唐遠程，盧小龍，孫志云，謝 彬，陳賀偉，韋啟珍

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，長沙 410000)

0 引言

國際能源署預(yù)計，2030 年全球光伏發(fā)電新增裝機容量將達到630 GW，光伏發(fā)電繼續(xù)呈高速發(fā)展態(tài)勢。隨著光伏電站對于降本增效日益關(guān)注，其對光伏支架的要求也越來越高。不同類型光伏支架所帶來的發(fā)電收益及其對造價的影響，亟待進行科學(xué)分析[1-2]。

光伏發(fā)電量和造價水平?jīng)Q定了光伏電站的經(jīng)濟性[3-4]。光伏支架作為光伏電站的重要組成部分，一方面其會影響光伏電站的安全性；另一方面其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了光伏組件安裝傾角，從而影響光伏電站發(fā)電量，進而影響光伏電站經(jīng)濟性[5-6]。而不同類型光伏支架對發(fā)電量的影響暫無權(quán)威統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且采用不同類型光伏支架所產(chǎn)生的成本也需要科學(xué)論證。

按照類型不同，光伏支架可分為固定式光伏支架和跟蹤式光伏支架，不同類型光伏支架的優(yōu)缺點明顯，且適用場景分明。固定式光伏支架的強度高、性能穩(wěn)定、造價低、維修概率低，因此，采用此類光伏支架的光伏電站初始投資和運維成本均較低，但由于其不能跟蹤太陽運行軌跡，電站光伏發(fā)電量較低[7]。跟蹤式光伏支架由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，光伏組件安裝傾角由電機控制以匹配太陽高度角和方位角，使入射角盡量小，從而達到接收更多太陽輻射的目的，可提高光伏發(fā)電量；缺點是占地面積大、轉(zhuǎn)動部件多且容易磨損、故障率高，因此，當(dāng)采用此類光伏支架時，光伏電站的初始投資和人工運維成本均較高。跟蹤式光伏支架對緯度、地形及氣候等條件的適應(yīng)性差，建于不同地區(qū)的光伏電站采用跟蹤式光伏支架時得到的發(fā)電量提升程度也不同。因此，對于不同的光伏發(fā)電項目需要采用不同的支架方案，在滿足光伏電站正常運行的前提下，借助經(jīng)濟測算來判斷采用何種光伏支架[8-10]。本文以長沙地區(qū)為例，從占地面積、發(fā)電量、運行成本、平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)等角度對采用不同類型光伏支架時光伏電站的LCOE 及不同場景下的光伏支架選型進行分析。

1 光伏支架分類及適用性

跟蹤式光伏支架可分為單軸跟蹤式光伏支架和雙軸跟蹤式光伏支架。

1.1 固定式光伏支架

當(dāng)采用固定式光伏支架時，光伏陣列的方位角按0°布置，利用PVsyst 軟件可以計算出項目所在地采用固定式光伏支架時光伏組件的最佳安裝傾角。

1.2 單軸跟蹤式光伏支架

單軸跟蹤式光伏支架只能跟蹤太陽高度角或太陽方位角中的一個，使太陽光入射角盡量小，但達不到入射角為0°。光伏組件圍繞一根軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸與地面之間的布置方式，可采用水平、傾斜或垂直的布置方式。根據(jù)布置方式的不同，單軸跟蹤式光伏支架可分為平單軸跟蹤式光伏支架、斜單軸跟蹤式光伏支架和垂直單軸跟蹤式光伏支架。

1.3 雙軸跟蹤式光伏支架

雙軸跟蹤式光伏支架有兩個旋轉(zhuǎn)軸，能同時跟蹤太陽的高度角和方位角，能跟太陽運行軌跡完全匹配，使太陽光入射角在各個時刻都為0°。但考慮到光伏組件之間的陰影遮擋及電站的經(jīng)濟性，光伏電站設(shè)計時一般不會保證入射角在任何時刻都為0°。采用雙軸跟蹤式光伏支架時光伏電站發(fā)電量較高，但此類支架的占地面積也較大。

