并網(wǎng)光伏電站光伏組件支架最佳傾角設(shè)計(jì)研究

鐘天宇， 劉慶超， 楊 明

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境和應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出了2020年非化石能源占能源消費(fèi)15%、單位GDP二氧化碳排放量比2005年降低40%～45%的目標(biāo)。同時(shí)，為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家正在部署戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，新能源已作為了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，其中目前具有商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的新能源產(chǎn)業(yè)主要有風(fēng)電和光伏發(fā)電[1]。

影響光伏電站效益的主要因素為項(xiàng)目初始投資和項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。對(duì)于已經(jīng)選定區(qū)域位置的光伏電站，如何獲取效益最大化，最主要的影響因素是光伏組件的傾角選擇，不同傾角下的光伏電站的投資和效益不同，如何獲得效益最大化具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

光伏組件最佳傾角研究時(shí)間較長(zhǎng)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，關(guān)于光伏組件最佳傾角的研究及討論就已開(kāi)始，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院進(jìn)行光伏組件傾角及間距設(shè)計(jì)主要是通過(guò)RETScreen、PVSYST和上海電力學(xué)院太陽(yáng)輻射計(jì)算軟件等，其基本原則是年平均發(fā)電量最大化。目前對(duì)于光伏組件最佳傾角的研究主要集中在采用何種算法使得輻射量最大，如：中國(guó)氣象局的王炳忠、申彥波采用美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供的SMARTS模式，從純資源角度計(jì)算了我國(guó)大陸緯度范圍內(nèi)每5°間隔處太陽(yáng)能裝置的最佳傾角及其分布規(guī)律[2]；上海交通大學(xué)的顧超、崔容強(qiáng)通過(guò)采用klien和Theilacker提出的算法來(lái)計(jì)算不同傾角下各月輻射量，并計(jì)算占全年總輻射量的比例，再結(jié)合最小二乘法計(jì)算系統(tǒng)均衡和非均衡負(fù)載的最佳傾角[3]；中山大學(xué)的孫韻琳、杜曉榮等在klien和Theilacker計(jì)算算法基礎(chǔ)上，提出了一種使用逐步查找法確定太陽(yáng)能陣列最佳傾角的新方法，并利用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言C#完成了算法的軟件實(shí)現(xiàn)[4]；云南師范大學(xué)劉祖明、李迎軍等研究了非聚光的任意方位角傾斜面上太陽(yáng)輻射的計(jì)算，其中散射輻射的計(jì)算采用Hay模型，給出了最佳傾角的計(jì)算[5]；董霞威、龐春提出了發(fā)電量最大化和投資效益最大化是不一致的，可以通過(guò)適當(dāng)減小安裝傾角獲得效益最大化，這種效益會(huì)隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大而更為明顯[6]；上海電力學(xué)院的楊金煥對(duì)季節(jié)性負(fù)載光伏方陣的最佳傾角進(jìn)行了深入研究[7]。

在實(shí)際工程建設(shè)中，不同傾角其發(fā)電量不同，支架費(fèi)用、占地費(fèi)用、電纜費(fèi)用均會(huì)有所差距，因此如何確定最佳傾角需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。以上研究除董霞威、龐春提出了發(fā)電量最大并非效益最好的理論，其余以研究最佳傾角計(jì)算方法居多。從投資開(kāi)發(fā)商角度考慮，其所關(guān)心的效益最大化并未得到重視，本文從業(yè)主工程實(shí)際角度出發(fā)，以效益最大化為原則，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行大型并網(wǎng)光伏項(xiàng)目最佳傾角計(jì)算的理論研究。

2 基于費(fèi)用-效益模型的光伏組件最佳傾角計(jì)算

2.1 費(fèi)用-效益模型

費(fèi)用-效益分析法通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的投入（費(fèi)用）和產(chǎn)出（效益）的對(duì)比分析，定量考察工程項(xiàng)目的費(fèi)用、效益狀況，研究建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的得失、優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較，為合理決策提供一種分析方法[8]。

從工程角度出發(fā)，按照費(fèi)用-效益理論，在光伏電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，可分為年發(fā)電成本和年發(fā)電收入。

（1）年發(fā)電成本可分為建設(shè)投資成本、財(cái)務(wù)成本和經(jīng)營(yíng)成本。建設(shè)投資成本通常為一次性投資，分布在項(xiàng)目初期，通常以折舊費(fèi)計(jì)入總成本費(fèi)用；光伏電站不存在燃料成本，其經(jīng)營(yíng)成本主要包括修理費(fèi)、人員工資及福利、材料費(fèi)等，但考慮到光伏組件的傾角對(duì)于經(jīng)營(yíng)成本影響較小，因此在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較時(shí)暫不考慮此方面因素。

（2）年發(fā)電收益取決于光伏電站的年發(fā)電量，可根據(jù)當(dāng)?shù)剌椛鋽?shù)據(jù)計(jì)算得到。根據(jù)以上分析，可建立以下費(fèi)用-效益模型：

式中 F—光伏電站壽命期內(nèi)收益凈現(xiàn)值；

Pw—光伏電站年上網(wǎng)電量，kWh；

p—電價(jià)，元；

i—折現(xiàn)率；

n—建設(shè)期和經(jīng)營(yíng)期總年數(shù)；

Ij—第j年建設(shè)總投資，萬(wàn)元，包括：設(shè)備及安裝工程投資、建筑工程總投資、占地費(fèi)用、價(jià)差預(yù)備費(fèi)、建設(shè)期利息、送出工程投資等；Rj—第j年貸款償還利息，元。

