平單軸支架應(yīng)用于屋頂分布式光伏項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性分析

浙江正泰新能源開發(fā)有限公司 ■ 陳明月 吳云來 朱高麟 陳輝 蘭正權(quán)

0 引言

降低度電成本、實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)已成為光伏行業(yè)的共同目標(biāo)。特別是在“531”政策出臺以后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的降本增效更顯得迫在眉睫。在2017年的光伏“領(lǐng)跑者”地面項(xiàng)目中，很多企業(yè)為了降本增效，均采用了跟蹤支架。隨著跟蹤支架技術(shù)越來越成熟，其成本也在逐漸降低，被廣泛應(yīng)用于大型地面光伏電站中；然而近兩年來，在屋頂分布式光伏項(xiàng)目中其也成為各大光伏企業(yè)投資的重點(diǎn)。既然跟蹤支架能大幅提高地面光伏電站的系統(tǒng)效率，在荷載滿足要求的屋頂分布式光伏項(xiàng)目中是否也能廣泛應(yīng)用跟蹤支架，以達(dá)到提高系統(tǒng)效率、降低度電成本的目的[1]？考慮到屋頂?shù)拿娣e有限，而斜單軸和雙軸跟蹤支架的占地面積較大，因此，本文僅對平單軸支架應(yīng)用于屋頂分布式光伏項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了分析研究。

1 經(jīng)濟(jì)分析模型

1.1 度電成本(LCOE)計(jì)算模型

度電成本(LCOE)是指光伏電系統(tǒng)平均每度電的發(fā)電成本，成本越低，市場競爭力越大，企業(yè)利潤空間也越大，因此，降低度電成本一直是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。在國內(nèi)，LCOE的計(jì)算模型通常為光伏電站的初始投資、25年運(yùn)營維護(hù)成本及25年屋頂租金之和除以25年年均發(fā)電量，但該模型并未考慮資金的時(shí)間價(jià)值[2]。而國外的度電成本計(jì)算模型考慮了運(yùn)維成本及屋頂租金在時(shí)間作用下所產(chǎn)生的價(jià)值，更能體現(xiàn)真正的成本。因此，本文采用國際上的LCOE測算模型[3]，其計(jì)算式為：

式中，I0為系統(tǒng)每瓦投資成本，元/Wp；P0為屋頂上安裝的組件的裝機(jī)容量，Wp；M為系統(tǒng)每年每瓦的運(yùn)維成本，元/Wp；F為屋頂每年的租金，元；n為光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行年份，年；i為折現(xiàn)率，%；Qn為第n年光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，kWh。

2 平單軸支架東西向間距按全年09:00～15:00無陰影遮擋排布的經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性影響因素

一般而言，對于平單軸支架的排布主要是確定其東西向間距，即按照支架無逆跟蹤技術(shù)、全年09:00～15:00 無陰影遮擋時(shí)的間距計(jì)算。其計(jì)算式[4]為：

式中，L1為平單軸支架的東西向間距，m；R為組件長邊長度，m；θ為平單軸支架的最大跟蹤角度，(?)；β為太陽高度角，(?)；φ為太陽方位角，(?)。

屋頂分布式光伏項(xiàng)目采用平單軸支架可實(shí)現(xiàn)光伏陣列實(shí)時(shí)跟蹤太陽運(yùn)動，使太陽光最大程度直射光伏陣列，從而增加光伏陣列接收到的太陽輻射量，以提高光伏系統(tǒng)的每瓦發(fā)電量。

由于平單軸支架的價(jià)格與運(yùn)維成本比固定支架高，而且當(dāng)采用平單軸支架按無逆跟蹤技術(shù)[5]且全年09:00～15:00 無陰影遮擋的間距進(jìn)行排布時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量比采用固定支架時(shí)的少，再加上屋頂分布式光伏項(xiàng)目的屋頂大多采用租賃模式，均攤到每瓦的租金成本就會增加，因此，雖然采用平單軸支架的屋頂分布式光伏項(xiàng)目的每瓦發(fā)電量會增加，但其度電成本可能會比采用固定支架的高。這是因?yàn)橄到y(tǒng)成本增加的幅度比發(fā)電量增加的幅度大，而系統(tǒng)成本的增加量與裝機(jī)容量的減少量有關(guān)，裝機(jī)容量又與項(xiàng)目所在地的經(jīng)緯度有關(guān)，系統(tǒng)的發(fā)電量則與項(xiàng)目所在地的太陽輻射量及組件排布容量有關(guān)。

