尋找光伏系統安裝最低LCOE的傾角與間距

【摘? 要】在光伏電站建設中，一旦光伏電站在建設場地確定之后，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計的最大問題，本文通過研究光伏電站度電成本（LCOE）的基本概念，分析了光伏組件安裝傾角與安裝間距對度電成本的影響，以便找到最佳的安裝傾角與安裝間距。本文以國內某大型地面光伏電站項目為基礎，通過PVsyst仿真軟件進行模擬不同的安裝傾角與安裝間距的方案，比較各個方案下的度電成本（LCOE），找到最低度電成本（LCOE）時的安裝傾角與安裝間距。

【關鍵詞】安裝傾角;安裝間距;PVsyst;度電成本（LCOE）。

引言

近年來，我國光伏產業迅速發展，應用規模逐漸擴大，裝機容量自2015年起已穩居世界第一，在我國能源轉型中發揮著越來越重要的作用。截至2019年底，累計光伏并網裝機量達到253GW，全年光伏發電量2242.6億千瓦時，較2018年增了468億千瓦時，同比增長26.4%，占我國全年總發電量的3.1%[1]。

在光伏產業快速發展的同時，為了發揮出光伏發電建設的最大效益，低度電成本就成了各光伏電站建設所追求的指標。平準化度電成本LCOE（Levelized cost of energy/ Levelized cost of electricity）是對項目生命周期內的成本和發電量進行平準化后計算得到的發電成本，即生命周期內的成本現值除以生命周期內發電量現值，是國際上通用的評價電力能源生產成本的指標，也是國際能源工程尤其是新能源工程進行特許經營權、EPC工程招投標的核心評價指標[2]，也是不同規模的、不同類型的光伏電站效益指標的體現，并可用來與其他電源發電成本對比。

增加光伏電站的發電量，追求低度電成本，光伏電站建設的初期，確定光伏組件的安裝傾角和安裝間距顯得尤為重要。相關文獻[3-6]對光伏組件的安裝傾角和安裝間距也都進行了研究，但缺乏對安裝傾角與安裝間距的相互影響和綜合考慮，為了進一步說明問題，本文以國內某大型光伏電站為基礎，使用由瑞士日內瓦大學環境科學學院開發的并在國內外光伏行業普遍認可并經檢驗的PVsyst仿真軟件進行建模，對不同安裝間距與不同安裝傾角下光伏電站度電成本進行比較分析，找到最低度電成本（LCOE）時的安裝間距與安裝傾角。

1光伏電站度電成本LCOE評估模型

光伏發電（大型地面光伏電站）的成本可以分為初始投資成本、運行維護成本、其他成本三大類。初始投資成本是決定項目總成本的最重要因素，一般包括光伏組件成本、建安工程成本、一次土地成本、電網接入成本等;光伏發電的運維成本主要包括組件清洗、組件支架及基礎維護、設備計劃性檢修、設備預防性試驗等內容;其他成本主要包括財務成本和稅費成本。

在全投資模型下，LCOE 與初始投資、運維費用、發電小時數等都有關，并網光伏發電項目的 LCOE 評估模型[2]：

式中，為建設期的年限;為光伏區建設投資;為輔助工程的建設投資，包括光伏電站的交通、輸變電工程、生活管理設施等建設投資;為生產期的運營維護成本;p為折現率;為系統第i年的發電量。

當需要建設一個光伏電站工程時，經過前期的技術論證，其項目建設場地、建設期年限、折現率均可視為定值;再通過前期外部環境考察及相關部門協調，基本外部輔助工程的建設投資及輔助工程的維護費用也都基本確定;目前國內光伏電站的運維費用一般以電站裝機容量計算，在本文對光伏電站安裝傾角與安裝間距變化分析時會引起裝機規模的微小變化，就會影響后期光伏電站的運維總費用的計算，但這個變化量較小，為了便于分析研究，在一定程度上可以認為光伏電站后期運維總費用是一個不變的值。

2 安裝傾角與安裝間距初值

2.1光伏電站基本條件

本文以內蒙古自治區鄂爾多斯市一地面光伏電站為例進行分析，當地太陽能資源豐富，多年平均總輻射為1655.2kWh/m2，當地太陽能資源情況如表1。

項目所在地實測年的總輻射日變化見圖1，可以看出，總輻射呈現出明顯的日變化趨勢，從7：00（北京時間）開始出現一定強度的太陽輻射，在中午13：00的時候太陽輻射強度達到最大值，而后開始逐漸的減弱。一天中太陽輻射強度較大的時段主要集中在中午前后的10：00～16：00。