2 確定邊界條件

2.1 太陽輻射數(shù)據(jù)

長沙市氣象局提供的2016—2020 年長沙市太陽輻射數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 2016—2020 年長沙市太陽輻射數(shù)據(jù) (單位：kWh/m2)Table1 Solar radiation data of Changsha city from 2016 to 2020 (Unit：kWh/m2)

從表1 可以看出：該地區(qū)這5 年的年太陽輻射量在一定區(qū)間內(nèi)上下波動，波幅在100 kWh/m2之內(nèi)。根據(jù)該地區(qū)這5 年的年太陽輻射量，計算出該地區(qū)的平均年太陽輻射量為1205.70 kWh/m2。

2.2 不同類型光伏支架的調(diào)節(jié)角度設(shè)定

根據(jù)長沙地區(qū)的太陽輻照條件，對5 種光伏支架的調(diào)節(jié)角度進行了設(shè)定，具體如表2 所示。

表2 5 種光伏支架的調(diào)節(jié)角度設(shè)定值Table 2 Adjustment angle settings for five types of PV brackets

2.3 確定其他邊界條件

選擇市面上主流的尺寸為182 mm 的545 W單面單晶硅光伏組件和196 kW 逆變器為研究對象，容配比設(shè)計為1.27:1.00。5 種光伏支架的光伏組件布置方式如表3 所示。

表3 5 種光伏支架的光伏組件布置方式Table 3 Layout of PV modules for five types of PV brackets

根據(jù)表3 中光伏組件及光伏支架的布置方式，在PVsyst 軟件中分別建立布置了5 種光伏支架的模型。

3 建立成本分析模型

3.1 光伏電站LCOE 分析

根據(jù)NB/T 10394—2020《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范》對于LCOE 的定義，其可表示為：

式中：CLOE為光伏電站的LCOE，元/kWh；i為折現(xiàn)率，%；n為光伏電站運行的第n年；N為光伏電站的全生命周期，年；I0為光伏電站的靜態(tài)初始投資，元；It為光伏電站的增值稅抵扣，元；VR為光伏電站殘值，元；Mn為光伏電站第n年的運營成本，含維修、保險、材料、人工工資及福利、輔助服務(wù)費等，不含利息，元；Yn為光伏電站第n年的上網(wǎng)電量，kWh。

參考2021 年光伏電站建設(shè)靜態(tài)初始投資和市場相關(guān)合同，除光伏支架之外，光伏電站的單位靜態(tài)初始投資取3.65 元/W；在采用固定式光伏支架的前提下，光伏電站的單位靜態(tài)初始投資取0.35 元/W、光伏電站的單位年運行成本取0.094 元/W；光伏電站的增值稅抵扣按電站靜態(tài)初始投資的10%計取，僅在電站運行的前兩年進行抵扣；光伏電站殘值取靜態(tài)初始投資的5%；折現(xiàn)率取7%；光伏電站的全生命周期取25年；光伏組件的首年衰減率取2%，之后每年的衰減率取0.5%。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，公式(1)可簡化為：

式中：C1為當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站靜態(tài)初始投資差異系數(shù)；C2為當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站年運行成本差異系數(shù)；C3為當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站年發(fā)電量差異系數(shù)。

當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站靜態(tài)初始投資差異系數(shù)可表示為：

式中：Cq,t為采用除固定式光伏支架外的其他類型光伏支架時光伏電站的靜態(tài)初始投資，元；Cg,t為采用固定式光伏支架時光伏電站的靜態(tài)初始投資，元。

