平單軸跟蹤支架東西向間距的優(yōu)化研究

袁煒東

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025)

0 引言

近年來，隨著各個(gè)“領(lǐng)跑者”基地的逐步建設(shè)，我國光伏行業(yè)發(fā)展迅速；同時(shí)，受政策調(diào)整的影響，行業(yè)競爭也在逐漸加劇。光伏企業(yè)只有不斷優(yōu)化技術(shù)，降低度電成本，盡快結(jié)束對(duì)國家補(bǔ)貼的依賴，才能順利迎來平價(jià)上網(wǎng)時(shí)期。

平單軸跟蹤支架是一種南北向排布、旋轉(zhuǎn)軸水平布置、東西向跟蹤太陽角度變化的支架，與固定式支架相比，此類支架在中、低緯度地區(qū)能更充分地利用太陽能資源，大幅提高光伏組件的發(fā)電量，降低度電成本；而雙面光伏組件與平單軸跟蹤支架相結(jié)合又可以進(jìn)一步提高光伏組件的發(fā)電量，因此此種結(jié)合方式在國內(nèi)開始得到廣泛應(yīng)用。

光伏組件的發(fā)電量取決于其表面所接收的太陽輻射量，理論上安裝于平單軸跟蹤支架上的光伏組件，其表面接收的最大太陽輻射量是由項(xiàng)目所在地的太陽輻射資源條件和平單軸跟蹤支架的相關(guān)參數(shù)共同決定的。其中，平單軸跟蹤支架的相關(guān)參數(shù)主要涉及到支架最大跟蹤角度、反向跟蹤功能、支架離地高度和支架東西向間距，具體如圖1所示。

圖1 平單軸跟蹤支架的部分參數(shù)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of some parameters of horizontal single-axis tracking bracket

最大跟蹤角度決定了平單軸跟蹤支架可跟蹤的最小太陽高度角，特別是在支架東西向間距較大的情況下，適當(dāng)增大最大跟蹤角度的范圍有利于提升光伏組件表面接收的太陽輻射量。

反向跟蹤功能是指跟蹤支架為避免東西向光伏陣列之間產(chǎn)生陰影遮擋而放棄跟蹤太陽方位，從而緩慢放平光伏陣列的功能。

支架離地高度可影響雙面光伏組件背面接收太陽散射光的量，支架離地高度較高有利于提升雙面光伏組件背面的發(fā)電量增益。

支架東西向間距可影響平單軸跟蹤支架跟蹤太陽方位角度的范圍。而且在光伏電站占地面積一定的情況下，若支架東西向間距過小時(shí)，跟蹤支架為避免來自東、西方向的陰影遮擋，會(huì)放棄跟蹤太陽方位，從而造成光伏電站單位容量發(fā)電量的降低；支架東西向間距過大時(shí)，單位容量組件的占地面積增加，導(dǎo)致光伏電站總安裝容量減小，同時(shí)也會(huì)影響光伏電站的總發(fā)電量。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，最大跟蹤角度和反向跟蹤功能由設(shè)備廠家決定，支架離地高度和支架東西向間距由項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化。由于目前與光伏電站相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未提到針對(duì)平單軸跟蹤支架東西向間距的要求，因此，本文以陜西省定邊縣某光伏電站為例，通過PVsyst軟件模擬分析該光伏電站采用平單軸跟蹤支架時(shí)，支架東西向間距對(duì)該電站年發(fā)電量的影響，并探討了支架東西向間距對(duì)該電站的投資和收益變化趨勢(shì)的影響。

1 計(jì)算模型

以在陜西省定邊縣 (37.78°N、107.72°E)某裝機(jī)容量為2.5 MWp的光伏電站為例，該地的地形平坦，年水平面太陽輻射量為1609 kWh/m2；電站采用380 Wp的雙面單晶硅光伏組件，2500 kW的集中式光伏逆變器；平單軸跟蹤支架的跟蹤范圍為-60°～60°，支架寬度為2 m，具有反向跟蹤功能，支架離地高度為1.5 m，地面反射率為20%。