2.2組件串聯數計算

眾所周知，光伏組件的溫度系數為負值，越低的溫度光伏組件的開路電壓就會越高，當組件串聯成串時，就會得到與光伏逆變器匹配的電壓值。光伏組件串聯數量計算，按照 GB50797-2012《光伏發電站設計規范》中組串計算公式計算.

而該規范計算的光伏組件串聯組件數量時并未提及光伏組件工作條件下的極限溫度（極限高溫、極限低溫）的校正方法，傳統設計的極限溫度多采用當地的環境極端低溫，其實并未考慮到光伏組件的工作機理，而根據光伏組件工作時的IV曲線特性[7，8]，光伏組件會產生熱效應，實際的溫度會較當地的極限低溫要高，此時的光伏組件的開路電壓往往達不到計算的值;同時當地的極低氣溫一般出現在夜晚，此時的光伏系統是未投入工作，而光伏系統開啟工作時的環境氣溫也較極低氣溫會有所增加，同樣光伏組件的開路電壓也為達到上式所用的到值。

光伏組件的開路電壓為，為零電流時的電壓，眾多文獻針對其進行分析研究，其值主要是受光照和溫度的影響，隨著光照呈對數增長，光伏組件的開路電壓的輻照影響用下公式計算[9]：

根據上面式[3]和式[4]可以得出溫度和輻照值對光伏組件的開路電壓的影響，并可以列出在不同輻照值下，同時再考慮到溫度的變化，從而可以計算出在光伏電站所在地點的光伏組件的最高開路電壓，并根據逆變器允許的最大輸入電壓，從而計算出光伏組件的最大串聯數。

2.3安裝傾角計算

光伏組件的安裝傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，光伏的傾斜角應該是方陣一年中發電量為最大時的最佳傾斜角度。最佳傾斜角與當地的地理緯度有關，當緯度較高時，相應的傾斜角也大，反之則小。

當光伏方陣面向正南方向時（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）逐漸向最佳的傾斜角抬起時，其日射量不斷增加直到最大，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少;當方位角不等于0°度時，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。

該傾角的確定方法有很多種，最理想的組件傾角應該使太陽能電池年發電量盡可能的大，一是如果可以按照設計進行安裝，盡最大可能的保證發電站的傾角符合當地最大發電量的要求，一般取當地緯度或當地緯度加上幾度做為當地太陽能電池組件安裝的傾斜角，當然如果能夠精確計算或采用計算機設計軟件設計，可以得出最佳的數值。如果沒有條件對傾斜角進行計算機優化設計，也可以根據當地緯度粗略確定太陽能電池的傾斜角。二是計算最佳傾角需要當地的經緯度來確定太陽各時刻的高度角和方位角，需要年輻射數據，最好是多年平均的年輻射數據來確定當地太陽輻射的特性，根據輻射數據及經緯度計算并累加得到不同傾角光伏方陣的年總輻射接收量，從中選擇年總輻射量最大的傾角作為最佳傾角。一般可采用PVsyst等軟件方便快捷的進行最佳傾角計算。

本文參考GB50797-2012《光伏發電站設計規范》附錄B和通過PVsyst軟件的仿真年發電量最大（圖2）時光伏組件斜面上獲得輻射值最大時的傾角，綜合考慮確定。

2.4安裝間距計算

計算光伏陣列間距的主要參數有緯度、時角、赤緯角、太陽高度角、太陽方位角、光伏陣列方位角、光伏陣列傾斜角、光伏組件長度。采用固定式安裝方式的光伏陣列，會有方位角和傾斜角的概念。我國光伏發電設備一般為正南朝向安裝，受場所限制時，方位角會有所調整但幅度一般不會太大。

在計算光伏組件的安裝間距時，一般的計算原則是依據《光伏發電站設計規范》中關于光伏方陣布置要求，即一年中冬至日太陽高度角最低，方陣間距D應大于冬至日真太陽時9：00～15：00時的陰影的最大長度，保證在該時段不發生陰影遮擋，則光伏陣列一年之中太陽能輻射較佳利用范圍內就不會發生陰影遮擋，如圖3所示。

