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傾角可調(diào)光伏支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

作者:本站發(fā)布時(shí)間:2018-07-23 15:13:15點(diǎn)擊次數(shù):1
摘要:研究時(shí)下太陽(yáng)能資源二、三類(lèi)地區(qū)采用傾角可調(diào)支架和固定傾角支架對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響,再對(duì)比其發(fā)電收益與電站建設(shè)及運(yùn)維投入成本,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析表明,傾角可調(diào)支架技術(shù)(1年調(diào)整2次)應(yīng)用在中緯度以上二類(lèi)地區(qū)收益會(huì)更佳。

1、引言

隨著國(guó)內(nèi)光伏新裝機(jī)容量的與日劇增,光伏平價(jià)上網(wǎng)的呼聲越演越烈,導(dǎo)致光伏上網(wǎng)電價(jià)的下調(diào)已經(jīng)成了必然之勢(shì)。在此情況下,國(guó)內(nèi)光伏建設(shè)還面臨可用土地越來(lái)越少且土地價(jià)格越來(lái)越貴的難題。為了進(jìn)一步提高土地的綜合利用率和光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益,人們?cè)噲D尋求新技術(shù)和選擇新的光伏組件安裝方式,以增加光伏組件的太陽(yáng)輻射量。

目前,大型光伏發(fā)電項(xiàng)目中光伏組件支架常用的安裝方式有:固定式和跟蹤式(包括單軸和雙軸跟蹤)。固定支架系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛,其優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,后期基本免維護(hù)。但對(duì)于光伏系統(tǒng)而言,年平均日照時(shí)數(shù)較低。跟蹤式支架通過(guò)追蹤太陽(yáng)高度角和方位角以達(dá)到增加太陽(yáng)能輻射,從而增加發(fā)電量的目的,其優(yōu)勢(shì)在于年平均日照時(shí)數(shù)高,但先期投資成本較高,后期需要一定的維護(hù)。傾角可調(diào)支架是一種按照太陽(yáng)在各季節(jié)的高度角差異所開(kāi)發(fā)的新型光伏支架。與固定傾角安裝方式相比,傾角可調(diào)支架安裝可提高發(fā)電量;與跟蹤方式相比,傾角可調(diào)支架安裝方式成本低,且后期維護(hù)量少,因此逐漸受到許多電站投資商的青睞。本文通過(guò)研究?jī)A角可調(diào)支架的技術(shù)原理,采用軟件模擬對(duì)比不同緯度地區(qū)傾角可調(diào)支架和固定支架的發(fā)電量差異,分析傾角可調(diào)支架帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

2、傾角可調(diào)支架的技術(shù)原理

根據(jù)日照原理,太陽(yáng)入射光線與組件表面垂直的情況下可以獲得最大的太陽(yáng)輻射量。在北半球春分、夏至、秋分、冬至是太陽(yáng)光線入射角變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[1]。

春分時(shí)陽(yáng)光垂直照射于赤道線上,太陽(yáng)赤緯角為0°,為獲得最大的太陽(yáng)輻射量,光伏組件的安裝最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?;春分至夏至?yáng)光垂直照射位置也由赤道線移至北回歸線,太陽(yáng)赤緯角為23°27′光伏陣列安裝最佳傾角為緯度角減去 23°27′;由夏至再至秋分,陽(yáng)光垂直照射位置再由北回歸線移至赤道線,秋分與春分的太陽(yáng)赤緯角相同為0°,光伏陣列的安裝最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?;由秋分再至冬至,?yáng)光垂直照射位置由赤道線移至南回歸線,太陽(yáng)赤緯角為-23°27′光伏陳列安裝最佳傾角為緯度角加上23°27′。陽(yáng)光垂直照射位置的變化如圖1:

圖1四季陽(yáng)光垂直照射位置的變化圖

可以分別在春分、夏至、秋分、冬至前調(diào)節(jié)光伏陣列的傾角。設(shè)北半球的太陽(yáng)赤緯角為正數(shù),南半球的太陽(yáng)赤緯角為負(fù)數(shù)。全年陽(yáng)光在北回歸線到南回歸線內(nèi)移動(dòng)、光伏陣列的安裝傾角取當(dāng)?shù)鼐暥葴p去太陽(yáng)赤緯角。 

按照日照原理,可調(diào)安裝的最佳傾角公式如下:   

