基于最低度电成本的光伏安装倾角与间距的优化

朱军峰

摘要：在光伏电站建设中，光伏电站在安装场地确定之后，往往确定光伏组件的最佳安装倾角与安装间距成了困扰光伏电站设计的最大问题，本文通过研究光伏电站度电成本的基本概念，分析了光伏组件安装倾角与安装间距对度电成本的影响，以便找到最佳的安装倾角与安装间距。本文以国外某大型光伏电站投标为基础，通过PVsyst仿真软件进行模拟不同的安装倾角与安装间距的方案，比较各个方案下的度电成本，找到最低度电成本时的安装倾角与安装间距。

关键词：安装倾角;安装间距;PVsyst;度电成本

引言

近年来，我国光伏产业迅速发展，应用规模逐渐扩大，装机容量自2015年起已稳居世界第一，在我国能源转型中发挥着越来越重要的作用。截至2019年底，累计光伏并网装机量达到204.3GW，全年光伏发电量2242.6亿千瓦时，占我国全年总发电量的3.1%[1]。

度电成本LCOE（Levelized cost of energy/ Levelized cost of electricity）是国际上通用的评价电力能源生产成本的指标，也是国际能源工程尤其是新能源工程进行特许经营权、EPC工程招投标的核心评价指标[2]。

相关文献[3-4]对光伏组件的安装倾角和安装间距也都进行了研究，但缺乏对安装倾角与安装间距的相互影响和综合考虑。为了进一步说明问题，本文以国外某大型光伏电站投标为基础，使用瑞士的PVsyst光伏软件实验室研发的PVsyst仿真软件进行建模，对不同安装间距与不同安装倾角下光伏电站度电成本进行比较分析，找到最低度电成本时的安装间距与安装倾角。

1光伏电站度电成本LCOE评估模型

光伏电站的度电成本LCOE是设计过程中最关键的技术指标，并网光伏发电项目的 LCOE 评估模型[2]：

式中，T—建设期的年限;CPVi—光伏区建设投资;CCIi—辅助工程的建设投资，包括光伏电站的交通、输变电工程、生活管理设施等建设投资;COMi—生产期的运营维护成本;p—折现率;Ei—系统第i年的发电量。

针对一个确定的光伏工程，其项目建设场地、建设期年限、折现率均可视为定值，通过前期外部环境考察及相关部门协调，基本外部辅助工程的建设投资及辅助工程的维护费用也都基本确定;目前国内光伏电站的运维费用一般以电站装机容量计算，在本文对光伏电站安装倾角与安装间距变化分析时会引起装机规模的微小变化，就会影响后期光伏电站的运维费用的计算，但这个变化量较小，为了便于研究分析，在一定程度上可以认为光伏电站后期运维费用是一个固定值。

2 安装倾角与安装间距初值

安装倾角计算

光伏组件的安装倾角对光伏发电系统的效率影响较大，为了使得光伏组件面上所接收的年总辐射量达到最大值，应使得光伏组件表面朝向太阳有一定的倾斜角度，该倾角的确定方法有很多种，一般根据项目所在地纬度，参考GB50797《光伏发电站设计规范》附录B中我国各个纬度上城市的并网发电光伏电站的最佳倾角参考值;也可以通过PVsyst软件的仿真年发电量最大时光伏组件斜面上获得辐射值最大时的倾角，综合两者考虑确定。

安装间距计算

在计算光伏组件的安装间距时，一般的计算原则是依据《光伏发电站设计规范》中关于光伏方阵布置要求，即一年中冬至日太阳高度角最低，方阵间距D应大于冬至日真太阳时9：00～15：00时的阴影的最大长度，保证在该时段不发生阴影遮挡，则光伏阵列一年之中太陽能辐射较佳利用范围内就不会发生阴影遮挡。

3 安装倾角与安装间距优化

当光伏组件在安装间距确定的情况下，随着安装倾角的增加，光伏组件斜面上接收到的辐射量就会增加，发电量也就会增加;但同时随着安装倾角的增加，光伏组件背面阴影就会越长，导致后排组件遮挡就会越严重，发电量就会因遮挡而下降。

当光伏组件在安装倾角确定的情况下，随着安装间距的增加，相互遮挡越小，则组件接收的直接辐射量越多，散射辐射量也会增加，发电量也就会增多;但同时随着安装间距的增加，光伏电站占地面积就会增加;在项目占地面积一定的情况下，减小安装间距，可以增加安装容量，虽然增加了部分成本，但是在一定间距范围内获得的发电量的增加，使得整个光伏电站的度电成本会降低，但当减少安装间距又会造成前后排组件遮挡，要获得更高的发电量可以减小安装倾角。

利用PVsyst仿真软件分别对安装间距和安装倾角为单变量变化时的变化图，比较在不同安装间距和不同安装倾角下的发电量。随着安装倾角的增加，输出总发电量增加，但到了一定程度后，再增加安装倾角，会引起后排组件的遮挡，从而造成发电量的减少;由图中还可以得出，光伏组件的实际最佳安装倾角较前章节计算得出的值小，那是因为前章节计算得到的最佳倾角为单排布置时，并未考虑前后排遮挡情况下对总发电量的影响;在固定安装倾角时，输出总发电量随着安装间距的增加而增加。

当安装倾角与安装间距两个变量同时变动时，光伏电站的发电量输出及项目的度电成本变化就会变得非常复杂，因此对其研究也就会变得非常困难，针对这个问题，本文针对不同倾角和不同安装间距做了大量方案，并利用PVsyst仿真软件逐一建模，对这些方案逐一进行整个生命周期内的发电量模拟与整个项目度电成本计算，并进行比较分析，绘制度电成本曲线图。从图中可以很容易找到最低度电成本时采用的方案，从而也就可以很好地确定光伏电站组件的最佳安装倾角和最佳安装间距。

4 结论

通过本文分析，在光伏电站方案设计阶段，最优度电成本基础上确定的安装倾角和安装间距，可以使光伏电站的投资效益最大化。本文提出的优化方法对不同地点、不同规模和不同投资策略的项目设计提供很好借鉴。

参考文献：

[1]王勃华.中国光伏行业2019年回顾与2020年展望.2020.2.

[2]吴江，李晟.基于度电成本指标的光伏电站装机规模优化设计.冶金动力.2019.7（7），16-18.

[3]杨光勇，陈贶等.不同安装倾角的光伏系统发电量分析.有色冶金节能.2014.10（5），50-54.

[4]刘国忠，范忠瑶等.不同安装倾角对光伏电站发电量的影响研究.太阳能学报.2015.12（36），2973-2978.