平单轴跟踪支架东西向间距的优化研究

袁炜东

(上海电力设计院有限公司，上海200025)

0 引言

近年来，随着各个“领跑者”基地的逐步建设，我国光伏行业发展迅速；同时，受政策调整的影响，行业竞争也在逐渐加剧。光伏企业只有不断优化技术，降低度电成本，尽快结束对国家补贴的依赖，才能顺利迎来平价上网时期。

平单轴跟踪支架是一种南北向排布、旋转轴水平布置、东西向跟踪太阳角度变化的支架，与固定式支架相比，此类支架在中、低纬度地区能更充分地利用太阳能资源，大幅提高光伏组件的发电量，降低度电成本；而双面光伏组件与平单轴跟踪支架相结合又可以进一步提高光伏组件的发电量，因此此种结合方式在国内开始得到广泛应用。

光伏组件的发电量取决于其表面所接收的太阳辐射量，理论上安装于平单轴跟踪支架上的光伏组件，其表面接收的最大太阳辐射量是由项目所在地的太阳辐射资源条件和平单轴跟踪支架的相关参数共同决定的。其中，平单轴跟踪支架的相关参数主要涉及到支架最大跟踪角度、反向跟踪功能、支架离地高度和支架东西向间距，具体如图1所示。

图1 平单轴跟踪支架的部分参数示意图Fig. 1 Schematic diagram of some parameters of horizontal single-axis tracking bracket

最大跟踪角度决定了平单轴跟踪支架可跟踪的最小太阳高度角，特别是在支架东西向间距较大的情况下，适当增大最大跟踪角度的范围有利于提升光伏组件表面接收的太阳辐射量。

反向跟踪功能是指跟踪支架为避免东西向光伏阵列之间产生阴影遮挡而放弃跟踪太阳方位，从而缓慢放平光伏阵列的功能。

支架离地高度可影响双面光伏组件背面接收太阳散射光的量，支架离地高度较高有利于提升双面光伏组件背面的发电量增益。

支架东西向间距可影响平单轴跟踪支架跟踪太阳方位角度的范围。而且在光伏电站占地面积一定的情况下，若支架东西向间距过小时，跟踪支架为避免来自东、西方向的阴影遮挡，会放弃跟踪太阳方位，从而造成光伏电站单位容量发电量的降低；支架东西向间距过大时，单位容量组件的占地面积增加，导致光伏电站总安装容量减小，同时也会影响光伏电站的总发电量。

在实际工程项目中，最大跟踪角度和反向跟踪功能由设备厂家决定，支架离地高度和支架东西向间距由项目的设计人员进行优化。由于目前与光伏电站相关的设计规范中尚未提到针对平单轴跟踪支架东西向间距的要求，因此，本文以陕西省定边县某光伏电站为例，通过PVsyst软件模拟分析该光伏电站采用平单轴跟踪支架时，支架东西向间距对该电站年发电量的影响，并探讨了支架东西向间距对该电站的投资和收益变化趋势的影响。

1 计算模型

以在陕西省定边县 (37.78°N、107.72°E)某装机容量为2.5 MWp的光伏电站为例，该地的地形平坦，年水平面太阳辐射量为1609 kWh/m2；电站采用380 Wp的双面单晶硅光伏组件，2500 kW的集中式光伏逆变器；平单轴跟踪支架的跟踪范围为-60°～60°，支架宽度为2 m，具有反向跟踪功能，支架离地高度为1.5 m，地面反射率为20%。

利用PVsyst软件6.86版本计算该光伏电站的首年发电量。设定支架东西向间距以2.1 m为最小间距，每次递增0.1 m，最终增至8.0 m，对比各间距下的电站年发电量。

计算逐年发电量时，假设组件发电量的年衰减率与组件功率年均衰减率相等。此计算结果已经过实际的项目数据验证，相对合理。

2 发电量计算结果对比

在光伏电站占地面积一定的情况下，支架东西向间距不同时，会使单位容量光伏组件的占地面积不同，从而场地内安装的组件容量也会不同，导致光伏电站的发电量也存在差异。支架东西向间距不同时每MW光伏组件的占地面积情况如图2所示。当光伏电站占地面积为1 hm2时，支架东西向间距不同时光伏组件的安装容量与光伏电站的年发电量情况如图3所示。

图2 支架东西向间距不同时每MW光伏组件的占地面积Fig. 2 Area of each MW PV module at different spacing in east-west direction for bracket

图3 支架东西向间距不同时光伏组件的安装容量和光伏电站年发电量Fig. 3 PV module installation capacity and annual power generation of PV power station at different spacing in east-west direction for bracket

由图2、图3可知，支架东西向间距增大时，每MW光伏组件的占地面积呈线性增大，而光伏电站的场地面积有限，导致光伏组件安装容量逐渐减小，光伏电站的年发电量也呈下降趋势。

