光伏电站内不同光伏支架形式数量占比的研究

摘　要：光伏支架形式不同时会对土建工程量、电气工程量等产生一定影响。针对位于不同太阳能资源区的光伏电站，在光伏电站总装机容量不变的情况下，根据固定式与平单轴跟踪式光伏支架数量占比的变化趋势，对光伏电站全寿命周期内 2 种光伏支架形式在不同数量占比下的光伏电站初始投资额与 25 年平均发电量的增益值及增幅进行计算，并得出对应的光伏电站发电量及土建工程量、电气工程量等的变化趋势；最后得出在不同太阳能资源区光伏电站全寿命周期内全资财务内部收益率 ( 税后 ) 较优 ( 大于等于 8%) 时平单轴跟踪式光伏支架的数量占比范围，为工程建设的最经济性投资提供参考依据。

关键词：光伏支架；固定式；平单轴跟踪式；光伏电站；数量占比

中图分类号：TM615　文献标志码：A

　　在光伏电站中，平单轴跟踪式光伏支架和固定式光伏支架搭配使用的情况越来越普遍。当光伏电站采用的不同形式的光伏支架数量占比不同时，光伏电站的发电量及土建工程量、电气工程量也会随之发生变化。与光伏电站全部采用固定式光伏支架时相比，其全部采用平单轴跟踪式光伏支架时的发电量相对较高，但对应的土建工程量、电气工程量投资并非最经济化。本文根据中国太阳能资源区的特点，对固定式与平单轴跟踪式光伏支架的数量占比在一定范围内变化时，光伏电站全寿命周期内全资财务内部收益率 ( 税后 ) 较优时的数量占比范围进行了分析，以便于为不同太阳能资源区内光伏电站的经济性投资提供参考依据。

1 不同光伏支架形式介绍

　　光伏电站采用固定式光伏支架的优点是施工现场安装方便、光伏支架结构简单、占地面积小、租地费用少等；缺点是不能跟踪太阳高度角变化，对太阳能资源的利用率略低。单轴跟踪式光伏支架形式主要分为平单轴跟踪式和斜单轴跟踪式。平单轴跟踪式光伏支架是指单轴的转轴与地面所成角度为 0°，斜单轴跟踪式光伏支架是指单轴的转轴与地面成一定倾角。与平单轴跟踪式光伏支架相比，斜单轴跟踪式光伏支架的成本较高，抗风性相对较差。因此，光伏电站采用单轴跟踪式光伏支架时通常选择平单轴跟踪式光伏支架 [1-3]。

　　综上所述，本文对位于 3 类太阳能资源区的光伏电站中不同形式光伏支架按一定数量占比时，光伏电站在全资财务内部收益率 ( 税后 )较优 ( 大于等于 8%) 条件下的数量占比范围 [4]进行研究。其中，Ⅰ类太阳能资源区以青海省海西州的德令哈地区 (37.37°N、97.24°E) 为例，Ⅱ类太阳能资源区以河北省张家口市的张北县(41.29°N、114.62°E) 为例，Ⅲ类太阳能资源区以上海地区 (31.4°N、121.47°E) 为例。

2 边界条件

　　以上述 3 个已选定的地区为例，进行如下假设：光伏电站的交流侧装机容量为 50 MW，由 16 个 3.125 MW 光伏子阵构成；采用高效 p型单晶硅光伏组件，配套 3125 kW 的箱逆变一体机，并且固定式与平单轴跟踪式光伏支架搭配使用。

　　目前，PVsyst 软件的光伏电站发电量模拟结果具有较高的准确性，被广泛认可。本文采用PVsyst 软件 7.2 版本来模拟计算 3 个选定地区光伏电站 25 年全寿命周期内的发电量及系统效率。在计算逐年发电量时，仅考虑各年的光伏组件功率衰减情况，其他影响因素认为保持不变。

