四川省某光伏發(fā)電項(xiàng)目的光伏支架選型設(shè)計(jì)

吳 迪，田 密，廖心言

(1. 中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 611130；2. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610100)

0 引言

光伏支架成本是光伏發(fā)電項(xiàng)目成本的重要組成部分，而光伏支架類型的選擇對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)有重要影響。按運(yùn)行方式不同，光伏支架可主要分為固定式和自動(dòng)跟蹤式2類。固定式光伏支架包含固定傾角式和固定可調(diào)式2種；自動(dòng)跟蹤式光伏支架主要包含平單軸、斜單軸和雙軸3種，當(dāng)前市場上的自動(dòng)跟蹤式光伏支架主要以平單軸光伏支架為主，通常，緯度低于30°的地區(qū)主要使用平單軸光伏支架，而緯度高于30°的地區(qū)可使用帶一定傾角的平單軸光伏支架，即帶傾角的平單軸光伏支架。固定傾角式、固定可調(diào)式、平單軸和帶傾角的平單軸這4種光伏支架形式是目前大型地面光伏電站應(yīng)用最為廣泛且最為成熟可靠的光伏支架方案。

本文針對(duì)2021年建設(shè)的四川省某光伏發(fā)電項(xiàng)目的特點(diǎn)，通過LCOE，對(duì)該項(xiàng)目分別采用固定傾角式、固定可調(diào)式、平單軸和帶傾角的平單軸這4種光伏支架進(jìn)行定量分析，以便得到最適宜本項(xiàng)目的光伏支架形式。

1 本光伏發(fā)電項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)的頂貢大草原上，場址為高山臺(tái)地，丘陵地形，坡度較緩，四周無遮擋，且場址周邊已建成多個(gè)光伏電站。場址的總占地面積約為 3.6 km2，分為南、北2個(gè)地塊。南、北地塊的占地面積均約為1.8 km2；項(xiàng)目的交流側(cè)總裝機(jī)容量為200 MWp。

鄉(xiāng)城縣的年太陽輻照量在6000～6400 MJ/m2，年平均日照時(shí)數(shù)為2195.8 h，日照百分率為46%；年平均氣溫為11 ℃；年平均無霜日為262天。將國外主流的氣象數(shù)據(jù)庫NASA、Meteonorm、Solargis得到的該項(xiàng)目所在地的多年平均月太陽輻照量和實(shí)測得到的月太陽輻照量進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

圖1 不同方式得到的月太陽輻照量數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 1 Comparison of monthly solar irradiation data obtained by different methods

從圖1可以看出：3種氣象數(shù)據(jù)庫提供的月太陽輻照量數(shù)據(jù)與實(shí)測的月太陽輻照量變化趨勢(shì)基本一致，其中，實(shí)測數(shù)據(jù)最高，NASA提供的數(shù)據(jù)次之，Solargis提供的數(shù)據(jù)最低。項(xiàng)目所在地的春、夏季太陽輻射強(qiáng)，秋、冬季太陽輻射弱。由于NASA提供的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)最為接近，因此本文選用NASA提供的數(shù)據(jù)作為本項(xiàng)目太陽能資源分析時(shí)的數(shù)據(jù)。參照GB/T 31155—2014《太陽能資源等級(jí) 總輻射》中的等級(jí)劃分，項(xiàng)目所在地屬于中國太陽能資源A類地區(qū)(太陽能資源最豐富區(qū))，太陽能開發(fā)價(jià)值較好。

2 4種光伏支架方案

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定，本項(xiàng)目光伏支架的設(shè)計(jì)使用年限設(shè)定為25年，安全等級(jí)為三級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不小于0.95；光伏支架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為丁類。

2.1 固定傾角式光伏支架方案

固定傾角式光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)采用的基本雪壓為0.50 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2。光伏支架立柱與基礎(chǔ)為剛接，立柱與橫梁、支撐梁之間為鉸接。根據(jù)NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]，在各種荷載作用下，鋼制光伏支架的主體和構(gòu)件的變形需符合以下規(guī)定：

