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傾角可調(diào)光伏支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

作者:本站發(fā)布時(shí)間:2018-07-23 15:13:15點(diǎn)擊次數(shù):1

摘要：研究時(shí)下太陽(yáng)能資源二、三類地區(qū)采用傾角可調(diào)支架和固定傾角支架對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響，再對(duì)比其發(fā)電收益與電站建設(shè)及運(yùn)維投入成本，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析表明，傾角可調(diào)支架技術(shù)（1年調(diào)整2次）應(yīng)用在中緯度以上二類地區(qū)收益會(huì)更佳。

1、引言

隨著國(guó)內(nèi)光伏新裝機(jī)容量的與日劇增，光伏平價(jià)上網(wǎng)的呼聲越演越烈，導(dǎo)致光伏上網(wǎng)電價(jià)的下調(diào)已經(jīng)成了必然之勢(shì)。在此情況下，國(guó)內(nèi)光伏建設(shè)還面臨可用土地越來(lái)越少且土地價(jià)格越來(lái)越貴的難題。為了進(jìn)一步提高土地的綜合利用率和光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益，人們?cè)噲D尋求新技術(shù)和選擇新的光伏組件安裝方式，以增加光伏組件的太陽(yáng)輻射量。

目前，大型光伏發(fā)電項(xiàng)目中光伏組件支架常用的安裝方式有：固定式和跟蹤式（包括單軸和雙軸跟蹤）。固定支架系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，其優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，后期基本免維護(hù)。但對(duì)于光伏系統(tǒng)而言，年平均日照時(shí)數(shù)較低。跟蹤式支架通過(guò)追蹤太陽(yáng)高度角和方位角以達(dá)到增加太陽(yáng)能輻射，從而增加發(fā)電量的目的，其優(yōu)勢(shì)在于年平均日照時(shí)數(shù)高，但先期投資成本較高，后期需要一定的維護(hù)。傾角可調(diào)支架是一種按照太陽(yáng)在各季節(jié)的高度角差異所開發(fā)的新型光伏支架。與固定傾角安裝方式相比，傾角可調(diào)支架安裝可提高發(fā)電量；與跟蹤方式相比，傾角可調(diào)支架安裝方式成本低，且后期維護(hù)量少，因此逐漸受到許多電站投資商的青睞。本文通過(guò)研究?jī)A角可調(diào)支架的技術(shù)原理，采用軟件模擬對(duì)比不同緯度地區(qū)傾角可調(diào)支架和固定支架的發(fā)電量差異，分析傾角可調(diào)支架帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

2、傾角可調(diào)支架的技術(shù)原理

根據(jù)日照原理，太陽(yáng)入射光線與組件表面垂直的情況下可以獲得最大的太陽(yáng)輻射量。在北半球春分、夏至、秋分、冬至是太陽(yáng)光線入射角變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[1]。

春分時(shí)陽(yáng)光垂直照射于赤道線上，太陽(yáng)赤緯角為0°，為獲得最大的太陽(yáng)輻射量，光伏組件的安裝最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；春分至夏至?yáng)光垂直照射位置也由赤道線移至北回歸線，太陽(yáng)赤緯角為23°27′光伏陣列安裝最佳傾角為緯度角減去 23°27′；由夏至再至秋分，陽(yáng)光垂直照射位置再由北回歸線移至赤道線，秋分與春分的太陽(yáng)赤緯角相同為0°，光伏陣列的安裝最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；由秋分再至冬至，?yáng)光垂直照射位置由赤道線移至南回歸線，太陽(yáng)赤緯角為-23°27′光伏陳列安裝最佳傾角為緯度角加上23°27′。陽(yáng)光垂直照射位置的變化如圖1：

圖1四季陽(yáng)光垂直照射位置的變化圖

可以分別在春分、夏至、秋分、冬至前調(diào)節(jié)光伏陣列的傾角。設(shè)北半球的太陽(yáng)赤緯角為正數(shù)，南半球的太陽(yáng)赤緯角為負(fù)數(shù)。全年陽(yáng)光在北回歸線到南回歸線內(nèi)移動(dòng)、光伏陣列的安裝傾角取當(dāng)?shù)鼐暥葴p去太陽(yáng)赤緯角。 