式中 :i為可調(diào)安裝的最佳傾角;I為當(dāng)?shù)鼐暥龋籥為赤緯角,春分、秋分:a=o°,冬至日:a=-23°27′,夏至日:a=23°27′。

由于地球的地軸傾角,實(shí)際情況中陽(yáng)光并不是如圖1中垂直射向地面,且太陽(yáng)輻射總量不僅包括直接太陽(yáng)輻射量,還包括天空散射輻射量及反射量。因此,目前采用最多的太陽(yáng)輻射計(jì)算方法是[2]: 

式中,H為太陽(yáng)輻射總量,H1為直接太陽(yáng)輻射量;H2為散射輻射量;H3為反射輻射量。

所以在實(shí)際計(jì)算最佳傾角時(shí)需要對(duì)按照日照原理所計(jì)算的可調(diào)安裝最佳傾角進(jìn)行修正。本文采用國(guó)內(nèi)通用光伏軟件PVsyst對(duì)可調(diào)支架最佳傾角進(jìn)行分析。

3、可調(diào)支架傾角的變化對(duì)發(fā)電量的影響分析

傾角可調(diào)支架的原理是隨著季節(jié)變化而調(diào)整支架的傾角,使得各個(gè)季節(jié)內(nèi)接收的太陽(yáng)輻射量最大。本文結(jié)合太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,研究?jī)A角可調(diào)支架一年調(diào)整2次(暖季和寒季)和4次(春季、夏季、秋季和冬季)傾角的方式。根據(jù)天文劃分四季法,結(jié)合每年“兩分”、“兩至”的時(shí)間,確定一年調(diào)整2次傾角的時(shí)間段為4-9月(暖季)和10-3月(寒季);一年調(diào)整4次傾角的時(shí)間段為3-5月(春季),6-8月(夏季),9-11月(秋季)和12-2月(冬季);調(diào)整時(shí)間為每個(gè)時(shí)間段的開(kāi)始。

在不同緯度地區(qū),由于基礎(chǔ)太陽(yáng)輻射量差異,可調(diào)支架接收的太陽(yáng)輻射量相對(duì)固定支架提高的幅度不同。目前來(lái)說(shuō),由于太陽(yáng)能資源一類(lèi)地區(qū)的限電因素,國(guó)內(nèi)光伏電站建設(shè)的重心逐漸轉(zhuǎn)移到太陽(yáng)能資源較好的二類(lèi)地區(qū)和電價(jià)較高的三類(lèi)地區(qū)。為此,我們選取天津市和廣西欽州市作為上述兩類(lèi)地區(qū)的代表進(jìn)行研究,利用Meteonorm中各氣象站點(diǎn)水平面上的輻射量,通過(guò)PVsyst軟件模擬計(jì)算出天津市和欽州市固定傾角和可調(diào)傾角斜面上的輻射量,列于表1和表2。

表1天津市不同傾角安裝下的光伏陣列單位面積接受的峰值日照小時(shí)數(shù)

由上表可知,天津市固定安裝的最佳傾角為34°,傾斜面上峰值日照時(shí)間為4.46h,依據(jù)現(xiàn)有光伏電站系統(tǒng)效率約為80%,則年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1302.32h。采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整2次的模式,暖季最佳傾角為15°,寒季最佳傾角為55°,年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1361.92h。采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整4次的模式,春季最佳傾角為24°,夏季最佳傾角為9°,秋季最佳傾角為45°,冬季最佳傾角為61°,年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1363.392h。因而,在天津市地區(qū)采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整2次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約4.6%;一年調(diào)整4次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約4.7%。

表2欽州市不同傾角安裝下的光伏陣列單位面積接受的峰值日照小時(shí)數(shù)

由上表可知,欽州市固定安裝的最佳傾角為34°,傾斜面上峰值日照時(shí)間為3.65h,依據(jù)現(xiàn)有光伏電站系統(tǒng)效率約為80%,則年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1065.8h。采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整2次的模式,暖季最佳傾角為0°,寒季最佳傾角為35°,年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1101.672h。采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整4次的模式,春季最佳傾角為4°,夏季最佳傾角為0°,秋季最佳傾角為28°,冬季最佳傾角為40°,年等峰值日照小時(shí)數(shù)為1103.2h。因而,在欽州市地區(qū)采用傾角可調(diào)支架,一年調(diào)整2次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約3.36%;一年調(diào)整4次所接受的太陽(yáng)輻射量增加約3.5%。

