光伏項目最佳傾角與間距的選擇

鄒海青，何昌炎，鄭濤平

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010)

自2020 年9 月22 日宣布“雙碳”目標(biāo)以來，我國的光伏開發(fā)建設(shè)進(jìn)入了新的高潮。而隨著光伏發(fā)電設(shè)備制造技術(shù)的迭代發(fā)展，發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本比十幾年前下降了90%以上，上網(wǎng)電價也從之前靠國家補貼的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成平價上網(wǎng)甚至市場化運行的狀態(tài)。本文主要介紹基于特定項目的條件下如何優(yōu)化系統(tǒng)的最佳傾角和間距選擇，以達(dá)到降低項目度電成本的目的。

1 概述

光伏系統(tǒng)總體投資水平已在4 000 元/kWp 左右，在不同的資源條件下，滿足投資收益要求的電價也不盡相同。但光伏電站屬于投資敏感型項目，即投資或成本的波動會帶來收益率的較大變化。因此，光伏電站的投資比較關(guān)注項目的平準(zhǔn)化度電成本[1]。

我國的光伏發(fā)電項目一般采用的是固定式安裝，根據(jù)年輻射量確定光伏組件的安裝傾角[2-5]。本文以湖北某項目為例，說明不同安裝傾角及間距選擇方式對度電成本(LCOE)的影響及傾角和間距的優(yōu)化過程。為便于研究，后續(xù)計算均選取3.15 MW 方陣作為研究對象，示例項目Solargis 太陽能資源及氣象數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 示例項目Solargis太陽能資源情況

2 常規(guī)確定安裝傾角和間距的方法

2.1 安裝傾角的選擇

傳統(tǒng)的安裝傾角和間距選擇方法較為簡單，通常是獲取項目地太陽能資源后，通過PVsyst 讀取輻射量最大的角度作為安裝傾角。具體是通過PVsyst 軟件Orientation 界面，調(diào)節(jié)不同的安裝傾角，從而得出理論的斜面總輻射量，當(dāng)總輻射量最大時，則認(rèn)為該傾角為光伏組件的最佳安裝傾角。根據(jù)圖1 中不同傾角的斜面總輻射量數(shù)據(jù)，選擇24°作為安裝傾角。

圖1 不同傾角的總輻射量

2.2 安裝間距的選擇

安裝間距的選擇需要考慮的因素分為技術(shù)因素和非技術(shù)因素。非技術(shù)方面主要考慮土地面積的限制和當(dāng)?shù)氐恼咭螅绻椖看_定了裝機容量且給定了用地范圍，則通過支架的最大間距則受到限制；另外，根據(jù)湖北省對農(nóng)光互補項目的要求(不同地區(qū)可能有不同的要求)，農(nóng)(林)光互補項目行間距(一個陣列光伏組件最高處與另一個陣列光伏組件相鄰的最低處的投影凈間距)不得低于3 m，從而可以確定項目可設(shè)置的安裝間距范圍。

光伏陣列通常成排安裝，根據(jù)《GB 50797-2012 光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》：“光伏方陣各排、列的布置應(yīng)保證每天9：00—15：00(當(dāng)?shù)卣嫣枙r)時段內(nèi)前后左右互不遮擋”，即一般要求在冬至日影子最長時，兩排光伏陣列之間的距離要保證上午9 點到下午3 點之間前排不對后排造成遮擋[6]。

假定在水平面上垂直向上豎立一根高為L的木桿，其南北方向影子的長度為Ls，L/Ls的數(shù)值稱為影子的倍率。影子的倍率主要與緯度有關(guān)，一般來說緯度越高，影子的倍率越大[7-9]。

式中：φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為?3.5°；ω為太陽時角，上午9 點的時角為－45°；α為太陽高度角；β為太陽方位角。

示例項目站址緯度為北緯30.815 8°，結(jié)合組件的尺寸及布置情況，考慮全年上午9：00 到下午3：00 后排組件不受前排組件陰影遮擋，光伏陣列安裝傾角為24°時，計算得支架前后排間距為7.7 m。

通過PVsyst 建模，按以上安裝傾角及間距計算得電站的首年發(fā)電量為4 913 MWh，對應(yīng)的前后排遮擋造成的損失約為4.2%。

3 安裝傾角與間距優(yōu)化選擇方法

3.1 確定間距條件下傾角的選擇

上文的傳統(tǒng)計算方法較為簡單快捷，不需要進(jìn)行過多的比較分析即可確定項目的安裝傾角和間距。然而，以上采用PVsyst 中簡單得出的斜面輻射量并非真正項目運行時可接受到的最大輻射量，對應(yīng)的角度也并非真正最優(yōu)的傾角[10-11]，而是理論上無窮大的平面可以接受到最大輻射量的角度，而實際應(yīng)用中光伏支架平面面積有限，前后排在早晚也是有一定的相互遮擋，因此真正的最優(yōu)安裝傾角需要在特定間距下重新優(yōu)化計算得出。具體的操作是根據(jù)以上確定的安裝間距，擬定組件安裝角度，如5°～30°，并采用PVsyst 的優(yōu)化工具或批量計算功能計算各角度下的發(fā)電量，選取發(fā)電量最大的角度為當(dāng)前間距條件下的最優(yōu)角度。經(jīng)計算，示例項目的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同傾角條件下輻射量、遮擋損失、發(fā)電量對比