當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站年運行成本差異系數(shù)可表示為：

式中：Cq,y為采用除固定式光伏支架外的其他類型光伏支架時光伏電站的年運行成本，元；Cg,y為采用固定式光伏支架時光伏電站的年運行成本，元。

當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站年發(fā)電量差異系數(shù)可表示為：

式中：Cq,f為采用除固定式光伏支架外的其他類型光伏支架時光伏電站的年發(fā)電量，kWh；Cg,f為采用固定式光伏支架時光伏電站的年發(fā)電量，kWh。

3.2 采用不同類型光伏支架時光伏電站的靜態(tài)初始投資差異分析

不同類型光伏支架的造價有一定差異，跟蹤式光伏支架比固定式光伏支架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且增加了諸多附件，導(dǎo)致此類光伏支架的初始投資費用增加。

以長沙地區(qū)為例，不同類型光伏支架的單位靜態(tài)初始投資及差異系數(shù)如表4 所示。

從表4 可看出：固定式光伏支架的單位靜態(tài)初始投資為0.35 元/W，垂直單軸跟蹤式光伏支架和水平單軸跟蹤式光伏支架單位靜態(tài)初始投資是固定式光伏支架的2 倍左右，斜單軸跟蹤式光伏支架和雙軸跟蹤式光伏支架的單位靜態(tài)初始投資為固定式光伏支架的3～4 倍。因此，單從光伏支架的單位靜態(tài)初始投資來看：雙軸跟蹤式光伏支架>單軸跟蹤式光伏支架>固定式光伏支架。

3.3 不同類型光伏支架的年運行成本差異分析

光伏電站的年運行成本包含土地租金和年運維成本兩部分。

3.3.1 土地租金

以長沙地區(qū)為例，利用PVsyst 軟件進行陰影遮擋分析，確保光伏組件之間陰影遮擋損失低于3%，并以此為原則建模，得到裝機容量為1 MW 的光伏電站采用不同類型光伏支架時的占地面積，具體如表5 所示。

表5 長沙地區(qū)1 MW 光伏電站采用不同類型光伏支架時的占地面積Table 5 Floor area of 1 MW PV power station in Changsha area when using different types of PV brackets

從表5 可看出：固定式光伏支架的占地面積最小，而垂直單軸跟蹤式光伏支架的占地面積為固定式光伏支架的1.5 倍，其他跟蹤式光伏支架的占地面積是固定式光伏支架占地面積的2 倍以上，其中雙軸跟蹤式光伏支架的占地面積最大。按湖南地區(qū)土地租金水平的中值，年土地租金取800 元/畝。

3.3.2 年運維成本

年運維成本含維修、保險、材料、人工工資、輔助服務(wù)費等費用。

相較于固定式光伏支架，跟蹤式光伏支架的運維成本會在兩方面有所增加：一方面是跟蹤式光伏支架的活動部分相較于固定式光伏支架易磨損，因此需要運維人員定期維護及更換部件，并由此產(chǎn)生的費用；另一方面是跟蹤式光伏支架需要電力驅(qū)動，光伏電站持續(xù)運行，就會持續(xù)消耗電能，導(dǎo)致跟蹤式光伏支架的運維費用高于固定式光伏支架。

以長沙地區(qū)為例，不同類型光伏支架單瓦的年運維費用如表6 所示。

表6 長沙地區(qū)不同類型光伏支架單瓦的年運維費用Table 6 Annual operation and maintenance costs per watt for different types of PV brackets in Changsha region

從表6 可以看出：雙軸跟蹤式光伏支架的運維費用最高，其次是單軸跟蹤式光伏支架，費用最低的為固定式光伏支架。

3.3.3 年運行成本差異系數(shù)

不同類型光伏支架的年運行成本差異系數(shù)如表7 所示。

表7 不同類型光伏支架的年運行成本差異系數(shù)Table 7 Difference coefficient of annual operating cost for different types of PV brackets