2.2 光伏組件傾角計(jì)算流程

根據(jù)費(fèi)用-效益模型及RETScreen、PVSYST和上海電力學(xué)院太陽(yáng)輻射計(jì)算軟件，可歸納最佳傾角計(jì)算方法流程，如圖1所示。

計(jì)算步驟：

（1）利用當(dāng)?shù)匾阎?yáng)輻射數(shù)據(jù)，通過(guò)幾種常用軟件對(duì)不同傾角輻射進(jìn)行計(jì)算，再計(jì)算發(fā)電量。

（2）計(jì)算不同傾角下的光伏電站的工程投資。

（3）運(yùn)用費(fèi)用-效益模型對(duì)不同傾角下的光伏電站進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定最優(yōu)方案。

3 實(shí)例分析

3.1 模型驗(yàn)證

以甘肅某光伏電站為例進(jìn)行分析，該區(qū)域年均氣溫在6.7～7.7℃，平均凍土深度108cm，多年最大積雪厚度10 cm。年平均日照時(shí)數(shù)在3000～3400h，太陽(yáng)輻射量約為6100～6500MJ/m2，光照充足，太陽(yáng)能資源豐富。場(chǎng)址區(qū)地勢(shì)開(kāi)闊、地形平緩，自然坡度約1.3%，起伏較小。地表為沙卵礫石戈壁，分布有低矮耐旱植物，周圍基本無(wú)大型障礙物，光伏電站場(chǎng)址區(qū)域建設(shè)條件比較優(yōu)越。其裝機(jī)容量為10MWp，不同傾角發(fā)電量及占地面積見(jiàn)表1。

表1 不同傾角的光伏電站主要技術(shù)指標(biāo)

光伏電站的主要成本參數(shù)見(jiàn)表2。利用式（1），以6%的社會(huì)折現(xiàn)率，計(jì)算得到項(xiàng)目的全部投資凈現(xiàn)值，分別為：傾角25°，1397.61萬(wàn)元；傾角

表2 主要成本參數(shù)

30°，1483.64萬(wàn)元；傾角35°，1506.03。從項(xiàng)目效益最大化角度考慮，我們可選擇傾角35°作為設(shè)計(jì)方案，與實(shí)際工程相符。

3.2 敏感性分析

不同傾角對(duì)于電站投資的影響主要在光伏支架成本、占地費(fèi)以及電纜成本的不同。這三個(gè)因素中，征地費(fèi)的單價(jià)對(duì)于不同傾角的投資及經(jīng)濟(jì)性影響較大，以實(shí)例進(jìn)行分析，在征地費(fèi)達(dá)到18元/m2時(shí)，傾角為30°下的方案最優(yōu)，當(dāng)征地費(fèi)達(dá)到87元/m2時(shí)，傾角為25°下的方案最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文結(jié)合目前光伏電站最佳傾角設(shè)計(jì)研究方向進(jìn)行了分析探討，提出了從業(yè)主效益最大化角度出發(fā)，建立費(fèi)用-效益模型，從而選擇最佳傾角。

（2）光伏電站傾角的不同，對(duì)于支架、占地面積、電纜長(zhǎng)度均具有一定影響，從而影響工程造價(jià)，本文結(jié)合工程實(shí)踐，建立了費(fèi)用-效益模型，并以實(shí)例工程驗(yàn)證了本模型的正確性。

（3）本文選用征地單價(jià)作為變動(dòng)因素，分別分析了不同傾角下的占地面積和總投資，再進(jìn)行了費(fèi)用-效益分析，結(jié)果表明，當(dāng)土地價(jià)格上升到一定價(jià)格后，傾角越小，整個(gè)項(xiàng)目的壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性越好。

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[1]王斯成.加快啟動(dòng)國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)，應(yīng)對(duì)國(guó)際光伏形勢(shì)新變化[J].太陽(yáng)能，2011，05：16～21.

[2]王炳忠，申彥波.從資源角度對(duì)太陽(yáng)能裝置最佳傾角的討論[J].太陽(yáng)能，2010，07：17～20.

[3]顧超，崔容強(qiáng).獨(dú)立光伏系統(tǒng)最佳傾角計(jì)算新方法[J].電源技術(shù)，2005，29（01）：31～34.

[4]孫韻琳，杜曉榮，王小楊.固定式并網(wǎng)光伏陣列的輻射量計(jì)算與傾角優(yōu)化[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30（12）：1597～1601.

[5]劉祖明，李迎軍，謝建.靜固定式聯(lián)網(wǎng)光伏方陣的最佳傾角[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，06（20）：24～28.

[6]董霞威，龐春，蘇國(guó)梁.光伏并網(wǎng)電站光伏組件安裝傾角的選擇設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電力，2010，43（12）：70～73.

[7]楊金煥，葛亮，陳中華.季節(jié)性負(fù)載光伏方陣的傾角[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，24（02）：241～244.

[8]鐘天宇，劉慶超，李憶.基于費(fèi)用效益模型的復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)微觀選址研究[J].華東電力，2011，39（07）：1176～1178.