按照日照原理，可調(diào)安裝的最佳傾角公式如下：   

式中 ：i為可調(diào)安裝的最佳傾角；I為當(dāng)?shù)鼐暥?；a為赤緯角，春分、秋分:a=o°,冬至日：a=-23°27′，夏至日：a=23°27′。

由于地球的地軸傾角，實(shí)際情況中陽(yáng)光并不是如圖1中垂直射向地面，且太陽(yáng)輻射總量不僅包括直接太陽(yáng)輻射量，還包括天空散射輻射量及反射量。因此，目前采用最多的太陽(yáng)輻射計(jì)算方法是[2]： 

式中，H為太陽(yáng)輻射總量，H1為直接太陽(yáng)輻射量；H2為散射輻射量；H3為反射輻射量。

所以在實(shí)際計(jì)算最佳傾角時(shí)需要對(duì)按照日照原理所計(jì)算的可調(diào)安裝最佳傾角進(jìn)行修正。本文采用國(guó)內(nèi)通用光伏軟件PVsyst對(duì)可調(diào)支架最佳傾角進(jìn)行分析。

3、可調(diào)支架傾角的變化對(duì)發(fā)電量的影響分析

傾角可調(diào)支架的原理是隨著季節(jié)變化而調(diào)整支架的傾角，使得各個(gè)季節(jié)內(nèi)接收的太陽(yáng)輻射量最大。本文結(jié)合太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究?jī)A角可調(diào)支架一年調(diào)整2次（暖季和寒季）和4次（春季、夏季、秋季和冬季）傾角的方式。根據(jù)天文劃分四季法，結(jié)合每年“兩分”、“兩至”的時(shí)間，確定一年調(diào)整2次傾角的時(shí)間段為4-9月（暖季）和10-3月（寒季）；一年調(diào)整4次傾角的時(shí)間段為3-5月（春季），6-8月（夏季），9-11月（秋季）和12-2月（冬季）；調(diào)整時(shí)間為每個(gè)時(shí)間段的開始。

在不同緯度地區(qū)，由于基礎(chǔ)太陽(yáng)輻射量差異，可調(diào)支架接收的太陽(yáng)輻射量相對(duì)固定支架提高的幅度不同。目前來(lái)說(shuō)，由于太陽(yáng)能資源一類地區(qū)的限電因素，國(guó)內(nèi)光伏電站建設(shè)的重心逐漸轉(zhuǎn)移到太陽(yáng)能資源較好的二類地區(qū)和電價(jià)較高的三類地區(qū)。為此，我們選取天津市和廣西欽州市作為上述兩類地區(qū)的代表進(jìn)行研究，利用Meteonorm中各氣象站點(diǎn)水平面上的輻射量，通過(guò)PVsyst軟件模擬計(jì)算出天津市和欽州市固定傾角和可調(diào)傾角斜面上的輻射量，列于表1和表2。

表1天津市不同傾角安裝下的光伏陣列單位面積接受的峰值日照小時(shí)數(shù)

由上表可知，天津市固定安裝的最佳傾角為34°，傾斜面上峰值日照時(shí)間為4.46h，依據(jù)現(xiàn)有光伏電站系統(tǒng)效率約為80%，則年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1302.32h。采用傾角可調(diào)支架，一年調(diào)整2次的模式，暖季最佳傾角為15°,寒季最佳傾角為55°，年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1361.92h。采用傾角可調(diào)支架，一年調(diào)整4次的模式，春季最佳傾角為24°，夏季最佳傾角為9°，秋季最佳傾角為45°，冬季最佳傾角為61°，年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1363.392h。因而，在天津市地區(qū)采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整2次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約4.6%；一年調(diào)整4次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約4.7%。

表2欽州市不同傾角安裝下的光伏陣列單位面積接受的峰值日照小時(shí)數(shù)

由上表可知，欽州市固定安裝的最佳傾角為34°，傾斜面上峰值日照時(shí)間為3.65h，依據(jù)現(xiàn)有光伏電站系統(tǒng)效率約為80%，則年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1065.8h。采用傾角可調(diào)支架，一年調(diào)整2次的模式，暖季最佳傾角為0°,寒季最佳傾角為35°，年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1101.672h。采用傾角可調(diào)支架，一年調(diào)整4次的模式，春季最佳傾角為4°，夏季最佳傾角為0°，秋季最佳傾角為28°，冬季最佳傾角為40°，年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1103.2h。因而，在欽州市地區(qū)采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整2次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約3.36%；一年調(diào)整4次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約3.5%。

