光伏電站內不同光伏支架形式數量占比的研究

仲雅娟，趙大樂，趙 鷹

(上海電力設計院有限公司，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越普遍。當光伏電站采用的不同形式的光伏支架數量占比不同時，光伏電站的發電量及土建工程量、電氣工程量也會隨之發生變化。與光伏電站全部采用固定式光伏支架時相比，其全部采用平單軸跟蹤式光伏支架時的發電量相對較高，但對應的土建工程量、電氣工程量投資并非最經濟化。本文根據中國太陽能資源區的特點，對固定式與平單軸跟蹤式光伏支架的數量占比在一定范圍內變化時，光伏電站全壽命周期內全資財務內部收益率(稅后)較優時的數量占比范圍進行了分析，以便于為不同太陽能資源區內光伏電站的經濟性投資提供參考依據。

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點是施工現場安裝方便、光伏支架結構簡單、占地面積小、租地費用少等；缺點是不能跟蹤太陽高度角變化，對太陽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，抗風性相對較差。因此，光伏電站采用單軸跟蹤式光伏支架時通常選擇平單軸跟蹤式光伏支架[1-3]。

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

2 邊界條件

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

目前，PVsyst軟件的光伏電站發電量模擬結果具有較高的準確性，被廣泛認可。本文采用PVsyst軟件7.2版本來模擬計算3個選定地區光伏電站25年全壽命周期內的發電量及系統效率。在計算逐年發電量時，僅考慮各年的光伏組件功率衰減情況，其他影響因素認為保持不變。

根據PVsyst 軟件自帶的Meteonorm 8.0版本提供的年水平太陽輻射量數據：德令哈地區為1804.9 kWh/m2，張北縣為 1581.2 kWh/m2；上海地區為 1268.8 kWh/m2。

固定式光伏支架與平單軸跟蹤式光伏支架的數量占比方式為：以0% 為平單軸跟蹤式光伏支架的最低數量占比，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量占比分別為0%、20%、40% 、60% 、80%、100%時光伏電站的發電量及經濟性，以便于得到位于不同太陽能資源區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量占比。

3 2種光伏支架類型不同數量占比對光伏電站發電量、工程量投資的影響

擬建光伏電站中，單個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；單個平單軸跟蹤式光伏支架上橫向排布52塊光伏組件。下文計算時通過調整采用不同光伏支架的光伏方陣數量來調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量占比。

3.1 發電量變化情況

3.1.1 德令哈地區

利用PVsyst 軟件模擬位于德令哈地區的光伏電站的發電量，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°。對平單軸跟蹤式光伏支架在不同數量占比下德令哈地區光伏電站25年的平均發電量進行對比，具體如圖1所示。

圖1 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下德令哈地區光伏電站25年的平均發電量對比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量占比的增加，德令哈地區光伏電站的25年平均發電量也不斷增加，基本呈近線性變化。

以德令哈地區光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比為0%、固定式光伏支架數量占比為100%時的25年平均發電量為基準，對比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數量占比下該地區光伏電站25年平均發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量占比的增加，德令哈地區光伏電站25年平均發電量的增益值及增幅也呈增加趨勢。

表1 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下德令哈地區光伏電站25年平均發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

利用PVsyst 軟件模擬位于張北縣的光伏電站的發電量，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°。對平單軸跟蹤式光伏支架在不同數量占比下張北縣光伏電站25年的平均發電量進行對比，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量占比的增加，張北縣光伏電站的25年平均發電量也不斷增加，基本呈近線性變化。

圖2 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下張北縣光伏電站25年的平均發電量對比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量占比為0%、固定式光伏支架數量占比為100%時的25年平均發電量為基準，對比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數量占比下該地區光伏電站25年平均發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量占比的增加，張北縣光伏電站25年平均發電量的增益值及增幅也呈增加趨勢。

表2 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下張北縣光伏電站25年平均發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

利用PVsyst 軟件模擬位于上海地區的光伏電站的發電量，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°。對平單軸跟蹤式光伏支架在不同數量占比下上海地區光伏電站25年的平均發電量進行對比，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量占比的增加，上海地區光伏電站的20年平均發電量也隨之增加，基本呈近線性變化。

圖3 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下上海地區光伏電站25年的平均發電量對比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

以上海地區光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比為0%、固定式光伏支架數量占比為100%時的25年平均發電量為基準，對比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數量占比下該地區光伏電站25年平均發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量占比的增加，上海地區光伏電站25年平均發電量的增益值及增幅也呈增加趨勢。

表3 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下上海地區光伏電站25年平均發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，光伏電站除了發電量不同之外，土建工程量也會存在差異，這種差異主要體現在光伏支架、支架基礎及場平的費用不同。假設本文討論的光伏電站均建于平地之上，因此暫不考慮場平工程量的差異，但在實際工程實施過程中，平單軸跟蹤式光伏支架可能需要大量場平，而固定式光伏支架基本不需要場平。采用不同光伏支架形式時的電氣工程量也會有差異，主要體現在電纜量不同。而其他工程量差異則主要體現在征地面積、維修費率、故障率等方面。總而言之，工程量差異會造成投資成本和財務分析方面的差異。

根據以往類似的光伏電站項目工程經驗，可得出分別采用固定式與平單軸跟蹤式光伏支架時在光伏支架、支架基礎、場平、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比采用固定式光伏支架時約高0.35元/Wp；支架基礎方面，采用平單軸跟蹤式光伏支架時比采用固定式光伏支架時約高0.005元/Wp；電纜量方面，采用平單軸跟蹤式光伏支架時比采用固定式光伏支架時約高0.002元/Wp。此外，還可以發現平單軸跟蹤式光伏支架的故障率比固定式光伏支架的高，由此引起的發電量損失和維修費率也需要考慮。

