平單軸支架應用于屋頂分布式光伏項目的經濟可行性分析

浙江正泰新能源開發有限公司 ■ 陳明月 吳云來 朱高麟 陳輝 蘭正權

0 引言

降低度電成本、實現平價上網已成為光伏行業的共同目標。特別是在“531”政策出臺以后，光伏發電系統的降本增效更顯得迫在眉睫。在2017年的光伏“領跑者”地面項目中，很多企業為了降本增效，均采用了跟蹤支架。隨著跟蹤支架技術越來越成熟，其成本也在逐漸降低，被廣泛應用于大型地面光伏電站中；然而近兩年來，在屋頂分布式光伏項目中其也成為各大光伏企業投資的重點。既然跟蹤支架能大幅提高地面光伏電站的系統效率，在荷載滿足要求的屋頂分布式光伏項目中是否也能廣泛應用跟蹤支架，以達到提高系統效率、降低度電成本的目的[1]？考慮到屋頂的面積有限，而斜單軸和雙軸跟蹤支架的占地面積較大，因此，本文僅對平單軸支架應用于屋頂分布式光伏項目的經濟可行性進行了分析研究。

1 經濟分析模型

1.1 度電成本(LCOE)計算模型

度電成本(LCOE)是指光伏電系統平均每度電的發電成本，成本越低，市場競爭力越大，企業利潤空間也越大，因此，降低度電成本一直是行業關注的重點。在國內，LCOE的計算模型通常為光伏電站的初始投資、25年運營維護成本及25年屋頂租金之和除以25年年均發電量，但該模型并未考慮資金的時間價值[2]。而國外的度電成本計算模型考慮了運維成本及屋頂租金在時間作用下所產生的價值，更能體現真正的成本。因此，本文采用國際上的LCOE測算模型[3]，其計算式為：

式中，I0為系統每瓦投資成本，元/Wp；P0為屋頂上安裝的組件的裝機容量，Wp；M為系統每年每瓦的運維成本，元/Wp；F為屋頂每年的租金，元；n為光伏發電系統運行年份，年；i為折現率，%；Qn為第n年光伏發電系統的發電量，kWh。

2 平單軸支架東西向間距按全年09:00～15:00無陰影遮擋排布的經濟性分析

2.1 經濟性影響因素

一般而言，對于平單軸支架的排布主要是確定其東西向間距，即按照支架無逆跟蹤技術、全年09:00～15:00 無陰影遮擋時的間距計算。其計算式[4]為：

式中，L1為平單軸支架的東西向間距，m；R為組件長邊長度，m；θ為平單軸支架的最大跟蹤角度，(?)；β為太陽高度角，(?)；φ為太陽方位角，(?)。

屋頂分布式光伏項目采用平單軸支架可實現光伏陣列實時跟蹤太陽運動，使太陽光最大程度直射光伏陣列，從而增加光伏陣列接收到的太陽輻射量，以提高光伏系統的每瓦發電量。

由于平單軸支架的價格與運維成本比固定支架高，而且當采用平單軸支架按無逆跟蹤技術[5]且全年09:00～15:00 無陰影遮擋的間距進行排布時，光伏發電系統的裝機容量比采用固定支架時的少，再加上屋頂分布式光伏項目的屋頂大多采用租賃模式，均攤到每瓦的租金成本就會增加，因此，雖然采用平單軸支架的屋頂分布式光伏項目的每瓦發電量會增加，但其度電成本可能會比采用固定支架的高。這是因為系統成本增加的幅度比發電量增加的幅度大，而系統成本的增加量與裝機容量的減少量有關，裝機容量又與項目所在地的經緯度有關，系統的發電量則與項目所在地的太陽輻射量及組件排布容量有關。

為詳細分析這一情況，本文選取了緯度及光照資源條件均不同的11 個地區，對在這些地區采用固定支架和平單軸支架的屋頂光伏發電系統的度電成本進行了對比分析。

2.2 度電成本的實例計算

選取的11 個地區分別為吉林長春、天津、寧夏石嘴山、山東濰坊、河南鄭州、青海玉樹、上海、江西南昌、云南昆明、廣東汕頭、廣東廣州，均選擇面積為5760 m2的混凝土屋面(長96 m、寬60 m)。假設屋面的荷載滿足設置固定支架和平單軸支架的要求。

每個地區的屋頂光伏發電系統都按固定支架和平單軸支架2 種方式進行排布。固定支架南北向間距按全年09:00～15:00 無陰影遮擋取值，平單軸支架東西向間距按無逆跟蹤技術且全年09:00～15:00 無陰影遮擋來取值。分別得出不同地區采用2 種排布方式時的裝機容量，然后通過PVsyst 仿真軟件對每個地區2 種排布方式下的系統發電量進行測算[6]。

根據式(1)分別計算2 種排布方式時光伏發電系統的度電成本。目前，市場上采用平單軸支架的光伏發電系統的每瓦投資成本比采用固定支架的高0.3 元左右，采用平單軸支架的光伏發電系統每年每瓦的運維成本比采用固定支架的高50%。因此，2 種排布方式下的式(1)中參數的取值如表1所示。