根據(jù)上述兩類(lèi)地區(qū)的對(duì)比可見(jiàn),對(duì)于基礎(chǔ)太陽(yáng)輻射較好的地區(qū)(如天津市),傾角可調(diào)支架對(duì)發(fā)電量的影響較大;而對(duì)于基礎(chǔ)太陽(yáng)輻射較差的地區(qū)(如欽州市),傾角可調(diào)支架對(duì)發(fā)電量的影響較小。且上述兩類(lèi)地區(qū)一年內(nèi)調(diào)整支架角度的次數(shù)從2次提高到4次對(duì)發(fā)電量的影響很小,約1%左右。

4、傾角可調(diào)支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

在實(shí)際工程建設(shè)中,投資效益最大化是所有電站開(kāi)發(fā)商關(guān)注的主要目標(biāo)。因而,我們需要綜合考慮不同安裝方式帶來(lái)的發(fā)電量差異和投資收益差異,選取最佳的安裝方式[3]。相對(duì)固定傾角安裝方式,傾角可調(diào)支架安裝方式對(duì)電站成本的影響主要體現(xiàn)在支架成本的增加,土地占用面積的增大和后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增加。

(一)、支架成本的增加

根據(jù)現(xiàn)有光伏市場(chǎng)行情,傾角可調(diào)支架采購(gòu)、前期可研、設(shè)計(jì)等成本相比固定傾角支架高約0.06元/W。

(二)、土地占用面積的增大

光伏組件安裝傾角是影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量的重要因素,同時(shí)也是影響光伏方陣行距的重要因素。按照一般設(shè)計(jì)原則,光伏方陣的間距需滿足冬至日(每年當(dāng)中物體在太陽(yáng)下陰影長(zhǎng)度最長(zhǎng)的時(shí)日)9:00—15:00,組件之間南北方向無(wú)陰影遮擋的要求。我們知道,光伏組件的安裝傾角越大,設(shè)計(jì)的方陣間距也越大,相同裝機(jī)容量所需土地也越多。

以天津地區(qū)來(lái)說(shuō),固定傾角(34°)支架設(shè)計(jì)的組件中心間距為8.1m,而采用傾角可調(diào)支架,需按照一年中所需調(diào)整最大角度來(lái)設(shè)計(jì),一年調(diào)整2次的角度為55°,組件中心間距設(shè)計(jì)為9.7m;一年調(diào)整4次的角度為61°,組件中心間距設(shè)計(jì)為9.9m。由此可見(jiàn),采用傾角可調(diào)支架安裝,一年調(diào)整2次所需土地增加了約20%;一年調(diào)整4次所需土地增加了約22%。

(三)、后期運(yùn)維費(fèi)用的增加

傾角可調(diào)支架需要根據(jù)季節(jié)對(duì)支架進(jìn)行調(diào)節(jié),從而增加了人工運(yùn)維的成本。以1MW電站為例,每調(diào)節(jié)一次所需人工費(fèi)用約為1000元。

根據(jù)上述對(duì)傾角可調(diào)支架的發(fā)電量和投資成本的分析,現(xiàn)建立數(shù)學(xué)模型測(cè)算兩種安裝方式下的項(xiàng)目收益率情況。

以天津20MW地面電站為例,天津地區(qū)上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)為0.88元/kWh,當(dāng)前國(guó)內(nèi)光伏電站的單位造價(jià)約為7.2元/W,電站的系統(tǒng)效率約為80%。采用金融杠桿模式,光伏電站投資成本中資本金投入比例為30%,其余采用銀行貸款,貸款期限為15年,貸款利率按照目前銀行長(zhǎng)期貸款利率5.39%計(jì)算。同時(shí),考慮設(shè)備進(jìn)項(xiàng)增值稅抵扣及所得稅三免三減半的優(yōu)惠政策,測(cè)算采用固定傾角和傾角可調(diào)支架兩種方案的項(xiàng)目收益情況。

(1)固定傾角支架安裝方式收益

固定傾角支架安裝方式,年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1302.32h,則首年發(fā)電量為2604.64萬(wàn)度。組件按照首年衰減不超過(guò)2.5%,此后每年衰減不超過(guò)0.7%計(jì)算,25年發(fā)電量為58889.71萬(wàn)度。依據(jù)現(xiàn)有中緯度地區(qū)1MW所需土地30畝計(jì)算,20MW項(xiàng)目占地面積約600畝,天津市地價(jià)約1000元/畝。根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型,計(jì)算的項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率為9.22%(稅后),資本金內(nèi)部收益率為16.37%(稅后)。