3 安裝傾角與安裝間距優化

當光伏組件在安裝間距確定的前體下，隨著安裝傾角的增加，光伏組件表面斜面上接收到的太陽能的輻射量就會增加，所產生的發電量也就會增多;但同時隨著安裝傾角的增加，光伏組件背面陰影就會越長，導致后排組件遮擋就會越嚴重，發電量就會因遮擋而下降。

而當光伏組件在安裝傾角確定的情況下，隨著安裝間距的增加，組件間相互遮擋也就越小，則組件接收的直接輻射量越多，散射輻射量也會增加，發電量也就會增多;但同時隨著安裝間距的增加，光伏電站占地面積就會增加;在項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獲得的發電量的增加，使得整個光伏電站的度電成本會降低，但當減少安裝間距又會造成前后排組件遮擋，要獲得更高的發電量可以減小安裝傾角。

利用PVsyst仿真軟件對安裝間距和安裝傾角分別作為單變量變化時的變化圖，比較分別在不同安裝間距和不同安裝傾角下的發電量，見圖4和圖5。由圖可以看出，隨著安裝傾角的增加，輸出總發電量增加，但增大到一定程度后，再增加安裝傾角，會引起后排組件的遮擋，從而造成發電量的減少;由圖中還可以得出，光伏組件的實際最佳安裝傾角較前章節計算得出的值小，那是因為前章節計算得到的最佳傾角為單排布置時，并未考慮前后排遮擋情況下對總發電量的影響。由圖5可以看出，在固定安裝傾角時，輸出總發電量隨著安裝間距的增加而增加。

當安裝傾角與安裝間距兩個變量同時變動時，光伏電站的發電量輸出及項目的度電成本變化就會變得非常復雜，因此對其研究也就會變得非常困難，針對這個問題，本文針對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，對這些方案逐一進行整個生命周期內的發電量模擬與整個項目度電成本計算，并進行比較分析，繪制度電成本曲線圖（圖6）。從圖中可以看出，不同的安裝傾角和安裝間距下都能找到最低度電成本時候的安裝間距和安裝傾角，但較多的曲線中也能找到度電成本最低時所采用的方案，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 結論

通過本文分析，在建設一個光伏電站時，建設方案初級階段設計的安裝間距和安裝傾角，并不是最優的，不能使度電成本達到最低值，電站的效益達到最大，依照本文所給出的分析方法，可以尋找到最優度電成本（LCOE）時的安裝傾角和安裝間距，實現投資成本與產出的最優組合，使光伏電站的投資效益最大化。

本文提出的光伏組件的安裝傾角和安裝間距的優化方法可以推廣，對于不同地點、不同規模和不同投資策略的光伏電站項目設計均可提供很好借鑒。

參考文獻：

[1]王勃華.中國光伏行業2019年回顧與2020年展望. 2020.2.

[2]吳江，李晟.基于度電成本指標的光伏電站裝機規模優化設計.冶金動力.2019.7（7），16-18.

[3]勞大實.屋頂光伏項目安裝傾角的選擇.智能建筑電氣技術.2019.12，13（6），110-112.

[4]周建朋，王明介.隨坡安裝山地光伏電站陣列間距的計算.華電技術.2019.033（41），76-80.

[5]楊光勇，陳貺等.不同安裝傾角的光伏系統發電量分析.有色冶金節能.2014.10（5），50-54.

[6]劉國忠，范忠瑤等.不同安裝傾角對光伏電站發電量的影響研究.太陽能學報.2015.12（36），2973-2978.

[7]陳祥，潘基書.光伏電站組件串聯數的優化設計.云南電力技術.2018.10（46），1-5.

[8]楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術（第三版）[M].北京：電子工業出版社.2017，64～67.

[9]秦紅，沈輝，張仁元，張臻等.溫度對太陽電池效率的影響及改善方法分析.深圳：第八屆全國光伏會議暨中日光伏論壇.

作者簡介：

朱軍峰（1984-），男，高級工程師，中冶華天工程技術有限公司，主要從事電力系統及其自動化專業、新能源、高壓供配電等方向的研究、工程設計、項目技術管理工作。