根據(jù)上述兩類地區(qū)的對(duì)比可見，對(duì)于基礎(chǔ)太陽(yáng)輻射較好的地區(qū)（如天津市），傾角可調(diào)支架對(duì)發(fā)電量的影響較大；而對(duì)于基礎(chǔ)太陽(yáng)輻射較差的地區(qū)（如欽州市），傾角可調(diào)支架對(duì)發(fā)電量的影響較小。且上述兩類地區(qū)一年內(nèi)調(diào)整支架角度的次數(shù)從2次提高到4次對(duì)發(fā)電量的影響很小，約1%左右。

4、傾角可調(diào)支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

在實(shí)際工程建設(shè)中，投資效益最大化是所有電站開發(fā)商關(guān)注的主要目標(biāo)。因而，我們需要綜合考慮不同安裝方式帶來(lái)的發(fā)電量差異和投資收益差異，選取最佳的安裝方式[3]。相對(duì)固定傾角安裝方式，傾角可調(diào)支架安裝方式對(duì)電站成本的影響主要體現(xiàn)在支架成本的增加，土地占用面積的增大和后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增加。

（一）、支架成本的增加

根據(jù)現(xiàn)有光伏市場(chǎng)行情，傾角可調(diào)支架采購(gòu)、前期可研、設(shè)計(jì)等成本相比固定傾角支架高約0.06元/W。

（二）、土地占用面積的增大

光伏組件安裝傾角是影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量的重要因素，同時(shí)也是影響光伏方陣行距的重要因素。按照一般設(shè)計(jì)原則，光伏方陣的間距需滿足冬至日（每年當(dāng)中物體在太陽(yáng)下陰影長(zhǎng)度最長(zhǎng)的時(shí)日）9：00—15：00，組件之間南北方向無(wú)陰影遮擋的要求。我們知道，光伏組件的安裝傾角越大，設(shè)計(jì)的方陣間距也越大，相同裝機(jī)容量所需土地也越多。

以天津地區(qū)來(lái)說(shuō)，固定傾角（34°）支架設(shè)計(jì)的組件中心間距為8.1m，而采用傾角可調(diào)支架，需按照一年中所需調(diào)整最大角度來(lái)設(shè)計(jì)，一年調(diào)整2次的角度為55°，組件中心間距設(shè)計(jì)為9.7m；一年調(diào)整4次的角度為61°，組件中心間距設(shè)計(jì)為9.9m。由此可見，采用傾角可調(diào)支架安裝，一年調(diào)整2次所需土地增加了約20%；一年調(diào)整4次所需土地增加了約22%。

（三）、后期運(yùn)維費(fèi)用的增加

傾角可調(diào)支架需要根據(jù)季節(jié)對(duì)支架進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而增加了人工運(yùn)維的成本。以1MW電站為例，每調(diào)節(jié)一次所需人工費(fèi)用約為1000元。

根據(jù)上述對(duì)傾角可調(diào)支架的發(fā)電量和投資成本的分析，現(xiàn)建立數(shù)學(xué)模型測(cè)算兩種安裝方式下的項(xiàng)目收益率情況。

以天津20MW地面電站為例，天津地區(qū)上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)為0.88元/kWh，當(dāng)前國(guó)內(nèi)光伏電站的單位造價(jià)約為7.2元/W，電站的系統(tǒng)效率約為80%。采用金融杠桿模式，光伏電站投資成本中資本金投入比例為30%，其余采用銀行貸款，貸款期限為15年，貸款利率按照目前銀行長(zhǎng)期貸款利率5.39%計(jì)算。同時(shí)，考慮設(shè)備進(jìn)項(xiàng)增值稅抵扣及所得稅三免三減半的優(yōu)惠政策，測(cè)算采用固定傾角和傾角可調(diào)支架兩種方案的項(xiàng)目收益情況。

（1）固定傾角支架安裝方式收益

固定傾角支架安裝方式，年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1302.32h，則首年發(fā)電量為2604.64萬(wàn)度。組件按照首年衰減不超過(guò)2.5%，此后每年衰減不超過(guò)0.7%計(jì)算，25年發(fā)電量為58889.71萬(wàn)度。依據(jù)現(xiàn)有中緯度地區(qū)1MW所需土地30畝計(jì)算，20MW項(xiàng)目占地面積約600畝，天津市地價(jià)約1000元/畝。根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，計(jì)算的項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率為9.22%（稅后），資本金內(nèi)部收益率為16.37%（稅后）。