(2)傾角可調(diào)支架安裝方式收益

傾角可調(diào)支架安裝方式(一年調(diào)整2次),年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1361.92h,則首年發(fā)電量為2723.84萬(wàn)度,25年發(fā)電量為61584.77萬(wàn)度。該模式下所需土地增加約20%,則20MW項(xiàng)目占地面積約720畝。支架成本及后期運(yùn)維成本增加使得總投資成本增加約0.1元/W。根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型,計(jì)算的項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率為9.62%(稅后),資本金內(nèi)部收益率為17.28%(稅后),具體現(xiàn)金流柱狀圖如圖2所示。

傾角可調(diào)支架安裝方式(一年調(diào)整4次),年等效峰值日照小時(shí)數(shù)為1363.392h,則首年發(fā)電量為2726.784萬(wàn)度,25年發(fā)電量為61651.33萬(wàn)度。該模式下所需土地增加約22%,則20MW項(xiàng)目占地面積約732畝。支架成本及后期運(yùn)維成本增加使得總投資成本增加約0.1元/W。根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型,計(jì)算的項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率為9.62%(稅后),資本金內(nèi)部收益率為17.30%(稅后)。詳細(xì)內(nèi)容可見(jiàn)表3。

表3天津地區(qū)20MW固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對(duì)比

圖2天津地區(qū)20MW項(xiàng)目?jī)A角可調(diào)支架(一年調(diào)整2次)

安裝方式收益率測(cè)算現(xiàn)金流

對(duì)于欽州地區(qū)20MW地面電站項(xiàng)目,采用同樣的數(shù)學(xué)模型。欽州市上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)為0.98元/W,該緯度地區(qū)1MW所需土地按25畝計(jì),地價(jià)為1000元/畝。計(jì)算所得固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對(duì)比如表4所示。

表4欽州地區(qū)20MW固定式支架和傾角可調(diào)式支架方案對(duì)比

圖3欽州地區(qū)20MW項(xiàng)目?jī)A角可調(diào)支架(一年調(diào)整2次)

安裝方式收益率測(cè)算現(xiàn)金流

由以上分析可以看出,對(duì)于中緯度的二類(lèi)地區(qū)來(lái)說(shuō),采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.4個(gè)百分點(diǎn);對(duì)于低緯度的三類(lèi)地區(qū)來(lái)說(shuō),采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.2個(gè)百分點(diǎn);可見(jiàn)傾角可調(diào)支架技術(shù)應(yīng)用在中緯度以上地區(qū)收益會(huì)更好。而傾角可調(diào)支架一年調(diào)整2次與調(diào)整4次的收益率相差不大,對(duì)于二類(lèi)和三類(lèi)地區(qū)來(lái)說(shuō)建議采用一年調(diào)整兩次的模式。

5、結(jié)論

本文通過(guò)研究?jī)A角可調(diào)支架的技術(shù)原理,采用軟件模擬對(duì)比不同緯度地區(qū)傾角可調(diào)支架和固定支架所接受太陽(yáng)輻射量的差異,分析傾角可調(diào)支架的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,主要得出以下結(jié)論:

(1)對(duì)于中緯度的二類(lèi)地區(qū),如天津市,采用傾角可調(diào)支架對(duì)比固定傾角支架所接受的太陽(yáng)輻射量增加約4.6%;而對(duì)于低緯度的三類(lèi)地區(qū),如欽州市,采用傾角可調(diào)支架對(duì)比固定傾角支架所接受的太陽(yáng)輻射量增加約3.4%。傾角可調(diào)支架一年調(diào)整2次角度與調(diào)整4次角度接受的太陽(yáng)輻射量很小,僅為0.1%左右。

(2)對(duì)于中緯度的二類(lèi)地區(qū)來(lái)說(shuō),采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.4個(gè)百分點(diǎn);對(duì)于低緯度的三類(lèi)地區(qū)來(lái)說(shuō),采用傾角可調(diào)支架安裝方式比固定支架系統(tǒng)的電站收益率增加約0.2個(gè)百分點(diǎn);可見(jiàn)傾角可調(diào)支架技術(shù)應(yīng)用在中緯度以上地區(qū)收益會(huì)更好。

(3)傾角可調(diào)支架一年調(diào)整2次與調(diào)整4次的收益率相差不大,對(duì)于二類(lèi)和三類(lèi)地區(qū)來(lái)說(shuō)建議采用一年調(diào)整2次的模式。