曾智欽，張?jiān)?，楊銘俊，黃麗琴

摘 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)中固定式光伏支架的結(jié)構(gòu)形式差異較大，即使同種光伏支架結(jié)構(gòu)形式也存在有不同的光伏陣列布置方式，不同布置方式的光伏陣列對(duì)應(yīng)的光伏支架、管樁和土地成本也有較大差異。以廣東省湛江市徐聞縣某采用固定式光伏支架的光伏電站項(xiàng)目為背景，采用了常規(guī)計(jì)算鋼光伏支架工程量和利用BIM軟件中明細(xì)表計(jì)算光伏支架工程量?jī)煞N方法，對(duì)比闡述了雙抱箍雙立柱3×28光伏陣列和單抱箍單立柱2×26光伏陣列光伏支架和管樁的成本。此外，還考慮了兩種規(guī)格因安裝傾角不同引起的土地成本差異，總結(jié)出了固定式光伏支架3×28光伏陣列和固定式光伏支架2×26在安裝傾角11°時(shí)的綜合投資成本。研究結(jié)果表明：同等裝機(jī)規(guī)模下，3排光伏陣列光伏陣列的成本比2排光伏陣列光伏支架的低；單抱箍單立柱光伏支架比雙抱箍雙主柱光伏支架的成本低。該結(jié)論為類似光伏電站建設(shè)的固定式光伏支架選型提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏電站；固定式光伏支架；工程量計(jì)算；光伏組件；光伏陣列；土地成本；預(yù)應(yīng)力管樁

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

光伏電站的投資建設(shè)成本包含用地成本和機(jī)電建設(shè)成本，用地成本又分為征地成本和租地成本兩種，其成本大小與建設(shè)所需用地面積息息相關(guān)；機(jī)電建設(shè)成本又包括箱變成本、逆變器成本、光伏支架成本、管樁及其基礎(chǔ)成本、光伏組件成本、集電線路成本及相關(guān)維護(hù)費(fèi)。光伏支架類型需要的不同，其成本往往也不同，針對(duì)光伏支架選型及成本分析的研究也有許多，如根據(jù)傾角是否可調(diào)，固定式光伏支架可分為最佳傾角固定式光伏支架、傾角可調(diào)式固定光伏支架兩大類[1]；毛文旭[2]對(duì)集中式光伏電站光伏支架經(jīng)濟(jì)性比對(duì)及選型進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：最佳傾角固定式光伏支架在支架成本、土地成本、后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用方面的節(jié)約程度遠(yuǎn)超過傾角可調(diào)式固定光伏支架帶來的發(fā)電量增益；徐彩芝等[3]也對(duì)光伏支架選型進(jìn)行了探討，得到固定式光伏支架投資回收期最短，上網(wǎng)電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力大于斜單軸跟蹤式光伏支架系統(tǒng)和雙軸跟蹤式光伏支架系統(tǒng)；唐勇等[4]對(duì)光伏電站固定式光伏支架、固定可調(diào)式光伏支架、跟蹤式光伏支架方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，提出了項(xiàng)目可采用固定式光伏支架的建議；儲(chǔ)紅霞等[5]研究了在同荷載工況下采用鋁合金支架或鋼支架對(duì)工程造價(jià)的影響。上述文獻(xiàn)未細(xì)致對(duì)比支不同光伏架結(jié)構(gòu)的成本差異。

本文以廣東省湛江市徐聞縣某光伏電站項(xiàng)目為背景，對(duì)11°傾角的固定式光伏支架的細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行研究。首先計(jì)算3×28光伏陣列和2×26光伏陣列的光伏支架材料差異，同時(shí)考慮建設(shè)面積差異；然后套入材料費(fèi)用及對(duì)應(yīng)的安裝和維護(hù)費(fèi)，最終形成兩種光伏陣列方式下的建設(shè)投資成本差異。以期該研究可為類似光伏電站支架選型及投資建設(shè)提供借鑒。

