傾角可調光伏支架的技術經濟性分析

作者:本站發布時間:2018-07-23 15:13:15點擊次數:1

摘要：研究時下太陽能資源二、三類地區采用傾角可調支架和固定傾角支架對光伏系統發電量的影響，再對比其發電收益與電站建設及運維投入成本，通過技術經濟性分析表明，傾角可調支架技術（1年調整2次）應用在中緯度以上二類地區收益會更佳。

1、引言

隨著國內光伏新裝機容量的與日劇增，光伏平價上網的呼聲越演越烈，導致光伏上網電價的下調已經成了必然之勢。在此情況下，國內光伏建設還面臨可用土地越來越少且土地價格越來越貴的難題。為了進一步提高土地的綜合利用率和光伏電站的經濟效益，人們試圖尋求新技術和選擇新的光伏組件安裝方式，以增加光伏組件的太陽輻射量。

目前，大型光伏發電項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）。固定支架系統在國內應用較為廣泛，其優勢在于價格低廉，結構穩定，后期基本免維護。但對于光伏系統而言，年平均日照時數較低。跟蹤式支架通過追蹤太陽高度角和方位角以達到增加太陽能輻射，從而增加發電量的目的，其優勢在于年平均日照時數高，但先期投資成本較高，后期需要一定的維護。傾角可調支架是一種按照太陽在各季節的高度角差異所開發的新型光伏支架。與固定傾角安裝方式相比，傾角可調支架安裝可提高發電量；與跟蹤方式相比，傾角可調支架安裝方式成本低，且后期維護量少，因此逐漸受到許多電站投資商的青睞。本文通過研究傾角可調支架的技術原理，采用軟件模擬對比不同緯度地區傾角可調支架和固定支架的發電量差異，分析傾角可調支架帶來的經濟效益。

2、傾角可調支架的技術原理

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

春分時陽光垂直照射于赤道線上，太陽赤緯角為0°，為獲得最大的太陽輻射量，光伏組件的安裝最佳傾角為當地緯度角；春分至夏至陽光垂直照射位置也由赤道線移至北回歸線，太陽赤緯角為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，秋分與春分的太陽赤緯角相同為0°，光伏陣列的安裝最佳傾角為當地緯度角；由秋分再至冬至，陽光垂直照射位置由赤道線移至南回歸線，太陽赤緯角為-23°27′光伏陳列安裝最佳傾角為緯度角加上23°27′。陽光垂直照射位置的變化如圖1：

圖1四季陽光垂直照射位置的變化圖

可以分別在春分、夏至、秋分、冬至前調節光伏陣列的傾角。設北半球的太陽赤緯角為正數，南半球的太陽赤緯角為負數。全年陽光在北回歸線到南回歸線內移動、光伏陣列的安裝傾角取當地緯度減去太陽赤緯角。 

按照日照原理，可調安裝的最佳傾角公式如下：   

式中 ：i為可調安裝的最佳傾角；I為當地緯度；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，實際情況中陽光并不是如圖1中垂直射向地面，且太陽輻射總量不僅包括直接太陽輻射量，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輻射計算方法是[2]： 

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

所以在實際計算最佳傾角時需要對按照日照原理所計算的可調安裝最佳傾角進行修正。本文采用國內通用光伏軟件PVsyst對可調支架最佳傾角進行分析。

3、可調支架傾角的變化對發電量的影響分析

傾角可調支架的原理是隨著季節變化而調整支架的傾角，使得各個季節內接收的太陽輻射量最大。本文結合太陽的運動規律，研究傾角可調支架一年調整2次（暖季和寒季）和4次（春季、夏季、秋季和冬季）傾角的方式。根據天文劃分四季法，結合每年“兩分”、“兩至”的時間，確定一年調整2次傾角的時間段為4-9月（暖季）和10-3月（寒季）；一年調整4次傾角的時間段為3-5月（春季），6-8月（夏季），9-11月（秋季）和12-2月（冬季）；調整時間為每個時間段的開始。

在不同緯度地區，由于基礎太陽輻射量差異，可調支架接收的太陽輻射量相對固定支架提高的幅度不同。目前來說，由于太陽能資源一類地區的限電因素，國內光伏電站建設的重心逐漸轉移到太陽能資源較好的二類地區和電價較高的三類地區。為此，我們選取天津市和廣西欽州市作為上述兩類地區的代表進行研究，利用Meteonorm中各氣象站點水平面上的輻射量，通過PVsyst軟件模擬計算出天津市和欽州市固定傾角和可調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數

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間為4.46h，依據現有光伏電站系統效率約為80%，則年等效峰值日照小時數為1302.32h。采用傾角可調支架，一年調整2次的模式，暖季最佳傾角為15°,寒季最佳傾角為55°，年等峰值日照小時數為1361.92h。采用傾角可調支架，一年調整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°，年等峰值日照小時數為1363.392h。因而，在天津市地區采用傾角可調支架,一年調整2次所接受的太陽輻射量增加約4.6%；一年調整4次所接受的太陽輻射量增加約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數

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間為3.65h，依據現有光伏電站系統效率約為80%，則年等效峰值日照小時數為1065.8h。采用傾角可調支架，一年調整2次的模式，暖季最佳傾角為0°,寒季最佳傾角為35°，年等峰值日照小時數為1101.672h。采用傾角可調支架，一年調整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°，年等峰值日照小時數為1103.2h。因而，在欽州市地區采用傾角可調支架,一年調整2次所接受的太陽輻射量增加約3.36%；一年調整4次所接受的太陽輻射量增加約3.5%。

