基于LCOE的光伏支架选型研究

张德晶，贺广零，赵前波，王韶纤，胡海罗

(湖南三一智慧新能源设计有限公司，长沙 410100)

0 引言

随着中国“3060双碳”目标集结号的吹响，光伏行业迎来了新一波发展机遇。光伏发电技术不断更新、设备成本持续降低，将成为中国能源结构改革的重要方向之一。在传统的地面光伏发电项目的设计中，通常会采用固定式光伏支架(下文简称为“固定支架”)作为光伏方阵的支撑结构，从而可减少用钢量，达到降低项目建设成本的目的。近年来，有不少研究及实际应用发现，采用光伏跟踪支架可以提升光伏发电系统接收的总太阳辐射量，从而提升其发电量。

平准化度电成本(LCOE)可以平衡光伏发电系统的土地资源利用情况及发电量之间的关系。因此，以LCOE作为评价指标指导光伏发电系统选择合理的光伏支架类型作为其支撑结构，以实现收益最大化[1]。

本文以不同类型的光伏支架作为研究对象，采用PVsyst软件，根据不同类型光伏支架的特点，通过数值模拟方法建立不同纬度地区、不同光照资源条件下的光伏方阵模型，并对采用不同类型光伏支架时光伏方阵的发电量及LCOE差异进行分析研究，以LCOE作为评价指标指导光伏支架的选型。

1 光伏支架的类型

光伏支架是光伏方阵的支撑结构，按照能否自动跟随太阳转动，光伏支架可分为固定支架、固定可调式光伏支架(下文简称为“固定可调支架”)和光伏跟踪支架。

1)固定支架的结构形式简单、技术门槛较低，对地基精度的要求较低；采用固定支架时，光伏方阵的相对占地面积较少、初始投资低，且除了日常巡检外无需特殊维护，运营维护成本低。

2)固定可调支架可进行一年两次或一年多次的光伏组件安装倾角调节，以提高光伏方阵接收的总太阳辐射量，从而增加其发电量；但采用固定可调支架会增加光伏方阵的占地面积，从而增加用地成本。

3)光伏跟踪支架的结构形式比较复杂，技术门槛较高，对地基精度的要求高；采用光伏跟踪支架时，光伏方阵的占地面积较大且初始投资与运营维护成本均较高。根据旋转轴个数及旋转轴角度不同，光伏跟踪支架可分为平面单轴光伏跟踪支架(下文简称为“平单轴支架”)、斜面单轴光伏跟踪支架、平面斜单轴光伏跟踪支架(下文简称为“斜单轴支架”)和双轴光伏跟踪支架。

2 光伏方阵模型的项目参数模拟设置

2.1 项目设置

中国幅员辽阔，南北跨越的纬度近50°。本文对中国不同纬度、不同光照资源条件(折算为“理论年平均发电小时数”体现)下光伏方阵采用不同类型光伏支架时的占地面积、发电量及LCOE的差异进行研究。

在中国陆地纬度范围内，以纬度间隔10°作为1个区段，共分为5个区段；然后从这5个区段中选取7个典型地区，利用PVsyst软件建立这7个典型地区的光伏方阵模型，并对光伏方阵分别采用固定支架、固定可调支架、平单轴支架、斜单轴支架时的情况进行模拟仿真。由于斜面平单轴光伏跟踪支架及双轴光伏跟踪支架在实际工程中的应用较少，因此本文不做研究。7个典型地区的年均发电小时数情况如表1所示。

表1 7个典型地区的年均发电小时数情况Table 1 Average annual power generation hours in seven typical regions

2.2 光伏方阵设置

为减少光伏方阵参数差异对研究结果的影响，光伏方阵模型均采用540 Wp双面双玻光伏组件；4台225 kW逆变器，交流侧总装机容量为0.9 MW；公用系统部分均采用相同配置；相同纬度区段的光伏方阵容配比一致；工程建设中与场址相关的内容均无需考虑差异问题[2-4]。

2.2.1 光伏组件的技术参数

光伏组件均选用隆基乐叶光伏科技有限公司生产的LR5-72 HBD 540M 型双面双玻光伏组件，尺寸为2256 mm×1133 mm×35 mm，面积为2.556 m2；单块光伏组件由72片太阳电池组成，最大输出功率为540 Wp，工作电流为13.13 A，工作电压为41.2 V，短路电流为13.85 A，光电转换效率为21.15%。以上光伏组件技术参数来源于PVsyst软件内置PAN文件。

