平单轴支架应用于屋顶分布式光伏项目的经济可行性分析

浙江正泰新能源开发有限公司 ■ 陈明月 吴云来 朱高麟 陈辉 兰正权

0 引言

降低度电成本、实现平价上网已成为光伏行业的共同目标。特别是在“531”政策出台以后，光伏发电系统的降本增效更显得迫在眉睫。在2017年的光伏“领跑者”地面项目中，很多企业为了降本增效，均采用了跟踪支架。随着跟踪支架技术越来越成熟，其成本也在逐渐降低，被广泛应用于大型地面光伏电站中；然而近两年来，在屋顶分布式光伏项目中其也成为各大光伏企业投资的重点。既然跟踪支架能大幅提高地面光伏电站的系统效率，在荷载满足要求的屋顶分布式光伏项目中是否也能广泛应用跟踪支架，以达到提高系统效率、降低度电成本的目的[1]？考虑到屋顶的面积有限，而斜单轴和双轴跟踪支架的占地面积较大，因此，本文仅对平单轴支架应用于屋顶分布式光伏项目的经济可行性进行了分析研究。

1 经济分析模型

1.1 度电成本(LCOE)计算模型

度电成本(LCOE)是指光伏电系统平均每度电的发电成本，成本越低，市场竞争力越大，企业利润空间也越大，因此，降低度电成本一直是行业关注的重点。在国内，LCOE的计算模型通常为光伏电站的初始投资、25年运营维护成本及25年屋顶租金之和除以25年年均发电量，但该模型并未考虑资金的时间价值[2]。而国外的度电成本计算模型考虑了运维成本及屋顶租金在时间作用下所产生的价值，更能体现真正的成本。因此，本文采用国际上的LCOE测算模型[3]，其计算式为：

式中，I0为系统每瓦投资成本，元/Wp；P0为屋顶上安装的组件的装机容量，Wp；M为系统每年每瓦的运维成本，元/Wp；F为屋顶每年的租金，元；n为光伏发电系统运行年份，年；i为折现率，%；Qn为第n年光伏发电系统的发电量，kWh。

2 平单轴支架东西向间距按全年09:00～15:00无阴影遮挡排布的经济性分析

2.1 经济性影响因素

一般而言，对于平单轴支架的排布主要是确定其东西向间距，即按照支架无逆跟踪技术、全年09:00～15:00 无阴影遮挡时的间距计算。其计算式[4]为：

式中，L1为平单轴支架的东西向间距，m；R为组件长边长度，m；θ为平单轴支架的最大跟踪角度，(˚)；β为太阳高度角，(˚)；φ为太阳方位角，(˚)。

屋顶分布式光伏项目采用平单轴支架可实现光伏阵列实时跟踪太阳运动，使太阳光最大程度直射光伏阵列，从而增加光伏阵列接收到的太阳辐射量，以提高光伏系统的每瓦发电量。

由于平单轴支架的价格与运维成本比固定支架高，而且当采用平单轴支架按无逆跟踪技术[5]且全年09:00～15:00 无阴影遮挡的间距进行排布时，光伏发电系统的装机容量比采用固定支架时的少，再加上屋顶分布式光伏项目的屋顶大多采用租赁模式，均摊到每瓦的租金成本就会增加，因此，虽然采用平单轴支架的屋顶分布式光伏项目的每瓦发电量会增加，但其度电成本可能会比采用固定支架的高。这是因为系统成本增加的幅度比发电量增加的幅度大，而系统成本的增加量与装机容量的减少量有关，装机容量又与项目所在地的经纬度有关，系统的发电量则与项目所在地的太阳辐射量及组件排布容量有关。

为详细分析这一情况，本文选取了纬度及光照资源条件均不同的11 个地区，对在这些地区采用固定支架和平单轴支架的屋顶光伏发电系统的度电成本进行了对比分析。

2.2 度电成本的实例计算

选取的11 个地区分别为吉林长春、天津、宁夏石嘴山、山东潍坊、河南郑州、青海玉树、上海、江西南昌、云南昆明、广东汕头、广东广州，均选择面积为5760 m2的混凝土屋面(长96 m、宽60 m)。假设屋面的荷载满足设置固定支架和平单轴支架的要求。

每个地区的屋顶光伏发电系统都按固定支架和平单轴支架2 种方式进行排布。固定支架南北向间距按全年09:00～15:00 无阴影遮挡取值，平单轴支架东西向间距按无逆跟踪技术且全年09:00～15:00 无阴影遮挡来取值。分别得出不同地区采用2 种排布方式时的装机容量，然后通过PVsyst 仿真软件对每个地区2 种排布方式下的系统发电量进行测算[6]。

根据式(1)分别计算2 种排布方式时光伏发电系统的度电成本。目前，市场上采用平单轴支架的光伏发电系统的每瓦投资成本比采用固定支架的高0.3 元左右，采用平单轴支架的光伏发电系统每年每瓦的运维成本比采用固定支架的高50%。因此，2 种排布方式下的式(1)中参数的取值如表1所示。

