光伏電站內(nèi)不同光伏支架形式數(shù)量占比的研究

仲雅娟，趙大樂(lè)，趙 鷹

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

0 引言

在光伏電站中，平單軸跟蹤式光伏支架和固定式光伏支架搭配使用的情況越來(lái)越普遍。當(dāng)光伏電站采用的不同形式的光伏支架數(shù)量占比不同時(shí)，光伏電站的發(fā)電量及土建工程量、電氣工程量也會(huì)隨之發(fā)生變化。與光伏電站全部采用固定式光伏支架時(shí)相比，其全部采用平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)的發(fā)電量相對(duì)較高，但對(duì)應(yīng)的土建工程量、電氣工程量投資并非最經(jīng)濟(jì)化。本文根據(jù)中國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)的特點(diǎn)，對(duì)固定式與平單軸跟蹤式光伏支架的數(shù)量占比在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏電站全壽命周期內(nèi)全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)較優(yōu)時(shí)的數(shù)量占比范圍進(jìn)行了分析，以便于為不同太陽(yáng)能資源區(qū)內(nèi)光伏電站的經(jīng)濟(jì)性投資提供參考依據(jù)。

1 不同光伏支架形式介紹

光伏電站采用固定式光伏支架的優(yōu)點(diǎn)是施工現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、光伏支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、租地費(fèi)用少等；缺點(diǎn)是不能跟蹤太陽(yáng)高度角變化，對(duì)太陽(yáng)能資源的利用率略低。

單軸跟蹤式光伏支架形式主要分為平單軸跟蹤式和斜單軸跟蹤式。平單軸跟蹤式光伏支架是指單軸的轉(zhuǎn)軸與地面所成角度為0°，斜單軸跟蹤式光伏支架是指單軸的轉(zhuǎn)軸與地面成一定傾角。與平單軸跟蹤式光伏支架相比，斜單軸跟蹤式光伏支架的成本較高，抗風(fēng)性相對(duì)較差。因此，光伏電站采用單軸跟蹤式光伏支架時(shí)通常選擇平單軸跟蹤式光伏支架[1-3]。

綜上所述，本文對(duì)位于3類太陽(yáng)能資源區(qū)的光伏電站中不同形式光伏支架按一定數(shù)量占比時(shí)，光伏電站在全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)較優(yōu)(大于等于8%)條件下的數(shù)量占比范圍[4]進(jìn)行研究。其中，Ⅰ類太陽(yáng)能資源區(qū)以青海省海西州的德令哈地區(qū)(37.37°N、97.24°E)為例，Ⅱ類太陽(yáng)能資源區(qū)以河北省張家口市的張北縣(41.29°N、114.62°E)為例，Ⅲ類太陽(yáng)能資源區(qū)以上海地區(qū) (31.4°N、121.47°E)為例。

2 邊界條件

以上述3個(gè)已選定的地區(qū)為例，進(jìn)行如下假設(shè)：光伏電站的交流側(cè)裝機(jī)容量為50 MW，由16個(gè)3.125 MW光伏子陣構(gòu)成；采用高效p型單晶硅光伏組件，配套3125 kW的箱逆變一體機(jī)，并且固定式與平單軸跟蹤式光伏支架搭配使用。

目前，PVsyst軟件的光伏電站發(fā)電量模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，被廣泛認(rèn)可。本文采用PVsyst軟件7.2版本來(lái)模擬計(jì)算3個(gè)選定地區(qū)光伏電站25年全壽命周期內(nèi)的發(fā)電量及系統(tǒng)效率。在計(jì)算逐年發(fā)電量時(shí)，僅考慮各年的光伏組件功率衰減情況，其他影響因素認(rèn)為保持不變。

根據(jù)PVsyst 軟件自帶的Meteonorm 8.0版本提供的年水平太陽(yáng)輻射量數(shù)據(jù)：德令哈地區(qū)為1804.9 kWh/m2，張北縣為 1581.2 kWh/m2；上海地區(qū)為 1268.8 kWh/m2。

固定式光伏支架與平單軸跟蹤式光伏支架的數(shù)量占比方式為：以0% 為平單軸跟蹤式光伏支架的最低數(shù)量占比，每次的增幅為20%，最終增至100%，即研究平單軸跟蹤式光伏支架的數(shù)量占比分別為0%、20%、40% 、60% 、80%、100%時(shí)光伏電站的發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)性，以便于得到位于不同太陽(yáng)能資源區(qū)的光伏電站的固定式光伏支架與平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數(shù)量占比。

