袁煒東

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025)

0 引言

近年來(lái)，隨著各個(gè)“領(lǐng)跑者”基地的逐步建設(shè)，我國(guó)光伏行業(yè)發(fā)展迅速；同時(shí)，受政策調(diào)整的影響，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也在逐漸加劇。光伏企業(yè)只有不斷優(yōu)化技術(shù)，降低度電成本，盡快結(jié)束對(duì)國(guó)家補(bǔ)貼的依賴，才能順利迎來(lái)平價(jià)上網(wǎng)時(shí)期。

平單軸跟蹤支架是一種南北向排布、旋轉(zhuǎn)軸水平布置、東西向跟蹤太陽(yáng)角度變化的支架，與固定式支架相比，此類支架在中、低緯度地區(qū)能更充分地利用太陽(yáng)能資源，大幅提高光伏組件的發(fā)電量，降低度電成本；而雙面光伏組件與平單軸跟蹤支架相結(jié)合又可以進(jìn)一步提高光伏組件的發(fā)電量，因此此種結(jié)合方式在國(guó)內(nèi)開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。

光伏組件的發(fā)電量取決于其表面所接收的太陽(yáng)輻射量，理論上安裝于平單軸跟蹤支架上的光伏組件，其表面接收的最大太陽(yáng)輻射量是由項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)輻射資源條件和平單軸跟蹤支架的相關(guān)參數(shù)共同決定的。其中，平單軸跟蹤支架的相關(guān)參數(shù)主要涉及到支架最大跟蹤角度、反向跟蹤功能、支架離地高度和支架東西向間距，具體如圖1所示。

圖1 平單軸跟蹤支架的部分參數(shù)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of some parameters of horizontal single-axis tracking bracket

最大跟蹤角度決定了平單軸跟蹤支架可跟蹤的最小太陽(yáng)高度角，特別是在支架東西向間距較大的情況下，適當(dāng)增大最大跟蹤角度的范圍有利于提升光伏組件表面接收的太陽(yáng)輻射量。

反向跟蹤功能是指跟蹤支架為避免東西向光伏陣列之間產(chǎn)生陰影遮擋而放棄跟蹤太陽(yáng)方位，從而緩慢放平光伏陣列的功能。

支架離地高度可影響雙面光伏組件背面接收太陽(yáng)散射光的量，支架離地高度較高有利于提升雙面光伏組件背面的發(fā)電量增益。

支架東西向間距可影響平單軸跟蹤支架跟蹤太陽(yáng)方位角度的范圍。而且在光伏電站占地面積一定的情況下，若支架東西向間距過(guò)小時(shí)，跟蹤支架為避免來(lái)自東、西方向的陰影遮擋，會(huì)放棄跟蹤太陽(yáng)方位，從而造成光伏電站單位容量發(fā)電量的降低；支架東西向間距過(guò)大時(shí)，單位容量組件的占地面積增加，導(dǎo)致光伏電站總安裝容量減小，同時(shí)也會(huì)影響光伏電站的總發(fā)電量。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，最大跟蹤角度和反向跟蹤功能由設(shè)備廠家決定，支架離地高度和支架東西向間距由項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化。由于目前與光伏電站相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未提到針對(duì)平單軸跟蹤支架東西向間距的要求，因此，本文以陜西省定邊縣某光伏電站為例，通過(guò)PVsyst軟件模擬分析該光伏電站采用平單軸跟蹤支架時(shí)，支架東西向間距對(duì)該電站年發(fā)電量的影響，并探討了支架東西向間距對(duì)該電站的投資和收益變化趨勢(shì)的影響。

1 計(jì)算模型

以在陜西省定邊縣 (37.78°N、107.72°E)某裝機(jī)容量為2.5 MWp的光伏電站為例，該地的地形平坦，年水平面太陽(yáng)輻射量為1609 kWh/m2；電站采用380 Wp的雙面單晶硅光伏組件，2500 kW的集中式光伏逆變器；平單軸跟蹤支架的跟蹤范圍為-60°～60°，支架寬度為2 m，具有反向跟蹤功能，支架離地高度為1.5 m，地面反射率為20%。

