式在占地費(fèi)用、樁基費(fèi)用及支架費(fèi)用總和中費(fèi)用最低，2×28(雙排布置)支架形式次之，4×14(橫排布置)支架形式最差。所以在本項(xiàng)目中推薦采用8×7(之字形布置)支架布置形式，度電成本較低。

4 結(jié)論

(1)每1MW容量，三種布置方式采用2×28(雙排布置)布置形式在用鋼量較4×14(橫排布置)布置方式少約7.72t，較8×7(之字形布置)布置方式少約2.51t。在用樁量上2×28(雙排布置)形式和4×14(橫排布置)形式數(shù)量相當(dāng)，較8×7(之字形布置)形式數(shù)量少。

(2)三種布置方式發(fā)電量變化不明顯，最大相差不足8%；8×7(之字形布置)支架布置形式占地面積減少明顯，相比其他兩種支架形式減少比例高達(dá)36%。

(3)8×7(之字形布置)支架布置形式在占地費(fèi)用、樁基費(fèi)用及支架費(fèi)用總和中費(fèi)用最低，2×28(雙排布置)支架形式次之，4×14(橫排布置)支架形式經(jīng)濟(jì)性最差。

選擇“之字形”支架布置適用于大型地面光伏，可以在發(fā)電量保持不變的前提下，大量節(jié)省占地面積，節(jié)約項(xiàng)目成本，提高單位面積的發(fā)電量，達(dá)到降本增效的目的。