1? 光伏支架體系

根據(jù)T/CPIA 0013—2019《光伏支架》[1]中給出的命名方法，本文所介紹的兩種固定式光伏支架型號(hào)為：ST-30000×6200-F-17-5000和ST-28996×3923-F-11-4500；前者是由鍍鋅鋁鎂作為主要材質(zhì)的固定式光伏支架，光伏陣列上光伏組件的布置方式為3×28（下文簡(jiǎn)稱為“3×28光伏陣列”），后者是采用Q345B鋼材質(zhì)的固定式光伏支架，光伏陣列上光伏組件的布置方式為2×26（下文簡(jiǎn)稱為“2×26光伏陣列”）；光伏支架的尺寸分別為31757 mm×6822 mm和29489 mm×4548 mm；光伏組件安裝傾角均為11°；最大受荷寬度分別為5000 mm和4500 mm。兩種光伏支架形式差異較大，其主要構(gòu)件雖然都有預(yù)應(yīng)力管樁、斜梁、檁條、立柱及兩道斜撐；但是兩者主要構(gòu)件的數(shù)量略有差別，3×28光伏陣列的光伏支架立柱為兩根，分布于管樁的兩邊，通過與雙抱箍螺栓連接進(jìn)行固定；而2×26光伏陣列的立柱則是在管樁頂部，由柱腳底板和加勁板進(jìn)行固定。

由于光伏陣列的排數(shù)不一樣，對(duì)應(yīng)的光伏支架檁條數(shù)量也不一樣，如光伏陣列上的光伏組件為3排時(shí)，需要6根檁條，而為2排時(shí)只需要4根檁條。兩種光伏支架的輔助構(gòu)件差異相對(duì)較大，除了相同的檁托、剪刀叉拉桿及其配套螺栓外，3×28光伏陣列的光伏支架還擁有6道拉條及兩道抱箍和一道橫擔(dān)，因此此種光伏陣列的光伏支架又可稱為雙抱箍雙立柱固定式光伏支架。而2×26光伏陣列的光伏支架結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有一道抱箍既無拉條又無橫擔(dān)，且多了柱腳底板和加勁板，故而此種光伏陣列的光伏支架又可稱為單抱箍單立柱固定式光伏支架。連接螺栓的區(qū)別是最大的，2×26光伏陣列支架的螺栓絕大部分為M10型號(hào)，其次是M8型號(hào)，小部分是M14型號(hào)；但3×28光伏陣列支架的則M8～M16型號(hào)均有，且數(shù)量比前者更多，這與其增加的抱箍和橫擔(dān)數(shù)量有關(guān)。

兩種光伏陣列光伏支架的立面圖如圖1所示。兩種光伏陣列布置平面圖如圖2所示，圖中：WLT代表檁條，Lat代表拉條，SC代表斜撐，GJ代表鋼架。

兩種光伏陣列支架的預(yù)應(yīng)力管樁的數(shù)量為7根，且直徑均為300 mm，不過兩者的樁間距不同，3×28光伏陣列支架的樁間距為5 m，而2×26光伏陣列支架的樁間距為4.5 m；相應(yīng)的變化是斜梁和檁條的長(zhǎng)度區(qū)別，所以對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的光伏陣列投影占地面積是不同。整個(gè)光伏電站的光伏陣列眾多，需根據(jù)經(jīng)緯度、光伏組件安裝傾角等因素去衡量光伏支架間距，并最終求得電站的占地面積。

2? 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

本項(xiàng)目采用545 W單晶硅光伏組件，PHC300A70管樁。通過計(jì)算比較3×28光伏陣列支架與2×26光伏陣列支架所耗鋼材、樁量及土地占用面積，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

2.1? 土地面積統(tǒng)計(jì)

根據(jù)光伏電站項(xiàng)目所在地湛江市徐聞縣的緯度20.37°N，并取冬至日09：00～15：00時(shí)的赤緯角-23.5°、太陽時(shí)角45°[5]，結(jié)合安裝傾角對(duì)光伏陣列凈間距d進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算式為：

d= lsinθ1（0.707tanθ2+0.4338）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

0.707–0.4338tanθ2

式中：l為光伏陣列南北向長(zhǎng)度，m；θ1為光伏組件安裝傾角，（°? ）；θ2為項(xiàng)目所在地的緯度，（°? ）。

相鄰兩塊光伏組件中心距離D的計(jì)算式為：

D=? l（cosθ1+sinθ2）（0.707tanθ2+0.4338）? ? ? ? ? ? （2）

0.707–0.4338tanθ2

光伏陣列南北向長(zhǎng)度為光伏組件縱向布置長(zhǎng)度加上組件間距，因此2×26光伏陣列的南北向長(zhǎng)度為2.384×2+0.02=4.788 m，3×28光伏陣列南北向長(zhǎng)度為2.278×3+0.02×2=6.874 m。