利用PVsyst軟件6.86版本計(jì)算該光伏電站的首年發(fā)電量。設(shè)定支架東西向間距以2.1 m為最小間距，每次遞增0.1 m，最終增至8.0 m，對(duì)比各間距下的電站年發(fā)電量。

計(jì)算逐年發(fā)電量時(shí)，假設(shè)組件發(fā)電量的年衰減率與組件功率年均衰減率相等。此計(jì)算結(jié)果已經(jīng)過(guò)實(shí)際的項(xiàng)目數(shù)據(jù)驗(yàn)證，相對(duì)合理。

2 發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在光伏電站占地面積一定的情況下，支架東西向間距不同時(shí)，會(huì)使單位容量光伏組件的占地面積不同，從而場(chǎng)地內(nèi)安裝的組件容量也會(huì)不同，導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電量也存在差異。支架東西向間距不同時(shí)每MW光伏組件的占地面積情況如圖2所示。當(dāng)光伏電站占地面積為1 hm2時(shí)，支架東西向間距不同時(shí)光伏組件的安裝容量與光伏電站的年發(fā)電量情況如圖3所示。

圖2 支架東西向間距不同時(shí)每MW光伏組件的占地面積Fig. 2 Area of each MW PV module at different spacing in east-west direction for bracket

圖3 支架東西向間距不同時(shí)光伏組件的安裝容量和光伏電站年發(fā)電量Fig. 3 PV module installation capacity and annual power generation of PV power station at different spacing in east-west direction for bracket

由圖2、圖3可知，支架東西向間距增大時(shí)，每MW光伏組件的占地面積呈線性增大，而光伏電站的場(chǎng)地面積有限，導(dǎo)致光伏組件安裝容量逐漸減小，光伏電站的年發(fā)電量也呈下降趨勢(shì)。

而隨著支架東西向間距增加，光伏組件表面接收的太陽(yáng)輻射量增多，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)增加，即單位容量光伏組件的發(fā)電量增加。發(fā)電利用小時(shí)數(shù)隨支架東西向間距變化的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 支架東西向間距不同時(shí)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的變化情況Fig. 4 Variation of utilization hours of power generation at different spacing in east-west direction for bracket

結(jié)合圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支架東西向間距為2.1 m時(shí)，1 hm2土地可以安裝的光伏組件容量為1798.9 kW，光伏電站的年發(fā)電量為2547.74 MWh，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1416.3 h；當(dāng)支架東西向間距為8.0 m時(shí)，1 hm2土地可以安裝光伏組件的容量為472.2 kW，光伏電站的年發(fā)電量為929.89 MWh，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1969.3 h。經(jīng)計(jì)算，相較于支架東西向間距為8.0 m時(shí)，支架東西向間距為2.1 m時(shí)的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)減少了553.0 h，減少比例為28%；但由于單位容量光伏組件的占地面積減少了，所以1 hm2土地的光伏組件安裝容量增加了1326.7 kW，增加比例為281%；年發(fā)電量增加了1617.85 MWh，增加比例為174%。

3 支架東西向間距的優(yōu)化研究

按照光伏電站所在地的上網(wǎng)電價(jià)0.3345元/kWh和暫估的光伏電站造價(jià)4000元/kW計(jì)算，對(duì)占地為1 hm2的光伏電站在支架東西向間距不同時(shí)的建設(shè)期投資進(jìn)行了分析，并計(jì)算了其25年全壽命周期內(nèi)的年發(fā)電收益情況，具體如表1所示。

通過(guò)分析表1中建設(shè)期投資和25年全壽命周期內(nèi)支架東西向間距不同時(shí)光伏電站的年發(fā)電收益情況可以發(fā)現(xiàn)，增大支架東西向間距有利于提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，進(jìn)而有助于提升單位容量光伏組件的收益，但同時(shí)也會(huì)增加單位容量光伏組件的占地面積，導(dǎo)致單位土地面積內(nèi)的光伏組件總發(fā)電量減少，相應(yīng)的光伏電站總收益降低。

