尋找光伏系統(tǒng)安裝最低LCOE的傾角與間距

【摘? 要】在光伏電站建設(shè)中，一旦光伏電站在建設(shè)場(chǎng)地確定之后，往往確定光伏組件的最佳安裝傾角與安裝間距成了困擾光伏電站設(shè)計(jì)的最大問題，本文通過研究光伏電站度電成本（LCOE）的基本概念，分析了光伏組件安裝傾角與安裝間距對(duì)度電成本的影響，以便找到最佳的安裝傾角與安裝間距。本文以國(guó)內(nèi)某大型地面光伏電站項(xiàng)目為基礎(chǔ)，通過PVsyst仿真軟件進(jìn)行模擬不同的安裝傾角與安裝間距的方案，比較各個(gè)方案下的度電成本（LCOE），找到最低度電成本（LCOE）時(shí)的安裝傾角與安裝間距。

【關(guān)鍵詞】安裝傾角;安裝間距;PVsyst;度電成本（LCOE）。

引言

近年來，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，裝機(jī)容量自2015年起已穩(wěn)居世界第一，在我國(guó)能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著越來越重要的作用。截至2019年底，累計(jì)光伏并網(wǎng)裝機(jī)量達(dá)到253GW，全年光伏發(fā)電量2242.6億千瓦時(shí)，較2018年增了468億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)26.4%，占我國(guó)全年總發(fā)電量的3.1%[1]。

在光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，為了發(fā)揮出光伏發(fā)電建設(shè)的最大效益，低度電成本就成了各光伏電站建設(shè)所追求的指標(biāo)。平準(zhǔn)化度電成本LCOE（Levelized cost of energy/ Levelized cost of electricity）是對(duì)項(xiàng)目生命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量進(jìn)行平準(zhǔn)化后計(jì)算得到的發(fā)電成本，即生命周期內(nèi)的成本現(xiàn)值除以生命周期內(nèi)發(fā)電量現(xiàn)值，是國(guó)際上通用的評(píng)價(jià)電力能源生產(chǎn)成本的指標(biāo)，也是國(guó)際能源工程尤其是新能源工程進(jìn)行特許經(jīng)營(yíng)權(quán)、EPC工程招投標(biāo)的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]，也是不同規(guī)模的、不同類型的光伏電站效益指標(biāo)的體現(xiàn)，并可用來與其他電源發(fā)電成本對(duì)比。

增加光伏電站的發(fā)電量，追求低度電成本，光伏電站建設(shè)的初期，確定光伏組件的安裝傾角和安裝間距顯得尤為重要。相關(guān)文獻(xiàn)[3-6]對(duì)光伏組件的安裝傾角和安裝間距也都進(jìn)行了研究，但缺乏對(duì)安裝傾角與安裝間距的相互影響和綜合考慮，為了進(jìn)一步說明問題，本文以國(guó)內(nèi)某大型光伏電站為基礎(chǔ)，使用由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院開發(fā)的并在國(guó)內(nèi)外光伏行業(yè)普遍認(rèn)可并經(jīng)檢驗(yàn)的PVsyst仿真軟件進(jìn)行建模，對(duì)不同安裝間距與不同安裝傾角下光伏電站度電成本進(jìn)行比較分析，找到最低度電成本（LCOE）時(shí)的安裝間距與安裝傾角。

1光伏電站度電成本LCOE評(píng)估模型

光伏發(fā)電（大型地面光伏電站）的成本可以分為初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、其他成本三大類。初始投資成本是決定項(xiàng)目總成本的最重要因素，一般包括光伏組件成本、建安工程成本、一次土地成本、電網(wǎng)接入成本等;光伏發(fā)電的運(yùn)維成本主要包括組件清洗、組件支架及基礎(chǔ)維護(hù)、設(shè)備計(jì)劃性檢修、設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)等內(nèi)容;其他成本主要包括財(cái)務(wù)成本和稅費(fèi)成本。

在全投資模型下，LCOE 與初始投資、運(yùn)維費(fèi)用、發(fā)電小時(shí)數(shù)等都有關(guān)，并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的 LCOE 評(píng)估模型[2]：

式中，為建設(shè)期的年限;為光伏區(qū)建設(shè)投資;為輔助工程的建設(shè)投資，包括光伏電站的交通、輸變電工程、生活管理設(shè)施等建設(shè)投資;為生產(chǎn)期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本;p為折現(xiàn)率;為系統(tǒng)第i年的發(fā)電量。

當(dāng)需要建設(shè)一個(gè)光伏電站工程時(shí)，經(jīng)過前期的技術(shù)論證，其項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地、建設(shè)期年限、折現(xiàn)率均可視為定值;再通過前期外部環(huán)境考察及相關(guān)部門協(xié)調(diào)，基本外部輔助工程的建設(shè)投資及輔助工程的維護(hù)費(fèi)用也都基本確定;目前國(guó)內(nèi)光伏電站的運(yùn)維費(fèi)用一般以電站裝機(jī)容量計(jì)算，在本文對(duì)光伏電站安裝傾角與安裝間距變化分析時(shí)會(huì)引起裝機(jī)規(guī)模的微小變化，就會(huì)影響后期光伏電站的運(yùn)維總費(fèi)用的計(jì)算，但這個(gè)變化量較小，為了便于分析研究，在一定程度上可以認(rèn)為光伏電站后期運(yùn)維總費(fèi)用是一個(gè)不變的值。