1)當(dāng)風(fēng)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值或在地震作用下時(shí)，光伏支架的柱頂位移不應(yīng)大于柱高的1/60。

2)受彎構(gòu)件的撓度容許值不應(yīng)超過表1中的規(guī)定值。

表1 光伏支架的受彎構(gòu)件的撓度容許值Table 1 Allowable values of deflection of flexural members of PV brackets

3)受壓和受拉構(gòu)件的容許長細(xì)比應(yīng)符合表2中的規(guī)定值。

表2 受壓和受拉構(gòu)件的容許長細(xì)比Table 2 Allowable slenderness ratios for compression and tension members

根據(jù)GB 50797—2012的要求，固定傾角式光伏支架的傾角宜使光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量最大。在光伏陣列方位角為0°的情況下，利用PVsyst軟件對(duì)固定傾角式光伏支架傾角α在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值β進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 采用固定傾角式光伏支架時(shí)，不同傾角下光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值對(duì)比Fig. 2 Comparison of ratio of annual solar irradiation received by inclined surface of PV array to horizontal surface under different inclination angles when fixed inclination angle PV bracket is used

從圖2可以看出：當(dāng)光伏支架傾角為33°時(shí)，光伏支架傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值最大，為1.17，說明該傾角下光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量最多。

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)：固定傾角式光伏支架的前后排最佳間距為8 m。在此前后排間距下，通過對(duì)固定傾角式光伏支架的傾角進(jìn)行二次優(yōu)化，可將其傾角降至30°，以減少前后排光伏陣列造成的陰影損失。

當(dāng)固定傾角式光伏支架上安裝雙面光伏組件時(shí)，可采用豎向小檁條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少光伏支架橫梁對(duì)光伏組件背面的遮擋，此時(shí)橫梁可從4根減少至3根。采用小檁條設(shè)計(jì)且安裝了雙面光伏組件的固定傾角式光伏支架平面圖如圖3所示。

圖3 采用小檁條設(shè)計(jì)且安裝了雙面光伏組件的固定傾角式光伏支架平面圖(單位：mm)Fig. 3 Plan view of fixed inclination angle PV bracket with small purlin design and bifacial PV modules installed (unit：mm)

當(dāng)固定傾角式光伏支架上的雙面光伏組件以“2×14”的方式豎向排布、每榀光伏支架采用8根獨(dú)立鋼樁、光伏組件最低點(diǎn)離地高度為1.8 m時(shí)，單榀光伏支架的重量為542 kg，比安裝了其他類型光伏組件的固定傾角式光伏支架的重量提高了約8%。

2.2 固定可調(diào)式光伏支架方案

為了提高光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量，固定可調(diào)式光伏支架可在夏季期間采用較低的傾角，在冬季期間采用較大的傾角，以減少太陽入射角損失。需要說明的是：本文將全年時(shí)間劃分為夏季和冬季討論，其中，夏季為4～9月，冬季為10月～次年3月。經(jīng)實(shí)證，在高緯度地區(qū)，光伏陣列采用固定可調(diào)式光伏支架比采用固定傾角式光伏支架可提高約4%～6%的發(fā)電量。

在光伏陣列方位角為0°且為冬季的情況下，利用PVsyst軟件對(duì)固定可調(diào)式光伏支架傾角在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：在冬季，本項(xiàng)目中的光伏支架傾角為50°時(shí)，光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值最大，為1.23，說明在該傾角下，光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量最大。隨著光伏支架傾角的增加，光伏支架承受的風(fēng)荷載也會(huì)大幅增加，從而導(dǎo)致光伏支架的用鋼量大幅增加。通過對(duì)光伏支架傾角進(jìn)行優(yōu)化與計(jì)算，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮光伏支架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性及太陽輻照量情況，將冬季時(shí)光伏支架傾角降為45°，此時(shí)光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量僅降低0.3%，且節(jié)約了光伏支架用鋼量。因此，冬季時(shí)建議固定可調(diào)式光伏支架傾角采用45°。