（2）傾角可調(diào)支架安裝方式收益

傾角可調(diào)支架安裝方式（一年調(diào)整2次），年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1361.92h，則首年發(fā)電量為2723.84萬(wàn)度，25年發(fā)電量為61584.77萬(wàn)度。該模式下所需土地增加約20%，則20MW項(xiàng)目占地面積約720畝。支架成本及后期運(yùn)維成本增加使得總投資成本增加約0.1元/W。根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，計(jì)算的項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率為9.62%（稅后），資本金內(nèi)部收益率為17.28%（稅后），具體現(xiàn)金流柱狀圖如圖2所示。

傾角可調(diào)支架安裝方式（一年調(diào)整4次），年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1363.392h，則首年發(fā)電量為2726.784萬(wàn)度，25年發(fā)電量為61651.33萬(wàn)度。該模式下所需土地增加約22%，則20MW項(xiàng)目占地面積約732畝。支架成本及后期運(yùn)維成本增加使得總投資成本增加約0.1元/W。根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，計(jì)算的項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率為9.62%（稅后），資本金內(nèi)部收益率為17.30%（稅后）。詳細(xì)內(nèi)容可見表3。

表3天津地區(qū)20MW固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對(duì)比

圖2天津地區(qū)20MW項(xiàng)目?jī)A角可調(diào)支架（一年調(diào)整2次）

安裝方式收益率測(cè)算現(xiàn)金流

對(duì)于欽州地區(qū)20MW地面電站項(xiàng)目，采用同樣的數(shù)學(xué)模型。欽州市上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)為0.98元/W，該緯度地區(qū)1MW所需土地按25畝計(jì)，地價(jià)為1000元/畝。計(jì)算所得固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對(duì)比如表4所示。

表4欽州地區(qū)20MW固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對(duì)比

圖3欽州地區(qū)20MW項(xiàng)目?jī)A角可調(diào)支架（一年調(diào)整2次）

安裝方式收益率測(cè)算現(xiàn)金流

由以上分析可以看出，對(duì)于中緯度的二類地區(qū)來(lái)說(shuō)，采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.4個(gè)百分點(diǎn)；對(duì)于低緯度的三類地區(qū)來(lái)說(shuō)，采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.2個(gè)百分點(diǎn)；可見傾角可調(diào)支架技術(shù)應(yīng)用在中緯度以上地區(qū)收益會(huì)更好。而傾角可調(diào)支架一年調(diào)整2次與調(diào)整4次的收益率相差不大，對(duì)于二類和三類地區(qū)來(lái)說(shuō)建議采用一年調(diào)整兩次的模式。

5、結(jié)論

本文通過(guò)研究?jī)A角可調(diào)支架的技術(shù)原理，采用軟件模擬對(duì)比不同緯度地區(qū)傾角可調(diào)支架和固定支架所接受太陽(yáng)輻射量的差異，分析傾角可調(diào)支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，主要得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于中緯度的二類地區(qū)，如天津市，采用傾角可調(diào)支架對(duì)比固定傾角支架所接受的太陽(yáng)輻射量增加約4.6%；而對(duì)于低緯度的三類地區(qū)，如欽州市，采用傾角可調(diào)支架對(duì)比固定傾角支架所接受的太陽(yáng)輻射量增加約3.4%。傾角可調(diào)支架一年調(diào)整2次角度與調(diào)整4次角度接受的太陽(yáng)輻射量很小，僅為0.1%左右。

（2）對(duì)于中緯度的二類地區(qū)來(lái)說(shuō)，采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.4個(gè)百分點(diǎn)；對(duì)于低緯度的三類地區(qū)來(lái)說(shuō)，采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.2個(gè)百分點(diǎn)；可見傾角可調(diào)支架技術(shù)應(yīng)用在中緯度以上地區(qū)收益會(huì)更好。

（3）傾角可調(diào)支架一年調(diào)整2次與調(diào)整4次的收益率相差不大，對(duì)于二類和三類地區(qū)來(lái)說(shuō)建議采用一年調(diào)整2次的模式。