2 安裝傾角與安裝間距初值

2.1光伏電站基本條件

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市一地面光伏電站為例進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源豐富，多年平均總輻射為1655.2kWh/m2，當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源情況如表1。

項(xiàng)目所在地實(shí)測(cè)年的總輻射日變化見圖1，可以看出，總輻射呈現(xiàn)出明顯的日變化趨勢(shì)，從7：00（北京時(shí)間）開始出現(xiàn)一定強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射，在中午13：00的時(shí)候太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值，而后開始逐漸的減弱。一天中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的時(shí)段主要集中在中午前后的10：00～16：00。

2.2組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算

眾所周知，光伏組件的溫度系數(shù)為負(fù)值，越低的溫度光伏組件的開路電壓就會(huì)越高，當(dāng)組件串聯(lián)成串時(shí)，就會(huì)得到與光伏逆變器匹配的電壓值。光伏組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算，按照 GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中組串計(jì)算公式計(jì)算.

而該規(guī)范計(jì)算的光伏組件串聯(lián)組件數(shù)量時(shí)并未提及光伏組件工作條件下的極限溫度（極限高溫、極限低溫）的校正方法，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的極限溫度多采用當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境極端低溫，其實(shí)并未考慮到光伏組件的工作機(jī)理，而根據(jù)光伏組件工作時(shí)的IV曲線特性[7，8]，光伏組件會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，實(shí)際的溫度會(huì)較當(dāng)?shù)氐臉O限低溫要高，此時(shí)的光伏組件的開路電壓往往達(dá)不到計(jì)算的值;同時(shí)當(dāng)?shù)氐臉O低氣溫一般出現(xiàn)在夜晚，此時(shí)的光伏系統(tǒng)是未投入工作，而光伏系統(tǒng)開啟工作時(shí)的環(huán)境氣溫也較極低氣溫會(huì)有所增加，同樣光伏組件的開路電壓也為達(dá)到上式所用的到值。

光伏組件的開路電壓為，為零電流時(shí)的電壓，眾多文獻(xiàn)針對(duì)其進(jìn)行分析研究，其值主要是受光照和溫度的影響，隨著光照呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，光伏組件的開路電壓的輻照影響用下公式計(jì)算[9]：

根據(jù)上面式[3]和式[4]可以得出溫度和輻照值對(duì)光伏組件的開路電壓的影響，并可以列出在不同輻照值下，同時(shí)再考慮到溫度的變化，從而可以計(jì)算出在光伏電站所在地點(diǎn)的光伏組件的最高開路電壓，并根據(jù)逆變器允許的最大輸入電壓，從而計(jì)算出光伏組件的最大串聯(lián)數(shù)。

2.3安裝傾角計(jì)算

光伏組件的安裝傾斜角是太陽(yáng)電池方陣平面與水平地面的夾角，光伏的傾斜角應(yīng)該是方陣一年中發(fā)電量為最大時(shí)的最佳傾斜角度。最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大，反之則小。

當(dāng)光伏方陣面向正南方向時(shí)（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）逐漸向最佳的傾斜角抬起時(shí)，其日射量不斷增加直到最大，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少;當(dāng)方位角不等于0°度時(shí)，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。

該傾角的確定方法有很多種，最理想的組件傾角應(yīng)該使太陽(yáng)能電池年發(fā)電量盡可能的大，一是如果可以按照設(shè)計(jì)進(jìn)行安裝，盡最大可能的保證發(fā)電站的傾角符合當(dāng)?shù)刈畲蟀l(fā)電量的要求，一般取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鰹楫?dāng)?shù)靥?yáng)能電池組件安裝的傾斜角，當(dāng)然如果能夠精確計(jì)算或采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)，可以得出最佳的數(shù)值。如果沒有條件對(duì)傾斜角進(jìn)行計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽(yáng)能電池的傾斜角。二是計(jì)算最佳傾角需要當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度來確定太陽(yáng)各時(shí)刻的高度角和方位角，需要年輻射數(shù)據(jù)，最好是多年平均的年輻射數(shù)據(jù)來確定當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射的特性，根據(jù)輻射數(shù)據(jù)及經(jīng)緯度計(jì)算并累加得到不同傾角光伏方陣的年總輻射接收量，從中選擇年總輻射量最大的傾角作為最佳傾角。一般可采用PVsyst等軟件方便快捷的進(jìn)行最佳傾角計(jì)算。

本文參考GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B和通過PVsyst軟件的仿真年發(fā)電量最大（圖2）時(shí)光伏組件斜面上獲得輻射值最大時(shí)的傾角，綜合考慮確定。