表1 LCOE 模型中的參數取值

為了簡化計算，式(1)中的Qn取年均發電量的值，則上述11 個地區分別采用2 種支架排布方式下的光伏發電系統的度電成本如表2所示。

由表2可以看出，這11 個地區即使緯度與光照資源條件均不同，但平單軸支架的東西向間距按照無逆跟蹤技術且全年09:00～15:00 無陰影遮擋取值時，光伏發電系統的度電成本普遍比采用固定支架時的高，只有玉樹和昆明兩地例外。這說明，按照此種間距排布，平單軸支架并不適合屋頂分布式光伏項目。

表2 LCOE 計算對比表

3 平單軸支架東西向間距按經濟值排布的經濟性分析

3.1 平單軸支架東西向間距經濟值選取分析

由于屋頂分布式光伏項目中的屋頂大多為租賃模式且租金較高，因此屋頂分布式光伏項目若采用平單軸支架，其裝機容量會減少，相應地每瓦租金成本會大幅增加，導致采用此種支架的光伏發電系統的度電成本會比采用固定支架時的高。

考慮到現在平單軸支架均具有逆跟蹤技術，若將平單軸支架的東西向間距適當減小，雖然此時，每瓦發電量會比東西向間距按無逆跟蹤技術且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時的發電量小，但系統的裝機容量會增加。針對是否存在東西向間距的選取使度電成本最小的問題，本文選取了天津、濰坊、上海、廣州4 個地區，采用平單軸支架，其東西向間距排布取值從無逆跟蹤技術且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時的間距取值開始，逐次減少0.1 m，分別計算出不同間距取值時屋頂光伏發電系統的裝機容量和年均發電量；然后利用式(1)計算出各自的度電成本，并繪制出各地區平單軸支架東西向間距逐漸減少時度電成本的變化曲線，如圖1～圖4所示。

圖1 天津地區的度電成本與支架東西向間距的關系

圖2 濰坊地區的度電成本與支架東西向間距的關系

圖3 上海地區的度電成本與支架東西向間距的關系

圖4 廣州地區的度電成本與支架東西向間距的關系

由圖1～圖4可以看出，屋頂分布式光伏項目采用平單軸支架時，光伏方陣東西向間距存在一個使度電成本最小的值，此值即為平單軸支架應用于屋頂分布式光伏項目時的最佳間距，用Lc表示，其對應的最小度電成本用LCOEmin表示。

3.2 LCOEmin的計算分析

表3對11 個地區的屋頂分布式光伏項目采用平單軸支架按Lc排布時的LCOEmin與采用固定支架按同樣間距排布時的LCOE進行了比較。

由表3可以看出，在這11 個地區中，采用平單軸支架時，大部分高緯度(34°以上)、中緯度(25°～34°)地區的Lc為3 m，大部分低緯度(25°以下)地區的Lc值為2.5 m。在高緯度地區，LCOEmin＜LCOE；而在中、低緯度地區，LCOEmin普遍大于LCOE。由此說明，大部分高緯度地區的屋頂分布式光伏項目適合采用平單軸支架，而大部分中、低緯度地區不適合。

在實際應用中，平單軸支架的東西向間距會比Lc小，光伏發電系統的裝機容量增大，則光伏發電系統的每瓦初始投資成本會相應減小，而且光伏匯集站中二次站、接入柜等設備也會均攤成本，成本會有所降低，因此光伏發電系統的LCOEmin實際值會更小。

表3 LCOEmin 計算對比表

4 結論

本文對平單軸支架應用于屋頂分布式光伏項目的經濟可行性進行了分析，選取了不同緯度的11 個地區的屋頂分布式光伏項目，根據度電成本模型對采用固定支架和平單軸支架2 種排布方式時系統的LCOE進行了對比分析，得出了 以下結論：

1)當平單軸支架的東西向間距采取無逆跟蹤技術且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時的間距，11 個地區中，除了玉樹和昆明兩地以外，其他大部分地區采用平單軸支架光伏發電系統的LCOE比采用固定支架的都高。因此，從經濟性角度來說，在這種間距排布方案下，平單軸支架不適合應用于屋頂分布式光伏項目。

2)當平單軸支架的東西向間距取值從無逆跟蹤技術且全年09:00～15:00 無陰影遮擋時的值逐漸減少時，存在一個最佳間距值，該值對應最低度電成本LCOEmin。在大部分高緯度(34°以上)地區，此LCOEmin值比采用固定支架的LCOE低；而在大部分中緯度(25°～34°)、低緯度(25°以下)地區，此LCOEmin值比采用固定支架的LCOE高。這說明，從經濟性角度看，在大部分高緯度地區，屋頂分布式光伏項目應用平單軸支架可降低度電成本，提高經濟收益；而在大部分中、低緯度地區，平單軸支架不適合應用于屋頂分布式光伏項目。

3)大部分高、中緯度地區的平單軸支架的東西向最佳間距值Lc為3 m，而大部分低緯度地區的Lc為 2.5 m。