　　根据 PVsyst 软件自带的 Meteonorm 8.0 版本提供的年水平太阳辐射量数据：德令哈地区为1804.9 kWh/m2 ，张北县为 1581.2 kWh/m2 ；上海地区为 1268.8 kWh/m2 。

　　固定式光伏支架与平单轴跟踪式光伏支架的数量占比方式为：以 0% 为平单轴跟踪式光伏支架的最低数量占比，每次的增幅为 20%，最终增至 100%，即研究平单轴跟踪式光伏支架的数量占比分别为 0%、20%、40% 、60% 、80%、100% 时光伏电站的发电量及经济性，以便于得到位于不同太阳能资源区的光伏电站的固定式光伏支架与平单轴跟踪式光伏支架的最佳数量占比。

3 2 种光伏支架类型不同数量占比对光伏电站发电量、工程量投资的影响

　　拟建光伏电站中，单个固定式光伏支架上放置 52 块光伏组件，以“2×26”的方式竖向排布；单个平单轴跟踪式光伏支架上横向排布 52 块光伏组件。下文计算时通过调整采用不同光伏支架的光伏方阵数量来调整光伏电站中固定式光伏支架与平单轴跟踪式光伏支架的数量占比。

3.1 发电量变化情况

3.1.1 德令哈地区

　　利用 PVsyst 软件模拟位于德令哈地区的光伏电站的发电量，其中，固定式光伏支架采用最佳倾角 38°，平单轴跟踪式光伏支架的跟踪角度为 ±45°。对平单轴跟踪式光伏支架在不同数量占比下德令哈地区光伏电站 25 年的平均发电量进行对比，具体如图 1 所示。

　　从图 1 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，德令哈地区光伏电站的 25年平均发电量也不断增加，基本呈近线性变化。

　　以德令哈地区光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比为 0%、固定式光伏支架数量占比为 100% 时的 25 年平均发电量为基准，对比得到平单轴跟踪式光伏支架不同数量占比下该地区光伏电站 25 年平均发电量的增益值及增幅，具体如表 1 所示。从表 1 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，德令哈地区光伏电站 25 年平均发电量的增益值及增幅也呈增加趋势。

3.1.2 张北地区

　　利用 PVsyst 软件模拟位于张北县的光伏电站的发电量，其中，固定式光伏支架采用最佳倾角 39°，平单轴跟踪式光伏支架的跟踪角度为±45°。对平单轴跟踪式光伏支架在不同数量占比下张北县光伏电站25年的平均发电量进行对比，具体如图 2 所示。

　　从图 2 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，张北县光伏电站的 25 年平均发电量也不断增加，基本呈近线性变化。以张北县光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比为 0%、固定式光伏支架数量占比为100% 时的 25 年平均发电量为基准，对比得到平单轴跟踪式光伏支架不同数量占比下该地区光伏电站 25 年平均发电量的增益值及增幅，具体如表 2 所示。

　　从表 2 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，张北县光伏电站 25 年平均发电量的增益值及增幅也呈增加趋势。

3.1.3 上海地区

　　利用 PVsyst 软件模拟位于上海地区的光伏电站的发电量，其中，固定式光伏支架采用最佳倾角 25°，平单轴跟踪式光伏支架的跟踪角度为±45°。对平单轴跟踪式光伏支架在不同数量占比下上海地区光伏电站 25 年的平均发电量进行对比，具体如图 3 所示。

　　从图 3 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，上海地区光伏电站的 20 年平均发电量也随之增加，基本呈近线性变化。

　　以上海地区光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比为 0%、固定式光伏支架数量占比为100% 时的 25 年平均发电量为基准，对比得到平单轴跟踪式光伏支架不同数量占比下该地区光伏电站 25 年平均发电量的增益值及增幅，具体如表 3 所示。

　　从表 3 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，上海地区光伏电站 25 年平均发电量的增益值及增幅也呈增加趋势。