3 2種光伏支架類型不同數(shù)量占比對(duì)光伏電站發(fā)電量、工程量投資的影響

擬建光伏電站中，單個(gè)固定式光伏支架上放置52塊光伏組件，以“2×26”的方式豎向排布；單個(gè)平單軸跟蹤式光伏支架上橫向排布52塊光伏組件。下文計(jì)算時(shí)通過(guò)調(diào)整采用不同光伏支架的光伏方陣數(shù)量來(lái)調(diào)整光伏電站中固定式光伏支架與平單軸跟蹤式光伏支架的數(shù)量占比。

3.1 發(fā)電量變化情況

3.1.1 德令哈地區(qū)

利用PVsyst 軟件模擬位于德令哈地區(qū)的光伏電站的發(fā)電量，其中，固定式光伏支架采用最佳傾角38°，平單軸跟蹤式光伏支架的跟蹤角度為±45°。對(duì)平單軸跟蹤式光伏支架在不同數(shù)量占比下德令哈地區(qū)光伏電站25年的平均發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比，具體如圖1所示。

圖1 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下德令哈地區(qū)光伏電站25年的平均發(fā)電量對(duì)比Fig.1 Comparison of 25-years average power generation of PV power station in Delhi area under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

從圖1可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，德令哈地區(qū)光伏電站的25年平均發(fā)電量也不斷增加，基本呈近線性變化。

以德令哈地區(qū)光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比為0%、固定式光伏支架數(shù)量占比為100%時(shí)的25年平均發(fā)電量為基準(zhǔn)，對(duì)比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下該地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅，具體如表1所示。

從表1可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，德令哈地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅也呈增加趨勢(shì)。

表1 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下德令哈地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅Table 1 Gain value and increase of 25-years average power generation of PV power station in Delhi area under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

3.1.2 張北地區(qū)

利用PVsyst 軟件模擬位于張北縣的光伏電站的發(fā)電量，其中，固定式光伏支架采用最佳傾角39°，平單軸跟蹤式光伏支架的跟蹤角度為±45°。對(duì)平單軸跟蹤式光伏支架在不同數(shù)量占比下張北縣光伏電站25年的平均發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比，具體如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，張北縣光伏電站的25年平均發(fā)電量也不斷增加，基本呈近線性變化。

圖2 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下張北縣光伏電站25年的平均發(fā)電量對(duì)比Fig.2 Comparison of 25-years average power generation of PV power station at Zhangbei County under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

以張北縣光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比為0%、固定式光伏支架數(shù)量占比為100%時(shí)的25年平均發(fā)電量為基準(zhǔn)，對(duì)比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下該地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅，具體如表2所示。

從表2可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，張北縣光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅也呈增加趨勢(shì)。

表2 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下張北縣光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅Table 2 Gain value and increase of 25-years average power generation of PV power station at Zhangbei County under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

3.1.3 上海地區(qū)

利用PVsyst 軟件模擬位于上海地區(qū)的光伏電站的發(fā)電量，其中，固定式光伏支架采用最佳傾角25°，平單軸跟蹤式光伏支架的跟蹤角度為±45°。對(duì)平單軸跟蹤式光伏支架在不同數(shù)量占比下上海地區(qū)光伏電站25年的平均發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比，具體如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，上海地區(qū)光伏電站的20年平均發(fā)電量也隨之增加，基本呈近線性變化。

圖3 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下上海地區(qū)光伏電站25年的平均發(fā)電量對(duì)比Fig.3 Comparison of 25-years average power generation of PV power station in Shanghai City under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

以上海地區(qū)光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比為0%、固定式光伏支架數(shù)量占比為100%時(shí)的25年平均發(fā)電量為基準(zhǔn)，對(duì)比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下該地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅，具體如表3所示。

從表3可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，上海地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅也呈增加趨勢(shì)。

表3 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下上海地區(qū)光伏電站25年平均發(fā)電量的增益值及增幅Table 3 Gain value and increase of 25-years average power generation of PV power station in Shanghai City under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