綜合單位土地面積內(nèi)的光伏電站年發(fā)電收益和光伏組件安裝容量，采用投資差額內(nèi)部收益率法[1]分析該光伏電站中最佳的支架東西向間距。投資差額內(nèi)部收益率法是指基于2個(gè)原始投資額不相等的項(xiàng)目的差量現(xiàn)金凈流量計(jì)算出差額內(nèi)部收益率，并據(jù)此判斷這2個(gè)投資項(xiàng)目?jī)?yōu)劣的方法。當(dāng)差額內(nèi)部收益率指標(biāo)大于或等于基準(zhǔn)內(nèi)部收益率時(shí)，原始投資額大的項(xiàng)目較優(yōu)；反之，則原始投資額少的項(xiàng)目較優(yōu)。

計(jì)算支架東西向間距每遞增0.1 m時(shí)，基于建設(shè)期投資差額與年發(fā)電收益差額的差額內(nèi)部收益率情況，具體如表2所示。其中，支架東西向間距變化為(2.1)/(2.2)時(shí)的建設(shè)期投資差額是指支架東西向間距為2.1 m時(shí)的建設(shè)期投資減去支架東西向間距為2.2 m時(shí)的建設(shè)期投資，年發(fā)電收益差額是指支架東西向間距為2.2 m時(shí)的年發(fā)電收益減去支架東西向間距為2.1 m時(shí)的年發(fā)電收益；以此類推。

從表2中可以看出，隨著支架東西向間距變化中間距數(shù)值的遞增，差額內(nèi)部收益率也逐漸增大。當(dāng)基準(zhǔn)內(nèi)部收益率取10%時(shí)，自支架東西向間距從4.0 m變化至4.1 m開(kāi)始，其所對(duì)應(yīng)的差額內(nèi)部收益率均大于10%，均達(dá)到了基準(zhǔn)內(nèi)部收益率的收益要求。但隨著支架東西向間距的增大，1 hm2土地安裝的光伏組件容量減小，導(dǎo)致光伏電站年發(fā)電收益減小。因此，考慮到土地利用率及電站年發(fā)電收益最大化，在當(dāng)前邊界條件下，由于支架東西向間距為4.0 m時(shí)的原始投資額較大，說(shuō)明此間距為最優(yōu)的支架東西向間距。

按照上述方法，進(jìn)一步分析光伏電站造價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)對(duì)該最優(yōu)支架東西向間距的影響，可以發(fā)現(xiàn)，隨著光伏電站造價(jià)降低或是上網(wǎng)電價(jià)提高，此最優(yōu)支架東西向間距會(huì)隨之縮小。

表1 支架東西向間距不同時(shí)光伏電站的建設(shè)期投資與年發(fā)電收益變化表Table 1 Chages of construction period investment and annual power generation income of PV power station with different spacing in east-west direction for bracket

表2 支架東西向間距變化時(shí)光伏電站的建設(shè)期投資與年發(fā)電收益的差額變化表Table 2 Changes in difference between construction period investment and annual power generation income with spacing changing in east-west direction for bracket

4 結(jié)論

本文以陜西省定邊縣某光伏電站為例，借助PVsyst軟件，詳細(xì)計(jì)算了該光伏電站采用平單軸跟蹤支架時(shí)，支架東西向間距不同時(shí)電站的年發(fā)電量等內(nèi)容，得出以下結(jié)論：

1)在占地面積一定的情況下，隨著支架東西向間距的增大，有利于提高電站的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，但隨著單位容量組件占地面積的增加，組件的總安裝容量將減少，從而導(dǎo)致光伏電站的總發(fā)電量也會(huì)減少。

2)隨著支架東西向間距變化中間距數(shù)值的不斷增大，光伏電站的差額內(nèi)部收益率逐漸增大；以10%作為基準(zhǔn)收益率時(shí)，支架東西向間距由4.0 m增加到4.1 m時(shí)的差額內(nèi)部收益率達(dá)到10%以上，可滿足基準(zhǔn)內(nèi)部收益率的收益要求；由于支架東西向間距為4.0 m時(shí)該電站的原始投資額較大，因此，可判定該光伏電站最優(yōu)的支架東西向間距為4.0 m。

3)隨著光伏電站造價(jià)降低或上網(wǎng)電價(jià)提高，新的最優(yōu)支架東西向間距會(huì)在之前最優(yōu)支架東西向間距的基礎(chǔ)上有所減小。