圖4 在冬季采用固定可調(diào)式光伏支架時(shí)，不同傾角下光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值對(duì)比Fig. 4 Comparison of ratio of annual solar irradiation received by inclined surface of PV array to horizontal surface under different inclination angles when using fixed and adjustable PV brackets in winter

固定可調(diào)式光伏支架的設(shè)計(jì)邊界條件與固定傾角式光伏支架的類似，也采用“2×14”的方式豎向排布。當(dāng)冬季按照固定可調(diào)式光伏支架傾角為45°設(shè)計(jì)時(shí)，前后排光伏支架的最佳間距從固定傾角式光伏支架時(shí)的8 m增加到了9 m。因此，相較于固定傾角式光伏支架的總占地面積，固定可調(diào)式光伏支架的總占地面積增加約5%。

在光伏陣列方位角為0°且為夏季的情況下，利用PVsyst軟件對(duì)固定可調(diào)式光伏支架傾角在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：在夏季，固定可調(diào)式光伏支架傾角為15°時(shí)，光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值最大，為1.19，說明在該傾角下，光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量最大。

綜上可知：在夏季時(shí)，固定可調(diào)式光伏支架的傾角建議采用15°；冬季時(shí)，固定可調(diào)式光伏支架的傾角建議采用45°。

圖5 在夏季采用固定可調(diào)式光伏支架時(shí)，不同傾角下光伏陣列傾斜面與水平面接收的年太陽輻照量比值對(duì)比Fig. 5 Comparison of ratio of annual solar irradiation received by inclined surface of PV array to horizontal surface under different inclination angles when using fixed and adjustable PV brackets in summer

2.3 平單軸光伏支架方案

平單軸光伏支架是通過圍繞位于光伏陣列面上的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)來跟蹤太陽，相較于固定式光伏支架，采用平單軸光伏支架時(shí)，光伏陣列可提高10%～15%的發(fā)電量。但隨著緯度的增大，光伏組件與太陽形成的夾角減小，采用平單軸光伏支架的光伏陣列的發(fā)電量逐步降低。因此，平單軸光伏支架適宜使用在緯度小于30°的地區(qū)。

目前平單軸光伏支架有2種運(yùn)行方案：一種是單塊光伏組件豎排的1P方案，另一種是2塊光伏組件豎排的2P方案。對(duì)平單軸光伏支架2種運(yùn)行方案的立柱工程量與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，分別如表3、表4所示。

表3 平單軸光伏支架2種運(yùn)行方案的立柱工程量對(duì)比Table 3 Column quantities comparison of two operation schemes of flat single axis PV brackets

表4 平單軸光伏支架2種運(yùn)行方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 4 Economic comparison of two operation schemes of flat single axis PV brackets

結(jié)合表3、表4可以看出：由于光伏支架上光伏組件的最低點(diǎn)離地高度不應(yīng)低于1.8 m，因此光伏支架立柱較長。相較于1P方案，2P方案中，“立柱+基礎(chǔ)+施工”的總成本可降低0.044元/Wp，而該方案中光伏支架上部系統(tǒng)(含電機(jī))成本僅貴0.030元/Wp，因此綜合這兩項(xiàng)來看，相比1P方案，2P方案總成本可降低0.014元/Wp。由此可知：平單軸光伏支架采用2P方案時(shí)更具經(jīng)濟(jì)性。

平單軸光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)采用的基本雪壓為0.50 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2。跟蹤式光伏支架具備大風(fēng)保護(hù)和大雪保護(hù)模式，其在各種荷載作用下應(yīng)滿足GB 50797—2012對(duì)鋼支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。平單軸光伏支架在設(shè)計(jì)時(shí)的主要控制參數(shù)包括：

1)在風(fēng)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)或在地震作用下，光伏支架的柱頂位移不應(yīng)大于柱高的1/60；