而随着支架东西向间距增加，光伏组件表面接收的太阳辐射量增多，发电利用小时数增加，即单位容量光伏组件的发电量增加。发电利用小时数随支架东西向间距变化的变化趋势如图4所示。

图4 支架东西向间距不同时发电利用小时数的变化情况Fig. 4 Variation of utilization hours of power generation at different spacing in east-west direction for bracket

结合图3、图4可以发现，当支架东西向间距为2.1 m时，1 hm2土地可以安装的光伏组件容量为1798.9 kW，光伏电站的年发电量为2547.74 MWh，发电利用小时数为1416.3 h；当支架东西向间距为8.0 m时，1 hm2土地可以安装光伏组件的容量为472.2 kW，光伏电站的年发电量为929.89 MWh，发电利用小时数为1969.3 h。经计算，相较于支架东西向间距为8.0 m时，支架东西向间距为2.1 m时的发电利用小时数减少了553.0 h，减少比例为28%；但由于单位容量光伏组件的占地面积减少了，所以1 hm2土地的光伏组件安装容量增加了1326.7 kW，增加比例为281%；年发电量增加了1617.85 MWh，增加比例为174%。

3 支架东西向间距的优化研究

按照光伏电站所在地的上网电价0.3345元/kWh和暂估的光伏电站造价4000元/kW计算，对占地为1 hm2的光伏电站在支架东西向间距不同时的建设期投资进行了分析，并计算了其25年全寿命周期内的年发电收益情况，具体如表1所示。

通过分析表1中建设期投资和25年全寿命周期内支架东西向间距不同时光伏电站的年发电收益情况可以发现，增大支架东西向间距有利于提高发电利用小时数，进而有助于提升单位容量光伏组件的收益，但同时也会增加单位容量光伏组件的占地面积，导致单位土地面积内的光伏组件总发电量减少，相应的光伏电站总收益降低。

综合单位土地面积内的光伏电站年发电收益和光伏组件安装容量，采用投资差额内部收益率法[1]分析该光伏电站中最佳的支架东西向间距。投资差额内部收益率法是指基于2个原始投资额不相等的项目的差量现金净流量计算出差额内部收益率，并据此判断这2个投资项目优劣的方法。当差额内部收益率指标大于或等于基准内部收益率时，原始投资额大的项目较优；反之，则原始投资额少的项目较优。

计算支架东西向间距每递增0.1 m时，基于建设期投资差额与年发电收益差额的差额内部收益率情况，具体如表2所示。其中，支架东西向间距变化为(2.1)/(2.2)时的建设期投资差额是指支架东西向间距为2.1 m时的建设期投资减去支架东西向间距为2.2 m时的建设期投资，年发电收益差额是指支架东西向间距为2.2 m时的年发电收益减去支架东西向间距为2.1 m时的年发电收益；以此类推。

从表2中可以看出，随着支架东西向间距变化中间距数值的递增，差额内部收益率也逐渐增大。当基准内部收益率取10%时，自支架东西向间距从4.0 m变化至4.1 m开始，其所对应的差额内部收益率均大于10%，均达到了基准内部收益率的收益要求。但随着支架东西向间距的增大，1 hm2土地安装的光伏组件容量减小，导致光伏电站年发电收益减小。因此，考虑到土地利用率及电站年发电收益最大化，在当前边界条件下，由于支架东西向间距为4.0 m时的原始投资额较大，说明此间距为最优的支架东西向间距。

按照上述方法，进一步分析光伏电站造价和上网电价对该最优支架东西向间距的影响，可以发现，随着光伏电站造价降低或是上网电价提高，此最优支架东西向间距会随之缩小。

表1 支架东西向间距不同时光伏电站的建设期投资与年发电收益变化表Table 1 Chages of construction period investment and annual power generation income of PV power station with different spacing in east-west direction for bracket

表2 支架东西向间距变化时光伏电站的建设期投资与年发电收益的差额变化表Table 2 Changes in difference between construction period investment and annual power generation income with spacing changing in east-west direction for bracket

4 结论

本文以陕西省定边县某光伏电站为例，借助PVsyst软件，详细计算了该光伏电站采用平单轴跟踪支架时，支架东西向间距不同时电站的年发电量等内容，得出以下结论：

1)在占地面积一定的情况下，随着支架东西向间距的增大，有利于提高电站的发电利用小时数，但随着单位容量组件占地面积的增加，组件的总安装容量将减少，从而导致光伏电站的总发电量也会减少。

2)随着支架东西向间距变化中间距数值的不断增大，光伏电站的差额内部收益率逐渐增大；以10%作为基准收益率时，支架东西向间距由4.0 m增加到4.1 m时的差额内部收益率达到10%以上，可满足基准内部收益率的收益要求；由于支架东西向间距为4.0 m时该电站的原始投资额较大，因此，可判定该光伏电站最优的支架东西向间距为4.0 m。

3)随着光伏电站造价降低或上网电价提高，新的最优支架东西向间距会在之前最优支架东西向间距的基础上有所减小。