大型光伏電站中不同支架方案比較分析

陳艷曹曉寧蘭云鵬王小麗

（1.中冶京誠(chéng)工程有限公司，北京 100176；2.中廣核太陽(yáng)能開發(fā)有限公司，北京 100048）

在光伏電站中，組件的支架形式會(huì)影響組件接收的太陽(yáng)輻射量，進(jìn)而影響光伏電站的發(fā)電量；另外不同形式的支架將對(duì)光伏電站的建設(shè)用地有很大影響；而且不同形式的支架的成本也有較大差別。支架選型對(duì)光伏電站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、建設(shè)用地指標(biāo)和建設(shè)規(guī)模都有很大影響。本文對(duì)不同支架形式的電站的占地面積、發(fā)電量和投資收益進(jìn)行比較分析，討論不同形式支架的應(yīng)用推廣的前景。

1 支架形式分類

目前大型光伏電站的太陽(yáng)電池組件支架包括固定式支架、水平單軸跟蹤支架、傾斜單軸跟蹤支架（也稱傾緯度角單軸跟蹤支架）和雙軸跟蹤支架，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)電池組件支架類型

固定式支架通常有一定的傾角，安裝傾角的最佳選擇取決于諸多因素，如地理位置、全年太陽(yáng)輻射分布、直接輻射與散射輻射比例和特定的場(chǎng)地條件等。最佳安裝傾角可采用專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)確定，它應(yīng)是系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時(shí)的傾角。

水平單軸跟蹤支架，通過其在東西方向上的旋轉(zhuǎn)，以保證每一時(shí)刻太陽(yáng)光與太陽(yáng)電池板面的法線夾角為最小值，以此來(lái)獲得較大的發(fā)電量。

傾斜單軸跟蹤支架，是在固定太陽(yáng)電池面板傾角的基礎(chǔ)上，圍繞該傾斜的軸旋轉(zhuǎn)追蹤太陽(yáng)方位角，以便接受更多的太陽(yáng)輻射量。

雙軸跟蹤支架，通過其對(duì)太陽(yáng)光線的實(shí)時(shí)跟蹤，以保證每一時(shí)刻太陽(yáng)光線都與太陽(yáng)電池板面垂直，以此來(lái)獲得最大的發(fā)電量。

一般而言，采用跟蹤支架的光伏電站發(fā)電量增益明顯，但是占地面積大，支架的造價(jià)高，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高，而且在不同的緯度地區(qū)，跟蹤支架對(duì)發(fā)電量的增益效果也存在一定差別，綜合考慮以上因素，在現(xiàn)階段固定支架和跟蹤支架不存在決定的優(yōu)劣之分，跟蹤支架的性價(jià)比不見得高，在實(shí)際情況中應(yīng)針對(duì)具體的項(xiàng)目進(jìn)行分析比對(duì)，選擇最優(yōu)的支架方案。

在國(guó)內(nèi)電價(jià)政策和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下，2011年國(guó)內(nèi)光伏電站安裝容量超過3GWp，其中超過90%的光伏電站都是采用固定支架安裝，為數(shù)不多的幾個(gè)電站選用平單軸和斜單軸跟蹤支架，而雙軸跟蹤支架還有大規(guī)模示范應(yīng)用?？紤]目前實(shí)際使用情況，下面對(duì)固定支架、平單軸跟蹤支架和斜單軸跟蹤支架進(jìn)行重點(diǎn)分析比較。

2 占地面積比較

支架形式和場(chǎng)址緯度都會(huì)影響光伏電站的占地面積，表1給出了位于西藏桑日（29.3°N）、甘肅敦煌（40.1°N）和新疆青河（46.2°N）三個(gè)典型場(chǎng)址采用不同支架形式時(shí)10MWp光伏電站的占地面積。

