唐遠(yuǎn)程，盧小龍，孫志云，謝 彬，陳賀偉，韋啟珍

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

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

光伏發(fā)電量和造價(jià)水平?jīng)Q定了光伏電站的經(jīng)濟(jì)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(huì)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(jìn)而影響光伏電站經(jīng)濟(jì)性[5-6]。而不同類型光伏支架對(duì)發(fā)電量的影響暫無(wú)權(quán)威統(tǒng)計(jì)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(diǎn)明顯，且適用場(chǎng)景分明。固定式光伏支架的強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、造價(jià)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(yùn)維成本均較低，但由于其不能跟蹤太陽(yáng)運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，光伏組件安裝傾角由電機(jī)控制以匹配太陽(yáng)高度角和方位角，使入射角盡量小，從而達(dá)到接收更多太陽(yáng)輻射的目的，可提高光伏發(fā)電量；缺點(diǎn)是占地面積大、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，光伏電站的初始投資和人工運(yùn)維成本均較高。跟蹤式光伏支架對(duì)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(shí)得到的發(fā)電量提升程度也不同。因此，對(duì)于不同的光伏發(fā)電項(xiàng)目需要采用不同的支架方案，在滿足光伏電站正常運(yùn)行的前提下，借助經(jīng)濟(jì)測(cè)算來(lái)判斷采用何種光伏支架[8-10]。本文以長(zhǎng)沙地區(qū)為例，從占地面積、發(fā)電量、運(yùn)行成本、平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)等角度對(duì)采用不同類型光伏支架時(shí)光伏電站的LCOE 及不同場(chǎng)景下的光伏支架選型進(jìn)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(shí)，光伏陣列的方位角按0°布置，利用PVsyst 軟件可以計(jì)算出項(xiàng)目所在地采用固定式光伏支架時(shí)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(yáng)高度角或太陽(yáng)方位角中的一個(gè)，使太陽(yáng)光入射角盡量小，但達(dá)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(gè)旋轉(zhuǎn)軸，能同時(shí)跟蹤太陽(yáng)的高度角和方位角，能跟太陽(yáng)運(yùn)行軌跡完全匹配，使太陽(yáng)光入射角在各個(gè)時(shí)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(jì)性，光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)保證入射角在任何時(shí)刻都為0°。采用雙軸跟蹤式光伏支架時(shí)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(yáng)輻射數(shù)據(jù)

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

表1 2016—2020 年長(zhǎng)沙市太陽(yáng)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(yáng)輻射量在一定區(qū)間內(nèi)上下波動(dòng)，波幅在100 kWh/m2之內(nèi)。根據(jù)該地區(qū)這5 年的年太陽(yáng)輻射量，計(jì)算出該地區(qū)的平均年太陽(yáng)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(zhǎng)沙地區(qū)的太陽(yáng)輻照條件，對(duì)5 種光伏支架的調(diào)節(jié)角度進(jìn)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(duì)象，容配比設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)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(yùn)營(yíng)成本，含維修、保險(xiǎn)、材料、人工工資及福利、輔助服務(wù)費(fèi)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(chǎng)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(yùn)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(jì)取，僅在電站運(yùn)行的前兩年進(jìn)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(jiǎn)化為：

式中：C1為當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時(shí)，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(shí)，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站年運(yùn)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，采用其他不同類型光伏支架的光伏電站年運(yùn)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(shí)光伏電站的年運(yùn)行成本，元；Cg,y為采用固定式光伏支架時(shí)光伏電站的年運(yùn)行成本，元。

當(dāng)以采用固定式光伏支架為基數(shù)時(shí)，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(shí)光伏電站的年發(fā)電量，kWh；Cg,f為采用固定式光伏支架時(shí)光伏電站的年發(fā)電量，kWh。

3.2 采用不同類型光伏支架時(shí)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(jià)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(fèi)用增加。

以長(zhǎng)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(lái)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(yùn)行成本差異分析

光伏電站的年運(yùn)行成本包含土地租金和年運(yùn)維成本兩部分。

3.3.1 土地租金

以長(zhǎng)沙地區(qū)為例，利用PVsyst 軟件進(jìn)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(jī)容量為1 MW 的光伏電站采用不同類型光伏支架時(shí)的占地面積，具體如表5 所示。

表5 長(zhǎng)沙地區(qū)1 MW 光伏電站采用不同類型光伏支架時(shí)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(yùn)維成本

年運(yùn)維成本含維修、保險(xiǎn)、材料、人工工資、輔助服務(wù)費(fèi)等費(fèi)用。

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

以長(zhǎng)沙地區(qū)為例，不同類型光伏支架單瓦的年運(yùn)維費(fèi)用如表6 所示。

表6 長(zhǎng)沙地區(qū)不同類型光伏支架單瓦的年運(yùn)維費(fèi)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(yùn)維費(fèi)用最高，其次是單軸跟蹤式光伏支架，費(fèi)用最低的為固定式光伏支架。

3.3.3 年運(yùn)行成本差異系數(shù)

不同類型光伏支架的年運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)容量為1 MW 的光伏電站為例進(jìn)行分析，根據(jù)長(zhǎng)沙氣象站2016—2020 年的年均太陽(yáng)輻射量，利用PVsyst 軟件進(jìn)行光伏發(fā)電量計(jì)算，具體如表8 所示。

表8 長(zhǎng)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：?jiǎn)螐哪臧l(fā)電量差異系數(shù)來(lái)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(yùn)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(duì)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(duì)于裝機(jī)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(guò)1.5，所以對(duì)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(jì)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(zhǎng)沙地區(qū)為例，對(duì)采用不同類型光伏支架時(shí)光伏電站的占地面積、發(fā)電量、運(yùn)行成本、LCOE 進(jìn)行了分析，并分析了不同場(chǎng)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(lái)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(xiàng)目以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為考量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，建議選擇平單軸跟蹤式光伏支架。

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

本研究方法適用于中國(guó)各個(gè)地區(qū)光伏電站的光伏支架成本及選型分析。