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.中冶京誠工程有限公司，北京 100176；2.中廣核太陽能開發有限公司，北京 100048）

在光伏電站中，組件的支架形式會影響組件接收的太陽輻射量，進而影響光伏電站的發電量；另外不同形式的支架將對光伏電站的建設用地有很大影響；而且不同形式的支架的成本也有較大差別。支架選型對光伏電站的經濟指標、建設用地指標和建設規模都有很大影響。本文對不同支架形式的電站的占地面積、發電量和投資收益進行比較分析，討論不同形式支架的應用推廣的前景。

1 支架形式分類

目前大型光伏電站的太陽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、全年太陽輻射分布、直接輻射與散射輻射比例和特定的場地條件等。最佳安裝傾角可采用專業系統設計軟件進行優化設計來確定，它應是系統全年發電量最大時的傾角。

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

傾斜單軸跟蹤支架，是在固定太陽電池面板傾角的基礎上，圍繞該傾斜的軸旋轉追蹤太陽方位角，以便接受更多的太陽輻射量。

雙軸跟蹤支架，通過其對太陽光線的實時跟蹤，以保證每一時刻太陽光線都與太陽電池板面垂直，以此來獲得最大的發電量。

一般而言，采用跟蹤支架的光伏電站發電量增益明顯，但是占地面積大，支架的造價高，運營維護成本高，而且在不同的緯度地區，跟蹤支架對發電量的增益效果也存在一定差別，綜合考慮以上因素，在現階段固定支架和跟蹤支架不存在決定的優劣之分，跟蹤支架的性價比不見得高，在實際情況中應針對具體的項目進行分析比對，選擇最優的支架方案。

在國內電價政策和市場經濟的推動下，2011年國內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，為數不多的幾個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模示范應用。考慮目前實際使用情況，下面對固定支架、平單軸跟蹤支架和斜單軸跟蹤支架進行重點分析比較。

2 占地面積比較

支架形式和場址緯度都會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）三個典型場址采用不同支架形式時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占地面積變化趨勢如圖1所示，從圖中可以清楚的看到，緯度和支架傾角對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，對于高緯度地區，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，建設用地指標最優，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，建設用地指標較優。從土地利用角度，在光伏電站設計中可重點考慮固定支架、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，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，在制定技術方案時應慎重，盡量不予采用，具體詳見圖2中圓圈標記的區域。

3 太陽輻射量增益分析

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

圖3給出一年中不同支架形式接收的太陽輻射量曲線，表2給出了不同支架接收的相對太陽輻射量，從圖3中可以看到在夏秋季節跟蹤支架接收的太陽輻射量增益比較高，在春冬季節，跟蹤支架接收的太陽輻射量增益比很小，甚至為負。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輻射量有較大增益，而且在傾角較小時，增益比變化幅度更大。

圖3 北緯40°地區不同支架形式接收的全年太陽輻射量

表2 不同形式支架接收的相對太陽輻射量

4 發電量增益分析

對于光伏電站，太陽輻射量決定了發電量，但是由于陣列遮擋、線損和溫度等因素的影響，太陽輻射量與電站發電量的增益比例不完全一致，利用PVSYST對西藏桑日、甘肅敦煌和新疆青河三個典型場址電站在選用不同支架形式時的首年發電小時數進行模擬仿真，系統效率均取為80%，結果如表3所示，為了便于比較分析，對表 3的數據進行歸一化處理，結果如表4所示，變化趨勢如圖4所示。

通過比較表 2和表 4，可以看到跟蹤支架的發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引起的。對于低緯度地區，平單軸跟蹤支架的發電量增益要略高，約1%～2%，而且傾角較小時，斜單軸支架的發電量增益比也略高，約1%；對于高緯度地區，最佳傾角斜單軸跟蹤的發電量增益要略高，約2%～3%。

表3 不同緯度光伏電站采用不同支架方式首年發電小時數

表4 不同緯度光伏電站采用不同支架方式發電量增益比

圖4 跟蹤支架發電量增益比

5 投資收益分析

根據前面的理論分析，跟蹤支架可以較大幅度提高光伏電站的發電量，提高光伏電站的投資收益比，具有很好的應用前景，但是考慮到跟蹤支架的成本增加、可靠性和運維成本，造成跟蹤支架目前仍未得到大規模應用。根據對大型平單軸跟蹤支架光伏電站的調研，其首年實際發電量比預期低了8.7%，而同一地區大型最佳傾角固定支架光伏電站的首年實際發電量比理論低了2.9%，可見平單軸跟蹤支架的穩定性較差，導致實際發電量低于理論預測發電量，在進行經濟分析時應考慮跟蹤支架的故障率，考慮到跟蹤支架可靠性的改進，采用跟蹤支架的光伏電站的實際發電量應比對應的理論發電量低4個百分點。根據目前的市場情況，各種支架的成本和對應的土建基礎成本如表5所示，以甘肅敦煌為例，假設項目的容量為30MWp，固定支架電站的運維費用取400萬/年，跟蹤支架電站的運維費用取480萬/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的投資收益率提高較大，而考慮到安全可靠性的風險和占地面積，小傾角斜單軸跟蹤支架優勢較明顯，具有較大的應用潛力，應予以重點關注和考察。

6 結論

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

根據分析結果，建議目前階段對小傾角斜單軸跟蹤支架進行重點調研和評估，對于其的穩定可靠性和運維成本進行深入的評估，保證進行投資收益測算時考慮周全，在合理控制風險的基礎上進行小傾角跟蹤支架的應用，提高光伏電站項目的投資回報，推動光伏發電產業的發展。

[1]趙爭鳴,雷一,賀凡波,等.大容量并網光伏電站技術綜述[J].電力系統自動化, 2011(12).

[2]趙春江,楊金煥,陳中華,等.太陽能光伏發電應用的現狀與前景[J].節能技術, 2007(5).

[3]李天下.太陽能光伏支架系統的應用[J].中國建設動態:陽光能源, 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].太陽能, 2010(10).

[5]李紅波,俞善慶.太陽能光伏技術及產業發展[C].2013第三屆綠色建筑建材與土木工程國際會議,2013.