3.2 工程量投資額變化情況

3.2.1 初始投資額的變化

采用固定式或平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)，光伏電站除了發(fā)電量不同之外，土建工程量也會(huì)存在差異，這種差異主要體現(xiàn)在光伏支架、支架基礎(chǔ)及場(chǎng)平的費(fèi)用不同。假設(shè)本文討論的光伏電站均建于平地之上，因此暫不考慮場(chǎng)平工程量的差異，但在實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中，平單軸跟蹤式光伏支架可能需要大量場(chǎng)平，而固定式光伏支架基本不需要場(chǎng)平。采用不同光伏支架形式時(shí)的電氣工程量也會(huì)有差異，主要體現(xiàn)在電纜量不同。而其他工程量差異則主要體現(xiàn)在征地面積、維修費(fèi)率、故障率等方面。總而言之，工程量差異會(huì)造成投資成本和財(cái)務(wù)分析方面的差異。

根據(jù)以往類似的光伏電站項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，可得出分別采用固定式與平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)在光伏支架、支架基礎(chǔ)、場(chǎng)平、電纜量、征地面積等方面的單瓦工程量差異。其中，光伏支架方面，采用平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)比采用固定式光伏支架時(shí)約高0.35元/Wp；支架基礎(chǔ)方面，采用平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)比采用固定式光伏支架時(shí)約高0.005元/Wp；電纜量方面，采用平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)比采用固定式光伏支架時(shí)約高0.002元/Wp。此外，還可以發(fā)現(xiàn)平單軸跟蹤式光伏支架的故障率比固定式光伏支架的高，由此引起的發(fā)電量損失和維修費(fèi)率也需要考慮。

以光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比為0%、固定式光伏支架數(shù)量占比為100%時(shí)光伏電站的初始投資額為基準(zhǔn)，對(duì)比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下光伏電站的初始投資差額，具體如圖4所示。

圖4 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下光伏電站的初始投資差額對(duì)比Fig.4 Comparison of initial investment difference of PV power station under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

從圖4可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，光伏電站的初始投資差額也不斷增加，基本呈線性變化。

3.2.2 維修費(fèi)率的變化

固定式光伏支架的優(yōu)點(diǎn)是光伏電站的初始投資額較低，且后期運(yùn)維過(guò)程中的維修費(fèi)用較低，甚至基本不用維修；平單軸跟蹤式光伏支架的特點(diǎn)是光伏電站的初始投資額比固定式光伏支架高，且后期運(yùn)維過(guò)程中的維修費(fèi)用較高[5]。但光伏電站采用固定式光伏支架時(shí)的發(fā)電量低于其采用平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)的發(fā)電量，且發(fā)電量提高的比例高于直接投資額增加的比例。若不考慮光伏電站的后期運(yùn)維費(fèi)用，其采用固定式光伏支架時(shí)的單位平準(zhǔn)化度電成本會(huì)高于采用平單軸跟蹤式光伏支架時(shí)的單位平準(zhǔn)化度電成本。

對(duì)于實(shí)際的光伏電站項(xiàng)目，其每年的維修費(fèi)率各不相同，為方便比較，本文將每年的維修費(fèi)率近似簡(jiǎn)化為線性增長(zhǎng)。光伏電站中，平單軸跟蹤式光伏支架的數(shù)量占比越高，引起的故障率可能也就越高，維修費(fèi)增長(zhǎng)的也就越多。平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下光伏電站的25年平均維修費(fèi)率對(duì)比如圖5所示。

圖5 平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下光伏電站的25年平均維修費(fèi)率對(duì)比Fig.5 Comparison of 25-years average maintenance rates of PV power station with different guantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets

從圖5可以看出：隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，光伏電站的25年平均維修費(fèi)率也不斷增加。

4 最佳數(shù)量占比研究

本文根據(jù)上述3個(gè)地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)、平單軸跟蹤式光伏支架各數(shù)量占比下光伏電站25年平均發(fā)電量和建設(shè)期的工程量投資額，分析平單軸跟蹤式光伏支架不同數(shù)量占比下光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率。

通過(guò)分析全壽命周期內(nèi)光伏電站的總投資額與各發(fā)電量下的年收益情況可以發(fā)現(xiàn)，平單軸跟蹤式光伏支架的數(shù)量占比越小，對(duì)應(yīng)的建設(shè)期工程量投資額越小；同一平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，隨著光伏電站各年發(fā)電量的降低，其年發(fā)電量收益也隨之降低。

本文參考上述3個(gè)地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)，在擬建光伏電站項(xiàng)目全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為8%(稅后)的情況下，反算出光伏電站采用固定式光伏支架時(shí)的建設(shè)期工程量投資額，進(jìn)而根據(jù)投資差額及維修費(fèi)率、發(fā)電量差異等推導(dǎo)出平單軸跟蹤式光伏支架各數(shù)量占比下對(duì)應(yīng)的光伏電站全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)。