表1 不同緯度光伏電站采用不同形式支架的占地面積

圖2 不同支架形式10MWp光伏電站占地面積

不同緯度的光伏電站選用不同支架形式時(shí)占地面積變化趨勢(shì)如圖1所示，從圖中可以清楚的看到，緯度和支架傾角對(duì)光伏電站的占地面積影響最大。緯度相同的光伏電站，固定傾角支架占地面積最小，平單軸跟蹤支架次之，斜單軸跟蹤支架占地面最大，而且傾角越大，占地面積越大；相同支架形式，隨著緯度升高，等容量光伏電站的占地面積變大，最大甚至超過兩倍；對(duì)于斜單軸跟蹤支架，隨著傾角變大，等容量光伏電站的占地面積變大，對(duì)于高緯度地區(qū)，隨著傾角變大，占地變化比例變大；固定支架光伏電站占地面積最小，土地利用最高，建設(shè)用地指標(biāo)最優(yōu)，而平單軸跟蹤和小傾角斜單軸跟蹤光伏電站的占地面積增加不大，建設(shè)用地指標(biāo)較優(yōu)。從土地利用角度，在光伏電站設(shè)計(jì)中可重點(diǎn)考慮固定支架、平單軸跟蹤支架和小傾角（5°左右）斜單軸跟蹤支架，而在高度緯度地區(qū)，大角度斜單軸跟蹤支架是的光伏電站的占地面積增加幾倍，在制定技術(shù)方案時(shí)應(yīng)慎重，盡量不予采用，具體詳見圖2中圓圈標(biāo)記的區(qū)域。

3 太陽(yáng)輻射量增益分析

不同支架形式接收的太陽(yáng)輻射量不一樣，跟蹤支架可以跟蹤入射太陽(yáng)光的方向，可以使組件接收的太陽(yáng)輻射量有較大的增益，因而發(fā)電量也會(huì)增加。選取緯度為北緯40°的典型場(chǎng)址，在不考慮遮擋的理想情況下，不同支架形式對(duì)光輻射量的增益情況進(jìn)行比較分析，如圖3所示。

圖3給出一年中不同支架形式接收的太陽(yáng)輻射量曲線，表2給出了不同支架接收的相對(duì)太陽(yáng)輻射量，從圖3中可以看到在夏秋季節(jié)跟蹤支架接收的太陽(yáng)輻射量增益比較高，在春冬季節(jié)，跟蹤支架接收的太陽(yáng)輻射量增益比很小，甚至為負(fù)。從表2可以看到，隨著傾角變大，斜單軸跟蹤支架比水平單軸跟蹤支架接收的太陽(yáng)輻射量有較大增益，而且在傾角較小時(shí)，增益比變化幅度更大。

圖3 北緯40°地區(qū)不同支架形式接收的全年太陽(yáng)輻射量

表2 不同形式支架接收的相對(duì)太陽(yáng)輻射量

4 發(fā)電量增益分析

對(duì)于光伏電站，太陽(yáng)輻射量決定了發(fā)電量，但是由于陣列遮擋、線損和溫度等因素的影響，太陽(yáng)輻射量與電站發(fā)電量的增益比例不完全一致，利用PVSYST對(duì)西藏桑日、甘肅敦煌和新疆青河三個(gè)典型場(chǎng)址電站在選用不同支架形式時(shí)的首年發(fā)電小時(shí)數(shù)進(jìn)行模擬仿真，系統(tǒng)效率均取為80%，結(jié)果如表3所示，為了便于比較分析，對(duì)表 3的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如表4所示，變化趨勢(shì)如圖4所示。

通過比較表 2和表 4，可以看到跟蹤支架的發(fā)電量增益比要略小于其光輻射量的增益比，約3%，這主要是陣列遮擋和溫度效應(yīng)引起的。對(duì)于低緯度地區(qū)，平單軸跟蹤支架的發(fā)電量增益要略高，約1%～2%，而且傾角較小時(shí)，斜單軸支架的發(fā)電量增益比也略高，約1%；對(duì)于高緯度地區(qū)，最佳傾角斜單軸跟蹤的發(fā)電量增益要略高，約2%～3%。

表3 不同緯度光伏電站采用不同支架方式首年發(fā)電小時(shí)數(shù)