2.2.2 逆变器的技术参数

逆变器选用阳光电源股份有限公司(下文简称为“阳光电源”)生产的SG225HX型逆变器，额定功率为225 kW，工作电压为1080 V，最大输入电压为1500 V；该逆变器一共有12路MPPT，共可接入24串光伏组串，最大转换效率为99.01%。以上逆变器技术参数来源于阳光电源提供的OND文件。

2.3 光伏方阵建模

由于光伏方阵受阴影遮挡、线损和环境温度等因素的影响，太阳辐射量与光伏方阵发电量的增益比例不完全一致。利用PVsyst软件对采用不同光伏支架时光伏方阵的发电量进行模拟仿真，具体流程如图1所示。

2.3.1 建立站点文件

以格尔木市(36.40°N)为例(纬度属于区段3)。通过PVsyst软件的数据库合成当地站点文件，并选用内置的数据库Meteonorm 8生成光伏方阵所在地的水平面总太阳辐射量、水平面太阳散射辐射量、环境温度、风速、大气浑浊因子、相对湿度等数据。站点文件中的气象情况如图2所示。

图2 站点文件中的气象情况Fig. 2 Meteorological conditions in the site file

2.3.2 新建项目

1)选择光伏支架类型。建立光伏方阵模型时，光伏支架的配置方案分别选择“固定朝向的采光面”“朝向季节性可调”“跟踪系统，水平N-S轴”“跟踪系统，斜单轴”这4种朝向参数。PVsyst软件中光伏支架配置方案的选择界面如图3所示。

图3 PVsyst软件中光伏支架配置方案的选择界面Fig. 3 Selection interface of PV brackets configuration scheme in PVsyst software

2)确定光伏组件最佳安装倾角。利用PVsyst软件分析并计算不同地区的光伏方阵采用不同类型光伏支架时的光伏组件最佳安装倾角，并设置相关参数。

光伏方阵采用固定支架时，光伏组件最佳安装倾角的选取原则为：采光面接收的年总太阳辐射量中“相较最优的损失”为0.0%，且采光面接收的总太阳辐射量值最大。经试算，格尔木市光伏方阵采用固定支架时的光伏组件最佳安装倾角为39°[5]，其计算界面如图4所示。

图4 采用固定支架时光伏组件最佳安装倾角的计算界面Fig. 4 Calculation interface of optimal installation angle of PV modules with fixed brackets

光伏方阵采用固定可调支架时光伏组件最佳安装倾角的选取原则为：夏季及冬季采光面接收的总太阳辐射量中“相较最优的损失”为0.0%，且采光面接收的总太阳辐射量值最大。经试算，格尔木市光伏方阵采用固定可调支架时，在夏季，光伏组件最佳安装倾角为20°；在冬季，光伏组件最佳安装倾角为50°。

平单轴支架的旋转轴沿南北向布置，根据厂家提供的产品参数，南北轴与水平面倾斜角为0°，跟踪角度范围为±45°。

斜单轴支架的旋转轴沿南北向布置，根据厂家提供的产品参数，南北轴与水平面倾斜角为15°，跟踪角度范围为±45°。

3)光伏方阵的系统配置。以“540 Wp双面双玻光伏组件，4台225 kW逆变器，交流侧总装机容量为0.9 MW”作为光伏方阵模型的典型设置参数，且同一地区光伏方阵中的光伏组件总数设为定值，不同光伏支架类型时光伏组件的串联数与光伏组串的并联数均相同，公用系统部分均为统一配置。软件中光伏方阵的系统配置界面如图5所示。

图5 软件中光伏方阵的系统配置界面Fig. 5 System configuration interface of PV array in the software

4)光伏方阵的损失设置。PVsyst软件中，光伏方阵模型的损失设置包括热损、线损、光伏组件品质损失、污秽损失、入射角(IAM)损失、辅助设备损失、老化损失、失效度和光谱校正等。光伏方阵采用不同类型光伏支架时的损失基础数据设置值一致。

5)光伏阵列间距(即光伏阵列的南北间距)设置。根据 GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，光伏组件相互不产生阴影遮挡的要求为：光伏方阵内各排、列及光伏方阵之间的布置间距应保证每天09:00～15:00(当地真太阳时)时段内光伏组件前、后、左、右都互不遮挡。本文的光伏阵列间距设置采用PVsyst软件内置的日照模型，可以满足规范要求。

2.3.3 建立光伏方阵模型

根据光伏方阵系统设置中光伏组串的数量，针对不同类型光伏支架各自的特点，结合其产品参数，分别建立光伏方阵模型。采用不同类型光伏支架的光伏方阵模型分别如图6～图9所示。