表1 LCOE 模型中的参数取值

为了简化计算，式(1)中的Qn取年均发电量的值，则上述11 个地区分别采用2 种支架排布方式下的光伏发电系统的度电成本如表2所示。

由表2可以看出，这11 个地区即使纬度与光照资源条件均不同，但平单轴支架的东西向间距按照无逆跟踪技术且全年09:00～15:00 无阴影遮挡取值时，光伏发电系统的度电成本普遍比采用固定支架时的高，只有玉树和昆明两地例外。这说明，按照此种间距排布，平单轴支架并不适合屋顶分布式光伏项目。

表2 LCOE 计算对比表

3 平单轴支架东西向间距按经济值排布的经济性分析

3.1 平单轴支架东西向间距经济值选取分析

由于屋顶分布式光伏项目中的屋顶大多为租赁模式且租金较高，因此屋顶分布式光伏项目若采用平单轴支架，其装机容量会减少，相应地每瓦租金成本会大幅增加，导致采用此种支架的光伏发电系统的度电成本会比采用固定支架时的高。

考虑到现在平单轴支架均具有逆跟踪技术，若将平单轴支架的东西向间距适当减小，虽然此时，每瓦发电量会比东西向间距按无逆跟踪技术且全年09:00～15:00 无阴影遮挡时的发电量小，但系统的装机容量会增加。针对是否存在东西向间距的选取使度电成本最小的问题，本文选取了天津、潍坊、上海、广州4 个地区，采用平单轴支架，其东西向间距排布取值从无逆跟踪技术且全年09:00～15:00 无阴影遮挡时的间距取值开始，逐次减少0.1 m，分别计算出不同间距取值时屋顶光伏发电系统的装机容量和年均发电量；然后利用式(1)计算出各自的度电成本，并绘制出各地区平单轴支架东西向间距逐渐减少时度电成本的变化曲线，如图1～图4所示。

图1 天津地区的度电成本与支架东西向间距的关系

图2 潍坊地区的度电成本与支架东西向间距的关系

图3 上海地区的度电成本与支架东西向间距的关系

图4 广州地区的度电成本与支架东西向间距的关系

由图1～图4可以看出，屋顶分布式光伏项目采用平单轴支架时，光伏方阵东西向间距存在一个使度电成本最小的值，此值即为平单轴支架应用于屋顶分布式光伏项目时的最佳间距，用Lc表示，其对应的最小度电成本用LCOEmin表示。

3.2 LCOEmin的计算分析

表3对11 个地区的屋顶分布式光伏项目采用平单轴支架按Lc排布时的LCOEmin与采用固定支架按同样间距排布时的LCOE进行了比较。

由表3可以看出，在这11 个地区中，采用平单轴支架时，大部分高纬度(34°以上)、中纬度(25°～34°)地区的Lc为3 m，大部分低纬度(25°以下)地区的Lc值为2.5 m。在高纬度地区，LCOEmin＜LCOE；而在中、低纬度地区，LCOEmin普遍大于LCOE。由此说明，大部分高纬度地区的屋顶分布式光伏项目适合采用平单轴支架，而大部分中、低纬度地区不适合。

在实际应用中，平单轴支架的东西向间距会比Lc小，光伏发电系统的装机容量增大，则光伏发电系统的每瓦初始投资成本会相应减小，而且光伏汇集站中二次站、接入柜等设备也会均摊成本，成本会有所降低，因此光伏发电系统的LCOEmin实际值会更小。

表3 LCOEmin 计算对比表

4 结论

本文对平单轴支架应用于屋顶分布式光伏项目的经济可行性进行了分析，选取了不同纬度的11 个地区的屋顶分布式光伏项目，根据度电成本模型对采用固定支架和平单轴支架2 种排布方式时系统的LCOE进行了对比分析，得出了 以下结论：

1)当平单轴支架的东西向间距采取无逆跟踪技术且全年09:00～15:00 无阴影遮挡时的间距，11 个地区中，除了玉树和昆明两地以外，其他大部分地区采用平单轴支架光伏发电系统的LCOE比采用固定支架的都高。因此，从经济性角度来说，在这种间距排布方案下，平单轴支架不适合应用于屋顶分布式光伏项目。

2)当平单轴支架的东西向间距取值从无逆跟踪技术且全年09:00～15:00 无阴影遮挡时的值逐渐减少时，存在一个最佳间距值，该值对应最低度电成本LCOEmin。在大部分高纬度(34°以上)地区，此LCOEmin值比采用固定支架的LCOE低；而在大部分中纬度(25°～34°)、低纬度(25°以下)地区，此LCOEmin值比采用固定支架的LCOE高。这说明，从经济性角度看，在大部分高纬度地区，屋顶分布式光伏项目应用平单轴支架可降低度电成本，提高经济收益；而在大部分中、低纬度地区，平单轴支架不适合应用于屋顶分布式光伏项目。

3)大部分高、中纬度地区的平单轴支架的东西向最佳间距值Lc为3 m，而大部分低纬度地区的Lc为 2.5 m。