為詳細(xì)分析這一情況，本文選取了緯度及光照資源條件均不同的11 個(gè)地區(qū)，對在這些地區(qū)采用固定支架和平單軸支架的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的度電成本進(jìn)行了對比分析。

2.2 度電成本的實(shí)例計(jì)算

選取的11 個(gè)地區(qū)分別為吉林長春、天津、寧夏石嘴山、山東濰坊、河南鄭州、青海玉樹、上海、江西南昌、云南昆明、廣東汕頭、廣東廣州，均選擇面積為5760 m2的混凝土屋面(長96 m、寬60 m)。假設(shè)屋面的荷載滿足設(shè)置固定支架和平單軸支架的要求。

每個(gè)地區(qū)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)都按固定支架和平單軸支架2 種方式進(jìn)行排布。固定支架南北向間距按全年09:00～15:00 無陰影遮擋取值，平單軸支架東西向間距按無逆跟蹤技術(shù)且全年09:00～15:00 無陰影遮擋來取值。分別得出不同地區(qū)采用2 種排布方式時(shí)的裝機(jī)容量，然后通過PVsyst 仿真軟件對每個(gè)地區(qū)2 種排布方式下的系統(tǒng)發(fā)電量進(jìn)行測算[6]。

根據(jù)式(1)分別計(jì)算2 種排布方式時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的度電成本。目前，市場上采用平單軸支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的每瓦投資成本比采用固定支架的高0.3 元左右，采用平單軸支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)每年每瓦的運(yùn)維成本比采用固定支架的高50%。因此，2 種排布方式下的式(1)中參數(shù)的取值如表1所示。

表1 LCOE 模型中的參數(shù)取值

為了簡化計(jì)算，式(1)中的Qn取年均發(fā)電量的值，則上述11 個(gè)地區(qū)分別采用2 種支架排布方式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)的度電成本如表2所示。

由表2可以看出，這11 個(gè)地區(qū)即使緯度與光照資源條件均不同，但平單軸支架的東西向間距按照無逆跟蹤技術(shù)且全年09:00～15:00 無陰影遮擋取值時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的度電成本普遍比采用固定支架時(shí)的高，只有玉樹和昆明兩地例外。這說明，按照此種間距排布，平單軸支架并不適合屋頂分布式光伏項(xiàng)目。

表2 LCOE 計(jì)算對比表

3 平單軸支架東西向間距按經(jīng)濟(jì)值排布的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 平單軸支架東西向間距經(jīng)濟(jì)值選取分析

由于屋頂分布式光伏項(xiàng)目中的屋頂大多為租賃模式且租金較高，因此屋頂分布式光伏項(xiàng)目若采用平單軸支架，其裝機(jī)容量會減少，相應(yīng)地每瓦租金成本會大幅增加，導(dǎo)致采用此種支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的度電成本會比采用固定支架時(shí)的高。

考慮到現(xiàn)在平單軸支架均具有逆跟蹤技術(shù)，若將平單軸支架的東西向間距適當(dāng)減小，雖然此時(shí)，每瓦發(fā)電量會比東西向間距按無逆跟蹤技術(shù)且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時(shí)的發(fā)電量小，但系統(tǒng)的裝機(jī)容量會增加。針對是否存在東西向間距的選取使度電成本最小的問題，本文選取了天津、濰坊、上海、廣州4 個(gè)地區(qū)，采用平單軸支架，其東西向間距排布取值從無逆跟蹤技術(shù)且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時(shí)的間距取值開始，逐次減少0.1 m，分別計(jì)算出不同間距取值時(shí)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量和年均發(fā)電量；然后利用式(1)計(jì)算出各自的度電成本，并繪制出各地區(qū)平單軸支架東西向間距逐漸減少時(shí)度電成本的變化曲線，如圖1～圖4所示。