图6 采用固定支架的光伏方阵模型Fig. 6 Model of PV array with fixed brackets

图7 采用固定可调支架的光伏方阵模型Fig. 7 Model of PV array with fixed adjustable brackets

图8 采用平单轴支架的光伏方阵模型Fig. 8 Model of PV array with horizontal single axis brackets

图9 采用斜单轴支架的光伏方阵模型Fig. 9 Model of PV array with inclined single axis brackets

2.3.4 不同地区的光伏方阵建模

上文以格尔木市为例，介绍了采用不同类型光伏支架时光伏方阵的建模过程。根据上文所述建模方法，采用PVsyst软件对其余6个典型地区光伏方阵进行建模，并进行光伏方阵的仿真运算。建模合理性验证参见《高性能光伏电站设计技术研究报告》[6]。

3 仿真结果分析

3.1 光伏方阵的占地面积及发电量比较

通过PVsyst软件的优化功能，针对不同地区采用不同类型光伏支架的光伏方阵，分别选取合适的光伏组件最佳安装倾角及光伏阵列间距，计算得出各光伏方阵的占地面积及发电量情况，并对同一光伏方阵采用不同类型光伏支架时的占地面积及发电量情况进行对比分析，具体结果如表2所示。

表2 不同地区的光伏方阵采用不同类型光伏支架时的占地面积、发电量Table 2 Occupy area，power generation capacity of PV arrays with different types of PV brackets in different regions

3.1.1 光伏方阵占地面积的对比

在中国，同一地点夏季时的光伏组件最佳安装倾角小于年最佳安装倾角，冬季时的光伏组件最佳安装倾角大于年最佳安装倾角。光伏组件最佳安装倾角越大，光伏阵列的南北间距就会越大，因此，若要安装相同数量的光伏组件，所需要的土地面积就越大。

由表2可知，采用不同类型光伏支架时光伏方阵的占地面积从大到小的排序为：斜单轴支架＞平单轴支架 ≥ 固定可调支架＞固定支架。

在低纬度地区(如三亚市、长沙市)，由于太阳高度角较小，光伏组件最佳安装倾角较小，光伏方阵采用固定支架时的占地面积较小，因此以该占地面积数据作为对照组时，采用固定可调支架及光伏跟踪支架时的占地面积增幅较大。在中纬度地区(如格尔木市、兰州市、二连浩特市、哈密市)和高纬度地区(如漠河市)，光伏组件最佳安装倾角较大，光伏方阵采用固定支架时的占地面积也较大，因此以该占地面积数据作为对照组时，采用固定可调支架与光伏跟踪支架时的占地面积增幅较小。

不同地区光伏方阵采用不同类型光伏支架时的占地面积对比情况如图10所示。

图10 不同地区的光伏方阵采用不同类型光伏支架时的占地面积对比情况Fig. 10 Comparison of occupy areas of PV array with different types of PV brackets in different regions

从图10可以看出，除高纬度地区外，与光伏方阵采用固定支架时的占地面积相比，采用固定可调支架时的占地面积增幅为4%～28%，采用平单轴支架时的占地面积增幅为6%～31%，采用斜单轴支架时的占地面积增幅为24%～80%。

从图10还可以看出，随着纬度由低到高，对于同种支架类型而言，光伏方阵占地面积的增幅逐渐减小。在高纬度地区，由于南北向阴影较长，需要较大光伏阵列南北间距，对占地面积的影响较大；东西向阴影较短，对占地面积的影响较小。所以光伏方阵采用绕南北轴转动的平单轴支架时的占地面积小于其采用固定支架时的占地面积。以漠河市(52.97°N)为例，光伏方阵采用平单轴支架时的占地面积比其采用固定支架时的占地面积减小了49%。

3.1.2 光伏方阵发电量的对比

由表2可知：与光伏方阵采用固定支架时的发电量相比，其采用固定可调支架时的发电量提升比例为2%～5%，采用平单轴支架时的发电量提升比例为6%～18%，采用斜单轴支架时的发电量提升比例为10%～23%。

不同地区的光伏方阵采用不同类型光伏支架时的发电量对比情况如图11所示。

图11 不同地区的光伏方阵采用不同类型光伏支架时的 发电量对比情况Fig. 11 Comparison of power generation capacity of PV arrays with different types of PV brackets in different regions

在高、低纬度地区，固定可调支架的调节范围与光伏组件最佳安装倾角相差较小；而在中纬度、光照资源条件好的地区，固定可调支架的调节范围会更加灵活，发电量提升更明显，所以采用固定可调支架的光伏方阵在中纬度地区的发电量提升比例大于其在高、低纬度地区的发电量提升比例。

