傾角可調(diào)光伏支架的技術經(jīng)濟性分析

作者:本站發(fā)布時間:2018-07-23 15:13:15點擊次數(shù):1

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

1、引言

隨著國內(nèi)光伏新裝機容量的與日劇增，光伏平價上網(wǎng)的呼聲越演越烈，導致光伏上網(wǎng)電價的下調(diào)已經(jīng)成了必然之勢。在此情況下，國內(nèi)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(jīng)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(fā)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(tǒng)在國內(nèi)應用較為廣泛，其優(yōu)勢在于價格低廉，結構穩(wěn)定，后期基本免維護。但對于光伏系統(tǒng)而言，年平均日照時數(shù)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(fā)電量的目的，其優(yōu)勢在于年平均日照時數(shù)高，但先期投資成本較高，后期需要一定的維護。傾角可調(diào)支架是一種按照太陽在各季節(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(diào)支架的技術原理，采用軟件模擬對比不同緯度地區(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)支架帶來的經(jīng)濟效益。

2、傾角可調(diào)支架的技術原理

根據(jù)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?shù)鼐暥冉牵淮悍种料闹陵柟獯怪闭丈湮恢靡灿沙嗟谰€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?shù)鼐暥冉?；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(diào)節(jié)光伏陣列的傾角。設北半球的太陽赤緯角為正數(shù)，南半球的太陽赤緯角為負數(shù)。全年陽光在北回歸線到南回歸線內(nèi)移動、光伏陣列的安裝傾角取當?shù)鼐暥葴p去太陽赤緯角。 

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?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(diào)安裝最佳傾角進行修正。本文采用國內(nèi)通用光伏軟件PVsyst對可調(diào)支架最佳傾角進行分析。

3、可調(diào)支架傾角的變化對發(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，使得各個季節(jié)內(nèi)接收的太陽輻射量最大。本文結合太陽的運動規(guī)律，研究傾角可調(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，結合每年“兩分”、“兩至”的時間，確定一年調(diào)整2次傾角的時間段為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)整時間為每個時間段的開始。

在不同緯度地區(qū)，由于基礎太陽輻射量差異，可調(diào)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(qū)的限電因素，國內(nèi)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(qū)和電價較高的三類地區(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(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次所接受的太陽輻射量增加約4.6%；一年調(diào)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(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次所接受的太陽輻射量增加約3.36%；一年調(diào)整4次所接受的太陽輻射量增加約3.5%。

根據(jù)上述兩類地區(qū)的對比可見，對于基礎太陽輻射較好的地區(qū)（如天津市），傾角可調(diào)支架對發(fā)電量的影響較大；而對于基礎太陽輻射較差的地區(qū)（如欽州市），傾角可調(diào)支架對發(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次對發(fā)電量的影響很小，約1%左右。

4、傾角可調(diào)支架的技術經(jīng)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(fā)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(fā)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(diào)支架安裝方式對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營費用的增加。

（一）、支架成本的增加

根據(jù)現(xiàn)有光伏市場行情，傾角可調(diào)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(tǒng)發(fā)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(qū)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(diào)支架，需按照一年中所需調(diào)整最大角度來設計，一年調(diào)整2次的角度為55°，組件中心間距設計為9.7m；一年調(diào)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(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）、后期運維費用的增加

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

根據(jù)上述對傾角可調(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(qū)上網(wǎng)標桿電價為0.88元/kWh，當前國內(nèi)光伏電站的單位造價約為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(yōu)惠政策，測算采用固定傾角和傾角可調(diào)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(shù)為1302.32h，則首年發(fā)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(fā)電量為58889.71萬度。依據(jù)現(xiàn)有中緯度地區(qū)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(jù)上述基礎數(shù)據(jù)和數(shù)學模型，計算的項目全投資內(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數(shù)為1361.92h，則首年發(fā)電量為2723.84萬度，25年發(fā)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(jù)上述基礎數(shù)據(jù)和數(shù)學模型，計算的項目全投資內(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數(shù)為1363.392h，則首年發(fā)電量為2726.784萬度，25年發(fā)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(jù)上述基礎數(shù)據(jù)和數(shù)學模型，計算的項目全投資內(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)式支架方案對比

圖2天津地區(qū)20MW項目傾角可調(diào)支架（一年調(diào)整2次）

安裝方式收益率測算現(xiàn)金流

對于欽州地區(qū)20MW地面電站項目，采用同樣的數(shù)學模型。欽州市上網(wǎng)標桿電價為0.98元/W，該緯度地區(qū)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(diào)式支架方案對比如表4所示。

表4欽州地區(qū)20MW固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對比

圖3欽州地區(qū)20MW項目傾角可調(diào)支架（一年調(diào)整2次）

安裝方式收益率測算現(xiàn)金流

由以上分析可以看出，對于中緯度的二類地區(qū)來說，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個百分點；對于低緯度的三類地區(qū)來說，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個百分點；可見傾角可調(diào)支架技術應用在中緯度以上地區(qū)收益會更好。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，對于二類和三類地區(qū)來說建議采用一年調(diào)整兩次的模式。

5、結論

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

（1）對于中緯度的二類地區(qū)，如天津市，采用傾角可調(diào)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(qū)，如欽州市，采用傾角可調(diào)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(diào)支架一年調(diào)整2次角度與調(diào)整4次角度接受的太陽輻射量很小，僅為0.1%左右。

（2）對于中緯度的二類地區(qū)來說，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個百分點；對于低緯度的三類地區(qū)來說，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個百分點；可見傾角可調(diào)支架技術應用在中緯度以上地區(qū)收益會更好。

（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，對于二類和三類地區(qū)來說建議采用一年調(diào)整2次的模式。