所求的計(jì)算結(jié)果如下表1所示。

根據(jù)表1結(jié)果，光伏組件占地面積S計(jì)算公式為：

S=L（b+d）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：L為標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列的長(zhǎng)度，m，3×28光伏陣列取32.5 m，2×26光伏陣列取29.196 m；b為標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列的平面寬度，m，3×28光伏陣列取6.874 m，2×26光伏陣列取4.788 m。所以，最后計(jì)算得到3×28光伏陣列的占地面積為274.755 m2，2×26光伏陣列的占地面積為173.950 m2。

2.2? 材料用量和選型差異對(duì)比

本項(xiàng)目中兩種光伏陣列光伏支架材料用量統(tǒng)計(jì)分別如表2、表3所示。

兩種光伏支架立柱參數(shù)分別如表4、表5所示。

根據(jù)表2～表5材料用量統(tǒng)計(jì)及選型差異對(duì)比可知，含鋼量差異主要為：2排光伏陣列立柱單瓦含鋼量是3排光伏陣列的120.88%（規(guī)格相同），檁條單瓦含鋼量是3排光伏陣列的114.08%（規(guī)格相同），斜梁?jiǎn)瓮吆摿渴?排光伏陣列的83.14%（規(guī)格相同），斜撐單瓦含鋼量是3排光伏陣列的78.03%（規(guī)格相同），考慮到互抵，兩種光伏陣列支架立柱、檁條、斜梁和斜撐含鋼量持平。

若3排光伏陣列光伏支架采用單抱箍單立柱，則比雙抱箍雙立柱減少了1個(gè)抱箍、1根立柱和1根橫擔(dān)，且雙抱箍立柱長(zhǎng)度大于單抱箍立柱，經(jīng)計(jì)算，采用單抱箍單立柱比雙抱箍雙立柱用鋼量節(jié)約41.84%。

2.3? 光伏組件BIM模型工程量統(tǒng)計(jì)

為了驗(yàn)證常規(guī)計(jì)算工程量的準(zhǔn)確性，本文還利用BIM建模軟件結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙建立1：1原型的兩種光伏陣列的族模型，如圖3所示。采用BIM軟件中的明細(xì)表計(jì)算光伏支架的工程量時(shí)刪除掉預(yù)應(yīng)力管樁和光伏組件構(gòu)件，然后合計(jì)計(jì)算出光伏支架的體積分別為0.16231 m3和0.10551 m3，如表6所示。

取鋼材的密度為7850 kg/m3，利用密度公式，計(jì)算出3×28光伏陣列支架所需鋼材重量為1274.13 kg，2×26光伏陣列支架所需鋼材重量為828.25 kg；兩種規(guī)格的重光伏陣列支架的用鋼量與手算的結(jié)果誤差分別為24.65 kg和25.95 kg；誤差率為1.9%和3.0%，該誤差產(chǎn)生的原因可能是手算時(shí)未扣除所開螺栓孔的重量及對(duì)螺栓重量采取了估算值?？傮w而言，手算工程量和利用BIM軟件中的明細(xì)表計(jì)算工程量?jī)煞N方法的誤差在合理范圍內(nèi)。由此可驗(yàn)證手算工程量結(jié)果是可靠的。

3? 光伏發(fā)電區(qū)投資成本對(duì)比

光伏發(fā)電區(qū)投資成本包括用地成本和土建機(jī)電成本。用地成本包括青苗補(bǔ)償、原有構(gòu)建筑物賠償補(bǔ)償和租地費(fèi)用；土建成本主要包括光伏支架管樁基礎(chǔ)及相關(guān)安裝費(fèi)；機(jī)電成本主要包括光伏支架、光伏組件、集電線路、箱變、逆變器等的費(fèi)用。2022年，常規(guī)坑塘水面集中式光伏發(fā)電區(qū)單位投資成本為3.8元/W；其中光伏支架單位費(fèi)用約為0.3元/W，租地費(fèi)用一般為1800元/畝（1畝≈666.67 m2）。