3.2 工程量投资额变化情况

3.2.1 初始投资额的变化

　　采用固定式或平单轴跟踪式光伏支架时，光伏电站除了发电量不同之外，土建工程量也会存在差异，这种差异主要体现在光伏支架、支架基础及场平的费用不同。假设本文讨论的光伏电站均建于平地之上，因此暂不考虑场平工程量的差异，但在实际工程实施过程中，平单轴跟踪式光伏支架可能需要大量场平，而固定式光伏支架基本不需要场平。采用不同光伏支架形式时的电气工程量也会有差异，主要体现在电缆量不同。而其他工程量差异则主要体现在征地面积、维修费率、故障率等方面。总而言之，工程量差异会造成投资成本和财务分析方面的差异。

　　根据以往类似的光伏电站项目工程经验，可得出分别采用固定式与平单轴跟踪式光伏支架时在光伏支架、支架基础、场平、电缆量、征地面积等方面的单瓦工程量差异。其中，光伏支架方面，采用平单轴跟踪式光伏支架时比采用固定式光伏支架时约高 0.35 元 /Wp；支架基础方面，采用平单轴跟踪式光伏支架时比采用固定式光伏支架时约高 0.005 元 /Wp；电缆量方面，采用平单轴跟踪式光伏支架时比采用固定式光伏支架时约高 0.002 元 /Wp。此外，还可以发现平单轴跟踪式光伏支架的故障率比固定式光伏支架的高，由此引起的发电量损失和维修费率也需要考虑。

　　以光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比为 0%、固定式光伏支架数量占比为 100% 时光伏电站的初始投资额为基准，对比得到平单轴跟踪式光伏支架不同数量占比下光伏电站的初始投资差额，具体如图 4 所示。

　　从图 4 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，光伏电站的初始投资差额也不断增加，基本呈线性变化。

3.2.2 维修费率的变化

　　固定式光伏支架的优点是光伏电站的初始投资额较低，且后期运维过程中的维修费用较低，甚至基本不用维修；平单轴跟踪式光伏支架的特点是光伏电站的初始投资额比固定式光伏支架高，且后期运维过程中的维修费用较高 [5]。但光伏电站采用固定式光伏支架时的发电量低于其采用平单轴跟踪式光伏支架时的发电量，且发电量提高的比例高于直接投资额增加的比例。若不考虑光伏电站的后期运维费用，其采用固定式光伏支架时的单位平准化度电成本会高于采用平单轴跟踪式光伏支架时的单位平准化度电成本。

　　对于实际的光伏电站项目，其每年的维修费率各不相同，为方便比较，本文将每年的维修费率近似简化为线性增长。光伏电站中，平单轴跟踪式光伏支架的数量占比越高，引起的故障率可能也就越高，维修费增长的也就越多。平单轴跟踪式光伏支架不同数量占比下光伏电站的 25 年平均维修费率对比如图 5 所示。

　　从图 5 可以看出：随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，光伏电站的 25 年平均维修费率也不断增加。

4 最佳数量占比研究

　　本文根据上述 3 个地区的上网电价、平单轴跟踪式光伏支架各数量占比下光伏电站 25 年平均发电量和建设期的工程量投资额，分析平单轴跟踪式光伏支架不同数量占比下光伏电站的全资财务内部收益率。

　　通过分析全寿命周期内光伏电站的总投资额与各发电量下的年收益情况可以发现，平单轴跟踪式光伏支架的数量占比越小，对应的建设期工程量投资额越小；同一平单轴跟踪式光伏支架数量占比下，随着光伏电站各年发电量的降低，其年发电量收益也随之降低。

　　本文参考上述 3 个地区的上网电价，在拟建光伏电站项目全资财务内部收益率为 8%( 税后 )的情况下，反算出光伏电站采用固定式光伏支架时的建设期工程量投资额，进而根据投资差额及维修费率、发电量差异等推导出平单轴跟踪式光伏支架各数量占比下对应的光伏电站全资财务内部收益率 ( 税后 )。