4.1 德令哈地區(qū)

不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，德令哈地區(qū)光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)如圖6所示。

圖6 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，德令哈地區(qū)光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)Fig.6 Under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets，wholly-owned financial internal rate of return (after-tax) of PV power station in Delhi area

從圖6可以看出：德令哈地區(qū)作為I類太陽(yáng)能資源區(qū)，當(dāng)光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比在0%～60%區(qū)間內(nèi)時(shí)，其可以獲得較高的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)，且平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比為40%時(shí)，全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)達(dá)到峰值；當(dāng)平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比大于60%后，光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)低于8%，相較于采用固定式光伏支架時(shí)，不再具有經(jīng)濟(jì)性。綜上可知：在Ⅰ類太陽(yáng)能資源區(qū)，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數(shù)量占比推薦40%，具體取值可根據(jù)項(xiàng)目地實(shí)際情況來(lái)決定。

4.2 張北縣

不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，張北縣光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)如圖7所示。

圖7 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，張北縣光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)Fig.7 Under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets，wholly-owned financial internal rate of return (after-tax) of PV power station at Zhangbei County

從圖7可以看出：張北縣作為Ⅱ類太陽(yáng)能資源區(qū)，當(dāng)光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比在0%～40%區(qū)間內(nèi)時(shí)，其可以獲得較高的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)，且平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比為20%時(shí)，全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)達(dá)到峰值；當(dāng)平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比大于40%后，光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)低于8%，相較于采用固定式光伏支架時(shí)，不再具有經(jīng)濟(jì)性。綜上可知：在Ⅱ類太陽(yáng)能資源區(qū)，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數(shù)量占比推薦20%，具體取值可根據(jù)項(xiàng)目地實(shí)際情況來(lái)決定。

4.3 上海地區(qū)

不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，上海地區(qū)光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)如圖8所示。

圖8 不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下，上海地區(qū)光伏電站的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)Fig.8 Under different quantity proportion of flat single-axis tracking PV brackets，wholly-owned financial internal rate of return (after-tax) of PV power station in Shanghai area

從圖8可以看出：上海地區(qū)作為Ⅲ類太陽(yáng)能資源區(qū)，當(dāng)光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比增加時(shí)，其全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)呈下降趨勢(shì)，均達(dá)不到全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)8%的要求。由于此類地區(qū)的太陽(yáng)能資源較差，光伏電站的發(fā)電量增益不明顯，與運(yùn)維成本增加相比，綜合經(jīng)濟(jì)效益較差。因此，不推薦在Ⅲ類太陽(yáng)能資源區(qū)光伏電站采用平單軸跟蹤式光伏支架。

5 結(jié)論

本文以3個(gè)不同太陽(yáng)能資源區(qū)的擬建光伏電站項(xiàng)目為背景，分別從上網(wǎng)電價(jià)、平單軸跟蹤式光伏支架各數(shù)量占比下光伏電站的25年平均發(fā)電量和工程量投資額，分析了全壽命周期內(nèi)光伏電站在不同平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比下的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)，得到以下結(jié)論：

1)與全部采用固定式光伏支架相比，隨著平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比的增加，光伏電站的初始投資差額也不斷增加，基本呈線性變化；且光伏電站的25年平均維修費(fèi)率也不斷增加。

2) 在擬建光伏電站項(xiàng)目全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)為8%的情況下，反算出光伏電站采用固定式光伏支架時(shí)的工程量投資額，進(jìn)而根據(jù)投資差額及維修費(fèi)率、發(fā)電量差異等推導(dǎo)出3類太陽(yáng)能資源區(qū)中光伏電站的平單軸跟蹤式光伏支架各數(shù)量占比下對(duì)應(yīng)的全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)，并由此得到平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數(shù)量占比：針對(duì)I類太陽(yáng)能資源區(qū)，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比在0%～60%之間時(shí)可滿足全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)8%的要求，最佳數(shù)量占比推薦值為40%；針對(duì)Ⅱ類太陽(yáng)能資源區(qū)，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數(shù)量占比在0%～40%之間時(shí)可滿足全資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)8%的要求，最佳數(shù)量占比推薦值為20%；針對(duì)Ⅲ類太陽(yáng)能資源區(qū)，由于其太陽(yáng)能資源較差，不推薦該資源區(qū)光伏電站采用平單軸跟蹤式光伏支架。