2)受壓構(gòu)件容許長細(xì)比小于等于180；

3)受拉構(gòu)件容許長細(xì)比小于等于200；

4)橫梁(轉(zhuǎn)動(dòng)軸)的撓度小于等于L/250。

光伏支架立柱與基礎(chǔ)之間為剛接，立柱與橫梁之間為鉸接。立柱鉛錘于地表水平面，傾斜度不大于0.5°。采用2P方案時(shí)平單軸光伏支架的剖面示意圖如圖6所示。

2.4 帶傾角的平單軸光伏支架方案

由于本項(xiàng)目所在地的緯度為29.2°N，接近中緯度地區(qū)，因此本項(xiàng)目采用帶傾角的平單軸光伏支架，即平單軸光伏支架加上5°的傾角，以減少在冬季時(shí)的入射角損失。5°傾角的平單軸光伏支架采用單塊光伏組件豎排的方式，且每2塊光伏組件南北間的凈間距為0.4 m。相比平單軸光伏支架1P方案，單個(gè)帶傾角的平單軸跟蹤單元的立柱數(shù)量從11根增加到了13根。5°傾角的平單軸光伏支架的設(shè)計(jì)邊界條件與平單軸光伏支架的相同，其剖面示意圖如圖7所示。

圖6 采用2P方案時(shí)平單軸光伏支架的剖面示意圖(單位：mm)Fig. 6 Cross-sectional schematic diagram of flat single axis PV bracket when using 2P scheme (unit: mm)

圖7 5°傾角的平單軸光伏支架的剖面示意圖Fig. 7 Cross-sectional schematic diagram of a flat single axis PV bracket with 5° inclination angle

2.5 小結(jié)

對(duì)分別采用上述4種光伏支架時(shí)，光伏陣列傾斜面接收的逐月太陽輻照量進(jìn)行對(duì)比，具體如圖8所示。其中：固定傾角式光伏支架的傾角為30°；固定可調(diào)式光伏支架傾角在冬季時(shí)為45°，在夏季時(shí)為15°；平單軸光伏支架與5°傾角的平單軸光伏支架的跟蹤角度范圍均為±45°。

圖8 4種光伏支架時(shí)光伏陣列傾斜面接收的逐月太陽輻照量Fig. 8 Monthly solar irradiation received by inclined surface of PV array for four types of PV brackets

從圖8可以看出：

1)相較于采用固定傾角式光伏支架，采用固定可調(diào)式光伏支架時(shí)能明顯增加光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量，尤其在夏季的5～7月和冬季的11月～次年2月期間，提升最為明顯。整體來看，采用固定可調(diào)式光伏支架時(shí)年太陽輻照量可提高4.85%。

2) 相較于采用固定傾角式光伏支架，采用平單軸光伏支架時(shí)，在3～10月光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量大幅提高，在冬季的11月～次年2月光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量反而降低。整體來看，采用平單軸光伏支架時(shí)，光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量比采用固定傾角式光伏支架時(shí)提高10.87%。

3) 在4～8月，采用平單軸光伏支架與采用5°傾角的平單軸光伏支架時(shí)光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量幾乎相同；在9月～次年3月，相較于采用平單軸光伏支架，采用5°傾角的平單軸光伏支架能小幅提高光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量。整體而言，采用5°傾角的平單軸光伏支架時(shí)，光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量相較于采用平單軸光伏支架時(shí)的能提高2.8%；相較于采用固定傾角式光伏支架時(shí)的能提高14%。

3 光伏支架選型分析

3.1 LCOE分析方法

根據(jù)NB/T 10394—2020《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范》[3]，對(duì)采用不同光伏支架方案時(shí)項(xiàng)目的LCOE進(jìn)行對(duì)比。LCOE的計(jì)算式可表示為：

式中：i為折現(xiàn)率，本文取8%；n為光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行年數(shù)(n=1, 2, ……,N)，年；N為光伏發(fā)電系統(tǒng)壽命周期，年；I0為光伏發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)初始投資，元；It為光伏發(fā)電項(xiàng)目的增值稅抵扣，元，本文按照7年全部抵扣完計(jì)算；VR為光伏發(fā)電系統(tǒng)殘值，元，本文取5%；Mn為光伏發(fā)電項(xiàng)目的第n年運(yùn)營成本(含維修、保險(xiǎn)、材料、人工工資、輔助服務(wù)費(fèi)等，不含利息)，元；Yn為上網(wǎng)電量，kWh。