圖1 天津地區(qū)的度電成本與支架東西向間距的關(guān)系

圖2 濰坊地區(qū)的度電成本與支架東西向間距的關(guān)系

圖3 上海地區(qū)的度電成本與支架東西向間距的關(guān)系

圖4 廣州地區(qū)的度電成本與支架東西向間距的關(guān)系

由圖1～圖4可以看出，屋頂分布式光伏項(xiàng)目采用平單軸支架時(shí)，光伏方陣東西向間距存在一個(gè)使度電成本最小的值，此值即為平單軸支架應(yīng)用于屋頂分布式光伏項(xiàng)目時(shí)的最佳間距，用Lc表示，其對應(yīng)的最小度電成本用LCOEmin表示。

3.2 LCOEmin的計(jì)算分析

表3對11 個(gè)地區(qū)的屋頂分布式光伏項(xiàng)目采用平單軸支架按Lc排布時(shí)的LCOEmin與采用固定支架按同樣間距排布時(shí)的LCOE進(jìn)行了比較。

由表3可以看出，在這11 個(gè)地區(qū)中，采用平單軸支架時(shí)，大部分高緯度(34°以上)、中緯度(25°～34°)地區(qū)的Lc為3 m，大部分低緯度(25°以下)地區(qū)的Lc值為2.5 m。在高緯度地區(qū)，LCOEmin＜LCOE；而在中、低緯度地區(qū)，LCOEmin普遍大于LCOE。由此說明，大部分高緯度地區(qū)的屋頂分布式光伏項(xiàng)目適合采用平單軸支架，而大部分中、低緯度地區(qū)不適合。

在實(shí)際應(yīng)用中，平單軸支架的東西向間距會比Lc小，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量增大，則光伏發(fā)電系統(tǒng)的每瓦初始投資成本會相應(yīng)減小，而且光伏匯集站中二次站、接入柜等設(shè)備也會均攤成本，成本會有所降低，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的LCOEmin實(shí)際值會更小。

表3 LCOEmin 計(jì)算對比表

4 結(jié)論

本文對平單軸支架應(yīng)用于屋頂分布式光伏項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了分析，選取了不同緯度的11 個(gè)地區(qū)的屋頂分布式光伏項(xiàng)目，根據(jù)度電成本模型對采用固定支架和平單軸支架2 種排布方式時(shí)系統(tǒng)的LCOE進(jìn)行了對比分析，得出了 以下結(jié)論：

1)當(dāng)平單軸支架的東西向間距采取無逆跟蹤技術(shù)且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時(shí)的間距，11 個(gè)地區(qū)中，除了玉樹和昆明兩地以外，其他大部分地區(qū)采用平單軸支架光伏發(fā)電系統(tǒng)的LCOE比采用固定支架的都高。因此，從經(jīng)濟(jì)性角度來說，在這種間距排布方案下，平單軸支架不適合應(yīng)用于屋頂分布式光伏項(xiàng)目。

2)當(dāng)平單軸支架的東西向間距取值從無逆跟蹤技術(shù)且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時(shí)的值逐漸減少時(shí)，存在一個(gè)最佳間距值，該值對應(yīng)最低度電成本LCOEmin。在大部分高緯度(34°以上)地區(qū)，此LCOEmin值比采用固定支架的LCOE低；而在大部分中緯度(25°～34°)、低緯度(25°以下)地區(qū)，此LCOEmin值比采用固定支架的LCOE高。這說明，從經(jīng)濟(jì)性角度看，在大部分高緯度地區(qū)，屋頂分布式光伏項(xiàng)目應(yīng)用平單軸支架可降低度電成本，提高經(jīng)濟(jì)收益；而在大部分中、低緯度地區(qū)，平單軸支架不適合應(yīng)用于屋頂分布式光伏項(xiàng)目。

3)大部分高、中緯度地區(qū)的平單軸支架的東西向最佳間距值Lc為3 m，而大部分低緯度地區(qū)的Lc為 2.5 m。