利用PVsyst軟件6.86版本計(jì)算該光伏電站的首年發(fā)電量。設(shè)定支架東西向間距以2.1 m為最小間距，每次遞增0.1 m，最終增至8.0 m，對(duì)比各間距下的電站年發(fā)電量。

計(jì)算逐年發(fā)電量時(shí)，假設(shè)組件發(fā)電量的年衰減率與組件功率年均衰減率相等。此計(jì)算結(jié)果已經(jīng)過實(shí)際的項(xiàng)目數(shù)據(jù)驗(yàn)證，相對(duì)合理。

2 發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在光伏電站占地面積一定的情況下，支架東西向間距不同時(shí)，會(huì)使單位容量光伏組件的占地面積不同，從而場地內(nèi)安裝的組件容量也會(huì)不同，導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電量也存在差異。支架東西向間距不同時(shí)每MW光伏組件的占地面積情況如圖2所示。當(dāng)光伏電站占地面積為1 hm2時(shí)，支架東西向間距不同時(shí)光伏組件的安裝容量與光伏電站的年發(fā)電量情況如圖3所示。

圖2 支架東西向間距不同時(shí)每MW光伏組件的占地面積Fig. 2 Area of each MW PV module at different spacing in east-west direction for bracket

圖3 支架東西向間距不同時(shí)光伏組件的安裝容量和光伏電站年發(fā)電量Fig. 3 PV module installation capacity and annual power generation of PV power station at different spacing in east-west direction for bracket

由圖2、圖3可知，支架東西向間距增大時(shí)，每MW光伏組件的占地面積呈線性增大，而光伏電站的場地面積有限，導(dǎo)致光伏組件安裝容量逐漸減小，光伏電站的年發(fā)電量也呈下降趨勢(shì)。

而隨著支架東西向間距增加，光伏組件表面接收的太陽輻射量增多，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)增加，即單位容量光伏組件的發(fā)電量增加。發(fā)電利用小時(shí)數(shù)隨支架東西向間距變化的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 支架東西向間距不同時(shí)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的變化情況Fig. 4 Variation of utilization hours of power generation at different spacing in east-west direction for bracket

結(jié)合圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支架東西向間距為2.1 m時(shí)，1 hm2土地可以安裝的光伏組件容量為1798.9 kW，光伏電站的年發(fā)電量為2547.74 MWh，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1416.3 h；當(dāng)支架東西向間距為8.0 m時(shí)，1 hm2土地可以安裝光伏組件的容量為472.2 kW，光伏電站的年發(fā)電量為929.89 MWh，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1969.3 h。經(jīng)計(jì)算，相較于支架東西向間距為8.0 m時(shí)，支架東西向間距為2.1 m時(shí)的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)減少了553.0 h，減少比例為28%；但由于單位容量光伏組件的占地面積減少了，所以1 hm2土地的光伏組件安裝容量增加了1326.7 kW，增加比例為281%；年發(fā)電量增加了1617.85 MWh，增加比例為174%。

3 支架東西向間距的優(yōu)化研究

按照光伏電站所在地的上網(wǎng)電價(jià)0.3345元/kWh和暫估的光伏電站造價(jià)4000元/kW計(jì)算，對(duì)占地為1 hm2的光伏電站在支架東西向間距不同時(shí)的建設(shè)期投資進(jìn)行了分析，并計(jì)算了其25年全壽命周期內(nèi)的年發(fā)電收益情況，具體如表1所示。

通過分析表1中建設(shè)期投資和25年全壽命周期內(nèi)支架東西向間距不同時(shí)光伏電站的年發(fā)電收益情況可以發(fā)現(xiàn)，增大支架東西向間距有利于提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，進(jìn)而有助于提升單位容量光伏組件的收益，但同時(shí)也會(huì)增加單位容量光伏組件的占地面積，導(dǎo)致單位土地面積內(nèi)的光伏組件總發(fā)電量減少，相應(yīng)的光伏電站總收益降低。