以光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比為0%、固定式光伏支架數量占比為100%時光伏電站的初始投資額為基準，對比得到平單軸跟蹤式光伏支架不同數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量占比下光伏電站的初始投資差額對比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 維修費率的變化

固定式光伏支架的優點是光伏電站的初始投資額較低，且后期運維過程中的維修費用較低，甚至基本不用維修；平單軸跟蹤式光伏支架的特點是光伏電站的初始投資額比固定式光伏支架高，且后期運維過程中的維修費用較高[5]。但光伏電站采用固定式光伏支架時的發電量低于其采用平單軸跟蹤式光伏支架時的發電量，且發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維費用，其采用固定式光伏支架時的單位平準化度電成本會高于采用平單軸跟蹤式光伏支架時的單位平準化度電成本。

對于實際的光伏電站項目，其每年的維修費率各不相同，為方便比較，本文將每年的維修費率近似簡化為線性增長。光伏電站中，平單軸跟蹤式光伏支架的數量占比越高，引起的故障率可能也就越高，維修費增長的也就越多。平單軸跟蹤式光伏支架不同數量占比下光伏電站的25年平均維修費率對比如圖5所示。

圖5 平單軸跟蹤式光伏支架不同數量占比下光伏電站的25年平均維修費率對比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量占比的增加，光伏電站的25年平均維修費率也不斷增加。

4 最佳數量占比研究

本文根據上述3個地區的上網電價、平單軸跟蹤式光伏支架各數量占比下光伏電站25年平均發電量和建設期的工程量投資額，分析平單軸跟蹤式光伏支架不同數量占比下光伏電站的全資財務內部收益率。

通過分析全壽命周期內光伏電站的總投資額與各發電量下的年收益情況可以發現，平單軸跟蹤式光伏支架的數量占比越小，對應的建設期工程量投資額越小；同一平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，隨著光伏電站各年發電量的降低，其年發電量收益也隨之降低。

本文參考上述3個地區的上網電價，在擬建光伏電站項目全資財務內部收益率為8%(稅后)的情況下，反算出光伏電站采用固定式光伏支架時的建設期工程量投資額，進而根據投資差額及維修費率、發電量差異等推導出平單軸跟蹤式光伏支架各數量占比下對應的光伏電站全資財務內部收益率(稅后)。

4.1 德令哈地區

不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，德令哈地區光伏電站的全資財務內部收益率(稅后)如圖6所示。

圖6 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，德令哈地區光伏電站的全資財務內部收益率(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：德令哈地區作為I類太陽能資源區，當光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比在0%～60%區間內時，其可以獲得較高的全資財務內部收益率(稅后)，且平單軸跟蹤式光伏支架數量占比為40%時，全資財務內部收益率(稅后)達到峰值；當平單軸跟蹤式光伏支架數量占比大于60%后，光伏電站的全資財務內部收益率(稅后)低于8%，相較于采用固定式光伏支架時，不再具有經濟性。綜上可知：在Ⅰ類太陽能資源區，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數量占比推薦40%，具體取值可根據項目地實際情況來決定。

4.2 張北縣

不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，張北縣光伏電站的全資財務內部收益率(稅后)如圖7所示。

圖7 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，張北縣光伏電站的全資財務內部收益率(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類太陽能資源區，當光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比在0%～40%區間內時，其可以獲得較高的全資財務內部收益率(稅后)，且平單軸跟蹤式光伏支架數量占比為20%時，全資財務內部收益率(稅后)達到峰值；當平單軸跟蹤式光伏支架數量占比大于40%后，光伏電站的全資財務內部收益率(稅后)低于8%，相較于采用固定式光伏支架時，不再具有經濟性。綜上可知：在Ⅱ類太陽能資源區，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數量占比推薦20%，具體取值可根據項目地實際情況來決定。

4.3 上海地區

不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，上海地區光伏電站的全資財務內部收益率(稅后)如圖8所示。

圖8 不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下，上海地區光伏電站的全資財務內部收益率(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：上海地區作為Ⅲ類太陽能資源區，當光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比增加時，其全資財務內部收益率(稅后)呈下降趨勢，均達不到全資財務內部收益率(稅后)8%的要求。由于此類地區的太陽能資源較差，光伏電站的發電量增益不明顯，與運維成本增加相比，綜合經濟效益較差。因此，不推薦在Ⅲ類太陽能資源區光伏電站采用平單軸跟蹤式光伏支架。

5 結論

本文以3個不同太陽能資源區的擬建光伏電站項目為背景，分別從上網電價、平單軸跟蹤式光伏支架各數量占比下光伏電站的25年平均發電量和工程量投資額，分析了全壽命周期內光伏電站在不同平單軸跟蹤式光伏支架數量占比下的全資財務內部收益率(稅后)，得到以下結論：

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年平均維修費率也不斷增加。

2) 在擬建光伏電站項目全資財務內部收益率(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的工程量投資額，進而根據投資差額及維修費率、發電量差異等推導出3類太陽能資源區中光伏電站的平單軸跟蹤式光伏支架各數量占比下對應的全資財務內部收益率(稅后)，并由此得到平單軸跟蹤式光伏支架的最佳數量占比：針對I類太陽能資源區，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比在0%～60%之間時可滿足全資財務內部收益率(稅后)8%的要求，最佳數量占比推薦值為40%；針對Ⅱ類太陽能資源區，光伏電站中平單軸跟蹤式光伏支架數量占比在0%～40%之間時可滿足全資財務內部收益率(稅后)8%的要求，最佳數量占比推薦值為20%；針對Ⅲ類太陽能資源區，由于其太陽能資源較差，不推薦該資源區光伏電站采用平單軸跟蹤式光伏支架。