根據(jù)工程實(shí)際及市場(chǎng)信息，鋼光伏支架費(fèi)用為9800元/t，安裝費(fèi)用為1368.08元/t；PHC300A70管樁單價(jià)暫定200元/m，每根樁長(zhǎng)取8 m；全壽命期25年的用地成本取67元/m2。

經(jīng)計(jì)算，每兆瓦裝機(jī)容量下，2×26光伏陣列光伏支架的總費(fèi)用比3×28光伏陣列光伏支架的高6.24%，前者的PHC300A70管樁費(fèi)用比后者的高61.54%，前者的土地費(fèi)用比后者的高2.27%，具體如表7所示。2×26光伏陣列總造價(jià)比3×28光伏陣列光伏支架的高18.63%。綜上所述，采用3排鋼支架（3×28光伏陣列）相較于2排鋼支架（2×26光伏陣列）支架總費(fèi)用節(jié)約0.02元/W，PHC300A70管樁節(jié)約0.151 元/W，土地費(fèi)用節(jié)約0.009 元/W，總造價(jià)節(jié)約0.179 元/W。

4? 結(jié)論

本文以廣東省湛江地區(qū)某采用固定式光伏支架的光伏電站項(xiàng)目為背景，采用了常規(guī)計(jì)算鋼光伏支架工程量和利用BIM軟件中明細(xì)表計(jì)算工程量?jī)煞N方法，對(duì)比闡述了雙抱箍雙立柱3×28光伏陣列和單抱箍單立柱2×26光伏陣列的光伏支架和管樁成本。得出以下結(jié)論：

1）光伏支架設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮支架材料費(fèi)、安裝費(fèi)、相應(yīng)管樁費(fèi)用及土地成本等問題。

2）同等裝機(jī)規(guī)模下，3排光伏陣列光伏支架的總造價(jià)比2排光伏陣列光伏支架的少0.179元/W（18.63%）。

3） 3排光伏陣列光伏支架采用單抱箍單立柱比雙抱箍雙立柱節(jié)約和鋼量41.84%。

4）采用3排光伏陣列的方式，光伏組件相對(duì)集中，后期清洗維護(hù)成本將適當(dāng)降低。

故建議采用單抱箍單立柱3排光伏陣列支架。該結(jié)論適用于集中式光伏發(fā)電項(xiàng)目，在地勢(shì)良好的平原地區(qū)、水陸交替區(qū)或相對(duì)平坦的山地地區(qū)均有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Comparison and analysis of economy of fixed PV bracket selection

Zeng Zhiqin1，Zhang Yuanhai1，Yang Mingjun2，Huang Liqin3

（1. Guangdong No.2 Hydropower Engineering Company Ltd.，Guangzhou 510410，China；2. JiNan university，Guangzhou 510632，China；3. Southeast Guangdong Hydropower Investment Co.，Ltd.，Guangzhou 511300，China）

Abstract：There are significant differences in the structural forms of fixed PV brackets in PV power generation systems. Even for the same type of PV bracket structure，there are different arrangements for PV arrays，and the corresponding PV brackets，pipe piles，and land costs for different arrangements of PV arrays also have significant differences. This paper is based on a PV power plant project in Xuwen County，Zhanjiang City，Guangdong Province，which uses fixed PV brackets. Two methods，conventional calculation of steel PV bracket engineering quantity and calculation of PV bracket engineering quantity using the detailed table in BIM software，are used to compare and elaborate on the cost of PV brackets and pipe piles of the double hoop and double column 3×28 PV array and single hoop single column 2×26 PV array. In addition，the difference of land cost caused by different dip angle of the two specifications is also considered，and the comprehensive investment cost of the fixed PV bracket 3×28 standard array and the fixed PV bracket 2×26 at the dip angle of 11° is finally summarized，which provides suggestions for the bracket selection of similar fixed PV power station construction. The research results show that under the same installation scale，the cost of a 3-row PV array PV bracket is lower than that of 2-row PV array PV bracket，and the cost of a single hoop single column PV bracket is lower than that of a double hoop double column PV bracket. This conclusion provides a reference for the selection of fixed PV brackets similar to the construction of PV power stations.

Keywords：PV power station；fixed PV bracket；quantity calculation；PV modules；PV array；land cost；PHC