基于最低度電成本的光伏安裝傾角與間距的優(yōu)化

朱軍峰

摘要：在光伏電站建設(shè)中，光伏電站在安裝場(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(wèn)題，本文通過(guò)研究光伏電站度電成本的基本概念，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)外某大型光伏電站投標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)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，找到最低度電成本時(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

引言

近年來(lái)，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(lái)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204.3GW，全年光伏發(fā)電量2242.6億千瓦時(shí)，占我國(guó)全年總發(fā)電量的3.1%[1]。

度電成本LCOE（Levelized cost of energy/ Levelized cost of electricity）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]。

相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]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(shuō)明問(wèn)題，本文以國(guó)外某大型光伏電站投標(biāo)為基礎(chǔ)，使用瑞士的PVsyst光伏軟件實(shí)驗(yàn)室研發(fā)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

光伏電站的度電成本LCOE是設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的 LCOE 評(píng)估模型[2]：

式中，T—建設(shè)期的年限;CPVi—光伏區(qū)建設(shè)投資;CCIi—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;COMi—生產(chǎn)期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本;p—折現(xiàn)率;Ei—系統(tǒng)第i年的發(fā)電量。

針對(duì)一個(gè)確定的光伏工程，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，通過(guò)前期外部環(huán)境考察及相關(guān)部門(mén)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)維費(fèi)用的計(jì)算，但這個(gè)變化量較小，為了便于研究分析，在一定程度上可以認(rèn)為光伏電站后期運(yùn)維費(fèi)用是一個(gè)固定值。

2 安裝傾角與安裝間距初值

安裝傾角計(jì)算

光伏組件的安裝傾角對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大，為了使得光伏組件面上所接收的年總輻射量達(dá)到最大值，應(yīng)使得光伏組件表面朝向太陽(yáng)有一定的傾斜角度，該傾角的確定方法有很多種，一般根據(jù)項(xiàng)目所在地緯度，參考GB50797《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B中我國(guó)各個(gè)緯度上城市的并網(wǎng)發(fā)電光伏電站的最佳傾角參考值;也可以通過(guò)PVsyst軟件的仿真年發(fā)電量最大時(shí)光伏組件斜面上獲得輻射值最大時(shí)的傾角，綜合兩者考慮確定。

安裝間距計(jì)算

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。

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情況下，隨著安裝傾角的增加，光伏組件斜面上接收到的輻射量就會(huì)增加，發(fā)電量也就會(huì)增加;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。

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，相互遮擋越小，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仿真軟件分別對(duì)安裝間距和安裝傾角為單變量變化時(shí)的變化圖，比較在不同安裝間距和不同安裝傾角下的發(fā)電量。隨著安裝傾角的增加，輸出總發(fā)電量增加，但到了一定程度后，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;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(wèn)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(xiàn)圖。從圖中可以很容易找到最低度電成本時(shí)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(guò)本文分析，在光伏電站方案設(shè)計(jì)階段，最優(yōu)度電成本基礎(chǔ)上確定的安裝傾角和安裝間距，可以使光伏電站的投資效益最大化。本文提出的優(yōu)化方法對(duì)不同地點(diǎn)、不同規(guī)模和不同投資策略的項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供很好借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]王勃華.中國(guó)光伏行業(yè)2019年回顧與2020年展望.2020.2.

[2]吳江，李晟.基于度電成本指標(biāo)的光伏電站裝機(jī)規(guī)模優(yōu)化設(shè)計(jì).冶金動(dòng)力.2019.7（7），16-18.

[3]楊光勇，陳貺等.不同安裝傾角的光伏系統(tǒng)發(fā)電量分析.有色冶金節(jié)能.2014.10（5），50-54.

[4]劉國(guó)忠，范忠瑤等.不同安裝傾角對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào).2015.12（36），2973-2978.