由于平单轴支架可使光伏方阵在早、晚弱光照条件下的发电量增益明显，且在逆跟踪条件下可减少因光伏组件自身遮挡而造成的发电量损失，所以采用平单轴支架的光伏方阵在中、低纬度地区的发电量提升比例较大，在高纬度地区的发电量提升比例较小。

采用斜单轴支架的光伏方阵在中、高纬度地区的发电量提升比例明显大于其在低纬度地区的发电量提升比例。这主要是因为斜单轴支架布置灵活，高纬度地区的太阳入射角大于低纬度地区的太阳入射角，因此在高纬度地区采用斜单轴支架可以更好地接收太阳辐射。

对区段3和区段4分别进行对比后发现：在相同纬度地区，由于太阳高度角相同，光照资源较好地区的总太阳辐射量较高，因此光伏方阵的发电量较高；对于光伏方阵采用不同光伏支架时的发电量提升量，光照资源较好地区的高于光照资源较差地区的，但相同纬度地区的发电量提升比例相近。

3.2 光伏方阵的LCOE分析

LCOE是指光伏发电项目在全生命周期内产生的所有成本与全部可上网电量的折现比值，即全生命周期内的成本现值与全生命周期内全部可上网电量现值的比例。

LCOE的表达式为：

式中：I0为光伏发电项目的静态初始投资；N为光伏发电项目的评价周期；n为光伏发电系统的运行年数；It为光伏发电项目的增值税抵扣；i为光伏发电项目的折现率；VR为光伏发电系统残值；Mn为光伏发电系统第n年时的运营维护成本(包含维修、保险、材料、人工工资、辅助服务费等，不含利息)；Yn为光伏发电系统第n年的上网电量。

光伏发电项目的LCOE主要包括建设投资成本和运营维护成本等[7-8]。为了简化对比因素，不同光伏支架的投资成本差异主要为光伏支架用钢量、基础工程量、光伏场区直流电缆工程量、接地工程量及土地成本。

根据以往的项目经验可知，光伏方阵采用不同类型光伏支架时的建设投资成本从大到小的顺序为：斜单轴支架＞平单轴支架＞固定可调支架＞固定支架。

光伏方阵采用不同类型光伏支架时的运营维护成本从大到小的顺序为：斜单轴支架 ≥ 平单轴支架＞固定可调支架＞固定支架。

对不同地区光伏方阵采用不同类型光伏支架时的LCOE进行计算，并对同一地区光伏方阵采用不同类型光伏支架时的LCOE进行排序，具体结果如表3所示。

表3 不同地区的光伏方阵采用不同类型光伏支架时的LCOE及排序Table 3 LCOE and sequencing of PV arrays with different types of PV brackets in different regions

综上分析可知，在低纬度地区，光伏方阵采用固定支架时的LCOE最低；虽然采用固定可调支架与采用平单轴支架时的占地面积较接近，但由于采用平单轴支架时的发电量增益较高，所以采用固定可调支架时的LCOE高于采用平单轴支架时的LCOE；而采用斜单轴支架时的占地面积增加较多，发电量提升相对较少，所以其LCOE最高。

在中、高纬度地区，由于太阳高度角较大，光伏阵列间距较大，因此光伏方阵采用固定支架时的占地面积较大，建设投资成本相对较高；采用固定可调支架时会略微增加建设投资成本及运营维护成本，但发电量增益不大；采用平单轴支架或斜单轴支架时的占地面积提升幅度相对较小且发电量提升较大，因此LCOE较低。经计算，在中纬度地区，光伏方阵采用平单轴支架时的LCOE最低；在高纬度地区，采用斜单轴支架时的LCOE最低。

4 结论

本文研究了以LCOE作为评价指标指导光伏支架选型的方法，首先采用PVsyst软件进行光伏方阵建模，然后对比了在不同纬度和光照资

源条件下光伏方阵采用不同类型光伏支架时的LCOE差异。研究结果表明：

1)与光伏方阵采用固定支架时的发电量相比，其采用固定可调支架时的发电量提升比例为2%～5%，采用平单轴支架时的发电量提升比例为6%～18%，采用斜单轴支架时的发电量提升比例为10%～23%。光伏方阵采用平单轴支架时的发电量提升比例在中、低纬度地区高于其在高纬度地区时的发电量提升比例；光伏方阵采用斜单轴支架时的发电量提升比例在中、高纬度地区高于其在低纬度地区时的发电量提升比例。

2)在低纬度地区，光伏方阵采用固定支架时的LCOE最优；在中纬度地区，光伏方阵采用平单轴支架时的LCOE最优；在高纬度地区，采用斜单轴支架时的LCOE最优。