從表7 可以看出：雙軸跟蹤式光伏支架每瓦的年運行成本最高，單軸跟蹤式光伏支架的次之，固定式光伏支架的最低。

3.4 不同類型光伏支架的年發(fā)電量差異系數(shù)分析

本文以裝機容量為1 MW 的光伏電站為例進行分析，根據(jù)長沙氣象站2016—2020 年的年均太陽輻射量，利用PVsyst 軟件進行光伏發(fā)電量計算，具體如表8 所示。

表8 長沙地區(qū)不同類型光伏支架的年發(fā)電量差異系數(shù)Table 8 Difference coefficient of annual power generation of different types of PV brackets in Changsha area

從表8 可以看出：單從年發(fā)電量差異系數(shù)來看，雙軸跟蹤式光伏支架的年發(fā)電量差異系數(shù)最高，其次為單軸跟蹤式光伏支架，固定式光伏支架的最低。

4 不同類型光伏支架的LCOE 及選型分析

4.1 不同類型光伏支架的LCOE 分析

將不同類型光伏支架的靜態(tài)初始投資差異系數(shù)、年運行成本差異系數(shù)、年發(fā)電量差異系數(shù)分別代入式(2)，得到不同類型光伏支架的LCOE，具體如表9 所示。

表9 不同類型光伏支架的LCOETable 9 LCOE for different types of PV brackets

從表9 可以看出：不同類型光伏支架的LCOE從低到高依次為水平單軸跟蹤式光伏支架<固定式光伏支架<垂直單軸跟蹤式光伏支架<斜單軸跟蹤式光伏支架<雙軸跟蹤式光伏支架。

4.2 光伏支架選型分析

從占地面積分析，對于單位容量的光伏組件而言，固定式光伏支架的占地面積最小，其次為單軸跟蹤式光伏支架，雙軸跟蹤式光伏支架的占地面積最大。目前土地資源稀缺，對于裝機容量大的光伏電站而言，建議優(yōu)先選擇固定式光伏支架。

從發(fā)電量上分析，雙軸跟蹤式光伏支架的發(fā)電最高，單軸跟蹤式光伏支架的次之，固定式光伏支架的最低。但由于雙軸和單軸跟蹤式光伏支架的占地面積是固定式光伏支架的1.5 倍以上，而二者的年發(fā)電量差異系數(shù)均未超過1.5，所以對于單位占地面積而言，采用固定式光伏支架的光伏電站發(fā)電量最高。從單位占地面積光伏電站的發(fā)電量考慮，建議優(yōu)先選擇固定式光伏支架。

從LCOE 方面分析，水平單軸跟蹤式光伏支架的LCOE 最低，其次是固定式光伏支架，成本最高的是雙軸跟蹤式光伏支架。從光伏電站的經(jīng)濟性考慮，建議優(yōu)先選擇水平單軸跟蹤式光伏支架。

5 結(jié)論

本文以長沙地區(qū)為例，對采用不同類型光伏支架時光伏電站的占地面積、發(fā)電量、運行成本、LCOE 進行了分析，并分析了不同場景下適用的光伏支架類型。分析結(jié)果顯示：

1)從年發(fā)電量差異系數(shù)來看，雙軸跟蹤式光伏支架的年發(fā)電量差異系數(shù)最高，單軸跟蹤式光伏支架的次之，固定式光伏支架的最低。

2) LCOE 從低到高依次為：水平單軸跟蹤式光伏支架<固定式光伏支架<垂直單軸跟蹤式光伏支架<斜單軸跟蹤式光伏支架<雙軸跟蹤式光伏支架。

3)當(dāng)光伏電站項目以經(jīng)濟性最優(yōu)為考量標(biāo)準(zhǔn)時，建議選擇平單軸跟蹤式光伏支架。

4)當(dāng)光伏電站項目以裝機容量最大為考量標(biāo)準(zhǔn)時，建議選擇固定式光伏支架。

本研究方法適用于中國各個地區(qū)光伏電站的光伏支架成本及選型分析。