從圖2 中曲線可以得出以下三個規(guī)律：

(1)隨著傾角的增加，斜面總輻射量先增加后下降，與前述常規(guī)優(yōu)選角度時的總輻射量趨勢規(guī)律類似，但總量較常規(guī)優(yōu)選角度時的輻射量要小；

(2)隨著傾角的增加，遮擋損失的比例不斷上升，而有效輻射量也呈現(xiàn)出先升高或降低的趨勢，但極值點對應(yīng)的傾角比常規(guī)方式的極值點對應(yīng)的傾角小一些[12](示例項目差了13°)；

(3)最終計算發(fā)電量的變化趨勢與有效輻射量的變化趨勢相同。

因此，可以通過減少安裝傾角來降低遮擋損失，從而提高總的有效輻射量，進(jìn)而達(dá)到提高發(fā)電量的目的。根據(jù)上面的比較分析可知，計算發(fā)電量最大的安裝傾角為15°，相應(yīng)的電量為4 988 MWh，比常規(guī)方法確定的傾角發(fā)電量高1.53%。

另外，安裝傾角由24°降低為15°后，不但可提高系統(tǒng)的總體發(fā)電量，還可能一定程度減少支架所受的風(fēng)載荷，有利于結(jié)構(gòu)安全性，甚至可能降低一定的投資，本文不作進(jìn)一步討論。

3.2 未確定間距條件下最優(yōu)傾角和間距的綜合選取

在項目的開發(fā)前期，項目的容量和間距等均未確定，如果從項目度電成本絕對最優(yōu)的角度出發(fā)，則需要考慮不同間距條件下不同傾角的發(fā)電量計算，最后再統(tǒng)一進(jìn)行比較。而間距的增加會帶來電纜用量和土地面積的增加，相應(yīng)的電纜損耗也會增加，本文假定電纜的量、電纜損耗和用地面積均隨間距的增加而等比例增加，而實際項目中需根據(jù)項目特點進(jìn)行詳細(xì)分析。假定直流電纜費用占總投資的1%，土地費用占工程總投資的6%(按20 年考慮)，則間距增加會按比例帶來總投資的上升。

采用PVsyst 模擬7.0～16.0 m 范圍內(nèi)不同間距(增量0.2 m)在5°～30°范圍內(nèi)不同安裝角度共計約1 200 個方案的發(fā)電量模擬情況，得出不同間距不同傾角條件下的發(fā)電量，可以優(yōu)選出各種間距下的安裝傾角，具體如圖3 所示。

圖3 不同間距條件下最優(yōu)傾角及發(fā)電量情況對比

由圖3 可以看出，隨著間距的增加，系統(tǒng)的發(fā)電量也會相應(yīng)增加，但間距增加的幅度會越來越??；同時，最優(yōu)傾角也會有一定增加，但當(dāng)間距大于一定范圍后，最優(yōu)傾角基本會保持不變。另外，隨著間距的增加，用地的面積和電纜費用的增加比例基本不變，但電量的增加效益會越來越小，也就是說度電成本已不會進(jìn)一步降低。

按假定條件，示例項目擴大間距帶來的投資增加比率高于電量的增加比率，則增加支架間距不會帶來項目度電成本的下降，在滿足政策及規(guī)范要求條件的間距下安裝即可[13]。實際實施項目時，間距增加帶來的投資增加受到項目土地租金和電纜價格的影響，電量帶來的收益受到當(dāng)?shù)仉妰r的影響[14-15]，因此具體項目實施時需根據(jù)項目的實際投資情況測算不同條件下的度電成本進(jìn)行綜合比較，選出最佳間距和傾角。

4 結(jié)論與建議

(1)本文分析對比了地面光伏項目傾角與間距的不同優(yōu)選方法，與常規(guī)的確定傾角方式相比，傾角優(yōu)化后可以在不增加投資的情況下帶來一定的額外電量收益。

(2)在限定土地面積和容量的條件下，支架的布置間距也相對固定，可通過固定間距條件下傾角優(yōu)化的方式確定安裝最優(yōu)安裝傾角。

(3)在不限定土地面積和容量的條件下，支架的布置間距和傾角建議通過不同間距和傾角的組合擬定方案，同時考慮土地費用、電纜費用及電纜損耗的增加進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟比選，選擇度電成本最優(yōu)的方案下的組合進(jìn)行配置。