4.1 德令哈地区

　　不同平单轴跟踪式光伏支架数量占比下，德令哈地区光伏电站的全资财务内部收益率(税后)如图 6 所示。

　　从图 6 可以看出：德令哈地区作为 I 类太阳能资源区，当光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比在 0%～60% 区间内时，其可以获得较高的全资财务内部收益率 ( 税后 )，且平单轴跟踪式光伏支架数量占比为 40% 时，全资财务内部收益率 ( 税后 ) 达到峰值；当平单轴跟踪式光伏支架数量占比大于 60% 后，光伏电站的全资财务内部收益率 ( 税后 ) 低于 8%，相较于采用固定式光伏支架时，不再具有经济性。综上可知：在Ⅰ类太阳能资源区，光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架的最佳数量占比推荐 40%，具体取值可根据项目地实际情况来决定。

4.2 张北县

　　不同平单轴跟踪式光伏支架数量占比下，张北县光伏电站的全资财务内部收益率 ( 税后 ) 如图 7 所示。

　　从图 7 可以看出：张北县作为Ⅱ类太阳能资源区，当光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比在 0%～40% 区间内时，其可以获得较高的全资财务内部收益率 ( 税后 )，且平单轴跟踪式光伏支架数量占比为 20% 时，全资财务内部收益率 ( 税后 ) 达到峰值；当平单轴跟踪式光伏支架数量占比大于 40% 后，光伏电站的全资财务内部收益率 ( 税后 ) 低于 8%，相较于采用固定式光伏支架时，不再具有经济性。综上可知：在Ⅱ类太阳能资源区，光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架的最佳数量占比推荐 20%，具体取值可根据项目地实际情况来决定。

4.3 上海地区

　　不同平单轴跟踪式光伏支架数量占比下，上海地区光伏电站的全资财务内部收益率 ( 税后 )如图 8 所示。

　　从图 8 可以看出：上海地区作为Ⅲ类太阳能资源区，当光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比增加时，其全资财务内部收益率 ( 税后 )呈下降趋势，均达不到全资财务内部收益率 ( 税后)8%的要求。由于此类地区的太阳能资源较差，光伏电站的发电量增益不明显，与运维成本增加相比，综合经济效益较差。因此，不推荐在Ⅲ类太阳能资源区光伏电站采用平单轴跟踪式光伏支架。

5 结论

　　本文以 3 个不同太阳能资源区的拟建光伏电站项目为背景，分别从上网电价、平单轴跟踪式光伏支架各数量占比下光伏电站的 25 年平均发电量和工程量投资额，分析了全寿命周期内光伏电站在不同平单轴跟踪式光伏支架数量占比下的全资财务内部收益率 ( 税后 )，得到以下结论：

　　1) 与全部采用固定式光伏支架相比，随着平单轴跟踪式光伏支架数量占比的增加，光伏电站的初始投资差额也不断增加，基本呈线性变化；且光伏电站的 25 年平均维修费率也不断增加。

　　2) 在拟建光伏电站项目全资财务内部收益率 ( 税后 ) 为 8% 的情况下，反算出光伏电站采用固定式光伏支架时的工程量投资额，进而根据投资差额及维修费率、发电量差异等推导出 3 类太阳能资源区中光伏电站的平单轴跟踪式光伏支架各数量占比下对应的全资财务内部收益率 ( 税后 )，并由此得到平单轴跟踪式光伏支架的最佳数量占比：针对 I 类太阳能资源区，光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比在 0%～60% 之间时可满足全资财务内部收益率 ( 税后 )8% 的要求，最佳数量占比推荐值为 40%；针对Ⅱ类太阳能资源区，光伏电站中平单轴跟踪式光伏支架数量占比在 0%～40% 之间时可满足全资财务内部收益率 ( 税后 )8% 的要求，最佳数量占比推荐值为 20%；针对Ⅲ类太阳能资源区，由于其太阳能资源较差，不推荐该资源区光伏电站采用平单轴跟踪式光伏支架。

  文章来源：太阳能杂志