3.2 主要邊界條件及成本對(duì)比

4種光伏支架選型對(duì)比時(shí)的主要邊界條件如表5所示。

表5 4種光伏支架選型對(duì)比時(shí)的主要邊界條件Table 5 Main boundary conditions in selection and comparison of four types of PV brackets

分別采用4種光伏支架時(shí)，本項(xiàng)目的首年發(fā)電量及系統(tǒng)效率情況如圖9所示。其中，平單軸光伏支架采用2P方案；5°傾角的平單軸支架采用1P方案。

分別采用4種不同光伏支架時(shí)，本項(xiàng)目的單位投資成本及25年LCOE情況如圖10所示。其中，平單軸光伏支架采用2P方案；5°傾角的平單軸光伏支架采用1P方案。

圖9 本項(xiàng)目分別采用4種光伏支架時(shí)的首年發(fā)電量和系統(tǒng)效率Fig. 9 First year’s power generation and system efficiency when four types of PV brackets are used in this project

結(jié)合圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)：在以采用固定傾角式光伏支架為對(duì)比基準(zhǔn)的情況下，采用固定可調(diào)式光伏支架時(shí)，本項(xiàng)目的首年發(fā)電量可提高3.22%，單位投資成本增加2.71%，25年LCOE增加0.51%；采用平單軸光伏支架時(shí)，本項(xiàng)目的首年發(fā)電量可提高10.48%，單位投資成本增加7.26%，25年LCOE降低1.32%；采用5°傾角的平單軸光伏支架時(shí)，本項(xiàng)目的首年發(fā)電量提高13.55%，單位投資成本增加11.17%，25年LCOE增加1.40%。因此，4種光伏支架中，25年LCOE最低的支架形式為平單軸光伏支架，其次為固定傾角式光伏支架。

圖10 本項(xiàng)目分別采用4種光伏支架時(shí)的單位投資成本及25年LCOEFig. 10 Unit investment cost and 25-year LCOE when four types of PV brackets are used in this project

4 結(jié)論

本文以四川省某光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，根據(jù)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，通過平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)，對(duì)固定傾角式、固定可調(diào)式、平單軸和帶傾角的平單軸這4種光伏支架進(jìn)行定量分析，得到以下結(jié)論：

1)相較于采用固定傾角式光伏支架，采用平單軸光伏支架時(shí)，在3～10月光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量大幅提高；而在冬季的11月～次年2月光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照量降低；采用平單軸光伏支架時(shí)，光伏陣列傾斜面接收的年太陽輻照量比采用固定傾角式光伏支架時(shí)提高

10.87%。

2)對(duì)于平單軸光伏支架，相較于單塊光伏組件豎排的1P方案，采用2塊光伏組件豎排的2P方案時(shí)“立柱+基礎(chǔ)+施工”的總成本可降低0.044元/Wp，而該方案中光伏支架上部系統(tǒng)(含電機(jī))成本僅貴0.03元/Wp，因此，綜合這兩項(xiàng)來看，相比1P方案，2P方案總成本可降低0.014元/Wp。

3) 在以采用固定傾角式光伏支架為對(duì)比基準(zhǔn)的情況下，采用固定可調(diào)式光伏支架時(shí)，本項(xiàng)目的25年LCOE增加0.51%；采用平單軸光伏支架時(shí)，25年LCOE降低1.32%；采用5°傾角的平單軸光伏支架時(shí)，25年LCOE增加1.40%。因此，4種光伏支架中，25年LCOE最低的支架形式為平單軸光伏支架，其次為固定傾角式光伏支架。因此，本項(xiàng)目在地勢(shì)平坦區(qū)域推薦安裝采用2P方案的平單軸光伏支架，其他區(qū)域推薦安裝固定傾角式光伏支架。