2.4安裝間距計(jì)算

計(jì)算光伏陣列間距的主要參數(shù)有緯度、時(shí)角、赤緯角、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角、光伏陣列方位角、光伏陣列傾斜角、光伏組件長(zhǎng)度。采用固定式安裝方式的光伏陣列，會(huì)有方位角和傾斜角的概念。我國(guó)光伏發(fā)電設(shè)備一般為正南朝向安裝，受場(chǎng)所限制時(shí)，方位角會(huì)有所調(diào)整但幅度一般不會(huì)太大。

在計(jì)算光伏組件的安裝間距時(shí)，一般的計(jì)算原則是依據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于光伏方陣布置要求，即一年中冬至日太陽(yáng)高度角最低，方陣間距D應(yīng)大于冬至日真太陽(yáng)時(shí)9：00～15：00時(shí)的陰影的最大長(zhǎng)度，保證在該時(shí)段不發(fā)生陰影遮擋，則光伏陣列一年之中太陽(yáng)能輻射較佳利用范圍內(nèi)就不會(huì)發(fā)生陰影遮擋，如圖3所示。

3 安裝傾角與安裝間距優(yōu)化

當(dāng)光伏組件在安裝間距確定的前體下，隨著安裝傾角的增加，光伏組件表面斜面上接收到的太陽(yáng)能的輻射量就會(huì)增加，所產(chǎn)生的發(fā)電量也就會(huì)增多;但同時(shí)隨著安裝傾角的增加，光伏組件背面陰影就會(huì)越長(zhǎng)，導(dǎo)致后排組件遮擋就會(huì)越嚴(yán)重，發(fā)電量就會(huì)因遮擋而下降。

而當(dāng)光伏組件在安裝傾角確定的情況下，隨著安裝間距的增加，組件間相互遮擋也就越小，則組件接收的直接輻射量越多，散射輻射量也會(huì)增加，發(fā)電量也就會(huì)增多;但同時(shí)隨著安裝間距的增加，光伏電站占地面積就會(huì)增加;在項(xiàng)目占地面積一定的情況下，減小安裝間距，可以增加安裝容量，雖然增加了部分成本，但是在一定間距范圍內(nèi)獲得的發(fā)電量的增加，使得整個(gè)光伏電站的度電成本會(huì)降低，但當(dāng)減少安裝間距又會(huì)造成前后排組件遮擋，要獲得更高的發(fā)電量可以減小安裝傾角。

利用PVsyst仿真軟件對(duì)安裝間距和安裝傾角分別作為單變量變化時(shí)的變化圖，比較分別在不同安裝間距和不同安裝傾角下的發(fā)電量，見圖4和圖5。由圖可以看出，隨著安裝傾角的增加，輸出總發(fā)電量增加，但增大到一定程度后，再增加安裝傾角，會(huì)引起后排組件的遮擋，從而造成發(fā)電量的減少;由圖中還可以得出，光伏組件的實(shí)際最佳安裝傾角較前章節(jié)計(jì)算得出的值小，那是因?yàn)榍罢鹿?jié)計(jì)算得到的最佳傾角為單排布置時(shí)，并未考慮前后排遮擋情況下對(duì)總發(fā)電量的影響。由圖5可以看出，在固定安裝傾角時(shí)，輸出總發(fā)電量隨著安裝間距的增加而增加。

當(dāng)安裝傾角與安裝間距兩個(gè)變量同時(shí)變動(dòng)時(shí)，光伏電站的發(fā)電量輸出及項(xiàng)目的度電成本變化就會(huì)變得非常復(fù)雜，因此對(duì)其研究也就會(huì)變得非常困難，針對(duì)這個(gè)問題，本文針對(duì)不同傾角和不同安裝間距做了大量方案，并利用PVsyst仿真軟件逐一建模，對(duì)這些方案逐一進(jìn)行整個(gè)生命周期內(nèi)的發(fā)電量模擬與整個(gè)項(xiàng)目度電成本計(jì)算，并進(jìn)行比較分析，繪制度電成本曲線圖（圖6）。從圖中可以看出，不同的安裝傾角和安裝間距下都能找到最低度電成本時(shí)候的安裝間距和安裝傾角，但較多的曲線中也能找到度電成本最低時(shí)所采用的方案，從而也就可以很好地確定光伏電站組件的最佳安裝傾角和最佳安裝間距。

4 結(jié)論

通過本文分析，在建設(shè)一個(gè)光伏電站時(shí)，建設(shè)方案初級(jí)階段設(shè)計(jì)的安裝間距和安裝傾角，并不是最優(yōu)的，不能使度電成本達(dá)到最低值，電站的效益達(dá)到最大，依照本文所給出的分析方法，可以尋找到最優(yōu)度電成本（LCOE）時(shí)的安裝傾角和安裝間距，實(shí)現(xiàn)投資成本與產(chǎn)出的最優(yōu)組合，使光伏電站的投資效益最大化。

本文提出的光伏組件的安裝傾角和安裝間距的優(yōu)化方法可以推廣，對(duì)于不同地點(diǎn)、不同規(guī)模和不同投資策略的光伏電站項(xiàng)目設(shè)計(jì)均可提供很好借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：

朱軍峰（1984-），男，高級(jí)工程師，中冶華天工程技術(shù)有限公司，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)、新能源、高壓供配電等方向的研究、工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目技術(shù)管理工作。