根據上述兩類地區的對比可見，對于基礎太陽輻射較好的地區（如天津市），傾角可調支架對發電量的影響較大；而對于基礎太陽輻射較差的地區（如欽州市），傾角可調支架對發電量的影響較小。且上述兩類地區一年內調整支架角度的次數從2次提高到4次對發電量的影響很小，約1%左右。

4、傾角可調支架的技術經濟性分析

在實際工程建設中，投資效益最大化是所有電站開發商關注的主要目標。因而，我們需要綜合考慮不同安裝方式帶來的發電量差異和投資收益差異，選取最佳的安裝方式[3]。相對固定傾角安裝方式，傾角可調支架安裝方式對電站成本的影響主要體現在支架成本的增加，土地占用面積的增大和后期運營費用的增加。

（一）、支架成本的增加

根據現有光伏市場行情，傾角可調支架采購、前期可研、設計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發電量的重要因素，同時也是影響光伏方陣行距的重要因素。按照一般設計原則，光伏方陣的間距需滿足冬至日（每年當中物體在太陽下陰影長度最長的時日）9：00—15：00，組件之間南北方向無陰影遮擋的要求。我們知道，光伏組件的安裝傾角越大，設計的方陣間距也越大，相同裝機容量所需土地也越多。

以天津地區來說，固定傾角（34°）支架設計的組件中心間距為8.1m，而采用傾角可調支架，需按照一年中所需調整最大角度來設計，一年調整2次的角度為55°，組件中心間距設計為9.7m；一年調整4次的角度為61°，組件中心間距設計為9.9m。由此可見，采用傾角可調支架安裝，一年調整2次所需土地增加了約20%；一年調整4次所需土地增加了約22%。

（三）、后期運維費用的增加

傾角可調支架需要根據季節對支架進行調節，從而增加了人工運維的成本。以1MW電站為例，每調節一次所需人工費用約為1000元。

根據上述對傾角可調支架的發電量和投資成本的分析，現建立數學模型測算兩種安裝方式下的項目收益率情況。

以天津20MW地面電站為例，天津地區上網標桿電價為0.88元/kWh，當前國內光伏電站的單位造價約為7.2元/W，電站的系統效率約為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期貸款利率5.39%計算。同時，考慮設備進項增值稅抵扣及所得稅三免三減半的優惠政策，測算采用固定傾角和傾角可調支架兩種方案的項目收益情況。

（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數為1302.32h，則首年發電量為2604.64萬度。組件按照首年衰減不超過2.5%，此后每年衰減不超過0.7%計算，25年發電量為58889.71萬度。依據現有中緯度地區1MW所需土地30畝計算，20MW項目占地面積約600畝，天津市地價約1000元/畝。根據上述基礎數據和數學模型，計算的項目全投資內部收益率為9.22%（稅后），資本金內部收益率為16.37%（稅后）。

（2）傾角可調支架安裝方式收益

傾角可調支架安裝方式（一年調整2次），年等效峰值日照小時數為1361.92h，則首年發電量為2723.84萬度，25年發電量為61584.77萬度。該模式下所需土地增加約20%，則20MW項目占地面積約720畝。支架成本及后期運維成本增加使得總投資成本增加約0.1元/W。根據上述基礎數據和數學模型，計算的項目全投資內部收益率為9.62%（稅后），資本金內部收益率為17.28%（稅后），具體現金流柱狀圖如圖2所示。

傾角可調支架安裝方式（一年調整4次），年等效峰值日照小時數為1363.392h，則首年發電量為2726.784萬度，25年發電量為61651.33萬度。該模式下所需土地增加約22%，則20MW項目占地面積約732畝。支架成本及后期運維成本增加使得總投資成本增加約0.1元/W。根據上述基礎數據和數學模型，計算的項目全投資內部收益率為9.62%（稅后），資本金內部收益率為17.30%（稅后）。詳細內容可見表3。

表3天津地區20MW固定式支架和傾角可調式支架方案對比

圖2天津地區20MW項目傾角可調支架（一年調整2次）

安裝方式收益率測算現金流

對于欽州地區20MW地面電站項目，采用同樣的數學模型。欽州市上網標桿電價為0.98元/W，該緯度地區1MW所需土地按25畝計，地價為1000元/畝。計算所得固定式支架和傾角可調式支架方案對比如表4所示。

表4欽州地區20MW固定式支架和傾角可調式支架方案對比

圖3欽州地區20MW項目傾角可調支架（一年調整2次）

安裝方式收益率測算現金流

由以上分析可以看出，對于中緯度的二類地區來說，采用傾角可調支架安裝方式比固定支架系統的電站收益率增加約0.4個百分點；對于低緯度的三類地區來說，采用傾角可調支架安裝方式比固定支架系統的電站收益率增加約0.2個百分點；可見傾角可調支架技術應用在中緯度以上地區收益會更好。而傾角可調支架一年調整2次與調整4次的收益率相差不大，對于二類和三類地區來說建議采用一年調整兩次的模式。

5、結論

本文通過研究傾角可調支架的技術原理，采用軟件模擬對比不同緯度地區傾角可調支架和固定支架所接受太陽輻射量的差異，分析傾角可調支架的技術經濟性，主要得出以下結論：

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

（2）對于中緯度的二類地區來說，采用傾角可調支架安裝方式比固定支架系統的電站收益率增加約0.4個百分點；對于低緯度的三類地區來說，采用傾角可調支架安裝方式比固定支架系統的電站收益率增加約0.2個百分點；可見傾角可調支架技術應用在中緯度以上地區收益會更好。

（3）傾角可調支架一年調整2次與調整4次的收益率相差不大，對于二類和三類地區來說建議采用一年調整2次的模式。