基于最低度電成本的光伏安裝傾角與間距的優化

朱軍峰

摘要：在光伏電站建設中，光伏電站在安裝場地確定之后，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。本文以國外某大型光伏電站投標為基礎，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，找到最低度電成本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

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204.3GW，全年光伏發電量2242.6億千瓦時，占我國全年總發電量的3.1%[1]。

度電成本LCOE（Levelized cost of energy/ Levelized cost of electricity）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]。

相關文獻[3-4]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，本文以國外某大型光伏電站投標為基礎，使用瑞士的PVsyst光伏軟件實驗室研發的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

光伏電站的度電成本LCOE是設計過程中最關鍵的技術指標，并網光伏發電項目的 LCOE 評估模型[2]：

式中，T—建設期的年限;CPVi—光伏區建設投資;CCIi—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;COMi—生產期的運營維護成本;p—折現率;Ei—系統第i年的發電量。

針對一個確定的光伏工程，其項目建設場地、建設期年限、折現率均可視為定值，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費用的計算，但這個變化量較小，為了便于研究分析，在一定程度上可以認為光伏電站后期運維費用是一個固定值。

2 安裝傾角與安裝間距初值

安裝傾角計算

光伏組件的安裝傾角對光伏發電系統的效率影響較大，為了使得光伏組件面上所接收的年總輻射量達到最大值，應使得光伏組件表面朝向太陽有一定的傾斜角度，該傾角的確定方法有很多種，一般根據項目所在地緯度，參考GB50797《光伏發電站設計規范》附錄B中我國各個緯度上城市的并網發電光伏電站的最佳傾角參考值;也可以通過PVsyst軟件的仿真年發電量最大時光伏組件斜面上獲得輻射值最大時的傾角，綜合兩者考慮確定。

安裝間距計算

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。

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情況下，隨著安裝傾角的增加，光伏組件斜面上接收到的輻射量就會增加，發電量也就會增加;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。

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，相互遮擋越小，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仿真軟件分別對安裝間距和安裝傾角為單變量變化時的變化圖，比較在不同安裝間距和不同安裝傾角下的發電量。隨著安裝傾角的增加，輸出總發電量增加，但到了一定程度后，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;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。從圖中可以很容易找到最低度電成本時采用的方案，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，在光伏電站方案設計階段，最優度電成本基礎上確定的安裝傾角和安裝間距，可以使光伏電站的投資效益最大化。本文提出的優化方法對不同地點、不同規模和不同投資策略的項目設計提供很好借鑒。

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]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.

[4]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.