綜合單位土地面積內(nèi)的光伏電站年發(fā)電收益和光伏組件安裝容量，采用投資差額內(nèi)部收益率法[1]分析該光伏電站中最佳的支架東西向間距。投資差額內(nèi)部收益率法是指基于2個(gè)原始投資額不相等的項(xiàng)目的差量現(xiàn)金凈流量計(jì)算出差額內(nèi)部收益率，并據(jù)此判斷這2個(gè)投資項(xiàng)目優(yōu)劣的方法。當(dāng)差額內(nèi)部收益率指標(biāo)大于或等于基準(zhǔn)內(nèi)部收益率時(shí)，原始投資額大的項(xiàng)目較優(yōu)；反之，則原始投資額少的項(xiàng)目較優(yōu)。

計(jì)算支架東西向間距每遞增0.1 m時(shí)，基于建設(shè)期投資差額與年發(fā)電收益差額的差額內(nèi)部收益率情況，具體如表2所示。其中，支架東西向間距變化為(2.1)/(2.2)時(shí)的建設(shè)期投資差額是指支架東西向間距為2.1 m時(shí)的建設(shè)期投資減去支架東西向間距為2.2 m時(shí)的建設(shè)期投資，年發(fā)電收益差額是指支架東西向間距為2.2 m時(shí)的年發(fā)電收益減去支架東西向間距為2.1 m時(shí)的年發(fā)電收益；以此類推。

從表2中可以看出，隨著支架東西向間距變化中間距數(shù)值的遞增，差額內(nèi)部收益率也逐漸增大。當(dāng)基準(zhǔn)內(nèi)部收益率取10%時(shí)，自支架東西向間距從4.0 m變化至4.1 m開始，其所對(duì)應(yīng)的差額內(nèi)部收益率均大于10%，均達(dá)到了基準(zhǔn)內(nèi)部收益率的收益要求。但隨著支架東西向間距的增大，1 hm2土地安裝的光伏組件容量減小，導(dǎo)致光伏電站年發(fā)電收益減小。因此，考慮到土地利用率及電站年發(fā)電收益最大化，在當(dāng)前邊界條件下，由于支架東西向間距為4.0 m時(shí)的原始投資額較大，說明此間距為最優(yōu)的支架東西向間距。

按照上述方法，進(jìn)一步分析光伏電站造價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)對(duì)該最優(yōu)支架東西向間距的影響，可以發(fā)現(xiàn)，隨著光伏電站造價(jià)降低或是上網(wǎng)電價(jià)提高，此最優(yōu)支架東西向間距會(huì)隨之縮小。

表1 支架東西向間距不同時(shí)光伏電站的建設(shè)期投資與年發(fā)電收益變化表Table 1 Chages of construction period investment and annual power generation income of PV power station with different spacing in east-west direction for bracket

表2 支架東西向間距變化時(shí)光伏電站的建設(shè)期投資與年發(fā)電收益的差額變化表Table 2 Changes in difference between construction period investment and annual power generation income with spacing changing in east-west direction for bracket

4 結(jié)論

本文以陜西省定邊縣某光伏電站為例，借助PVsyst軟件，詳細(xì)計(jì)算了該光伏電站采用平單軸跟蹤支架時(shí)，支架東西向間距不同時(shí)電站的年發(fā)電量等內(nèi)容，得出以下結(jié)論：

1)在占地面積一定的情況下，隨著支架東西向間距的增大，有利于提高電站的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，但隨著單位容量組件占地面積的增加，組件的總安裝容量將減少，從而導(dǎo)致光伏電站的總發(fā)電量也會(huì)減少。

2)隨著支架東西向間距變化中間距數(shù)值的不斷增大，光伏電站的差額內(nèi)部收益率逐漸增大；以10%作為基準(zhǔn)收益率時(shí)，支架東西向間距由4.0 m增加到4.1 m時(shí)的差額內(nèi)部收益率達(dá)到10%以上，可滿足基準(zhǔn)內(nèi)部收益率的收益要求；由于支架東西向間距為4.0 m時(shí)該電站的原始投資額較大，因此，可判定該光伏電站最優(yōu)的支架東西向間距為4.0 m。

3)隨著光伏電站造價(jià)降低或上網(wǎng)電價(jià)提高，新的最優(yōu)支架東西向間距會(huì)在之前最優(yōu)支架東西向間距的基礎(chǔ)上有所減小。