表4 不同緯度光伏電站采用不同支架方式發(fā)電量增益比

圖4 跟蹤支架發(fā)電量增益比

5 投資收益分析

根據(jù)前面的理論分析，跟蹤支架可以較大幅度提高光伏電站的發(fā)電量，提高光伏電站的投資收益比，具有很好的應(yīng)用前景，但是考慮到跟蹤支架的成本增加、可靠性和運(yùn)維成本，造成跟蹤支架目前仍未得到大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)對(duì)大型平單軸跟蹤支架光伏電站的調(diào)研，其首年實(shí)際發(fā)電量比預(yù)期低了8.7%，而同一地區(qū)大型最佳傾角固定支架光伏電站的首年實(shí)際發(fā)電量比理論低了2.9%，可見平單軸跟蹤支架的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致實(shí)際發(fā)電量低于理論預(yù)測(cè)發(fā)電量，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析時(shí)應(yīng)考慮跟蹤支架的故障率，考慮到跟蹤支架可靠性的改進(jìn)，采用跟蹤支架的光伏電站的實(shí)際發(fā)電量應(yīng)比對(duì)應(yīng)的理論發(fā)電量低4個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)目前的市場(chǎng)情況，各種支架的成本和對(duì)應(yīng)的土建基礎(chǔ)成本如表5所示，以甘肅敦煌為例，假設(shè)項(xiàng)目的容量為30MWp，固定支架電站的運(yùn)維費(fèi)用取400萬(wàn)/年，跟蹤支架電站的運(yùn)維費(fèi)用取480萬(wàn)/年，電站的投資收益率如表5所示。

表5 不同支架形式的投資收益率

通過比較分析可知，采用平單軸跟蹤支架與固定支架的光伏電站的收益率基本相同，斜單軸跟蹤支架帶來(lái)的投資收益率提高較大，而考慮到安全可靠性的風(fēng)險(xiǎn)和占地面積，小傾角斜單軸跟蹤支架優(yōu)勢(shì)較明顯，具有較大的應(yīng)用潛力，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注和考察。

6 結(jié)論

跟蹤支架可以明顯提高大型光伏電站的發(fā)電量，但是綜合跟蹤支架的成本增加、安全可靠性及占地面積等因素，其實(shí)用性大打折扣。平單軸跟蹤支架成本增加略低，對(duì)于低緯度地區(qū)光伏電站發(fā)電量增益更為明顯，占地面積增加不大，但是綜合其可靠穩(wěn)定性等因素，對(duì)電站的投資收益率幾乎沒有增益，提高其可靠穩(wěn)定性是其推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)；小傾角斜單軸跟蹤支架成本增加略高，發(fā)電量較高，占地面積增加不大，其運(yùn)維成本和安全可靠性與平單軸跟蹤支架相當(dāng)，對(duì)電站的投資收益率有較大增益，應(yīng)用潛力很大；最佳傾角斜單軸跟蹤支架的發(fā)電量增益最大，對(duì)電站的投資收益率增益最大，但是其占地面積太大，而且考慮到穩(wěn)定可靠性，推廣前景很小。

根據(jù)分析結(jié)果，建議目前階段對(duì)小傾角斜單軸跟蹤支架進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)研和評(píng)估，對(duì)于其的穩(wěn)定可靠性和運(yùn)維成本進(jìn)行深入的評(píng)估，保證進(jìn)行投資收益測(cè)算時(shí)考慮周全，在合理控制風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行小傾角跟蹤支架的應(yīng)用，提高光伏電站項(xiàng)目的投資回報(bào)，推動(dòng)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]趙爭(zhēng)鳴,雷一,賀凡波,等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011(12).

[2]趙春江,楊金煥,陳中華,等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J].節(jié)能技術(shù), 2007(5).

[3]李天下.太陽(yáng)能光伏支架系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國(guó)建設(shè)動(dòng)態(tài):陽(yáng)光能源, 2010(5).

[4]林娟,徐永峰,李明.跟蹤式平板光伏組件輸出性能的研究[J].太陽(yáng)能, 2010(10).

[5]李紅波,俞善慶.太陽(yáng)能光伏技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展[C].2013第三屆綠色建筑建材與土木工程國(guó)際會(huì)議,2013.