并网光伏电站光伏组件支架最佳倾角设计研究

钟天宇， 刘庆超， 杨 明

（华电电力科学研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

为调整能源结构、保护环境和应对气候变化，我国提出了2020年非化石能源占能源消费15%、单位GDP二氧化碳排放量比2005年降低40%～45%的目标。同时，为转变经济发展方式，实现可持续发展，国家正在部署战略性新兴产业，新能源已作为了战略性新兴产业的重要内容，其中目前具有商业开发价值的新能源产业主要有风电和光伏发电[1]。

影响光伏电站效益的主要因素为项目初始投资和项目所在地的太阳辐射强度。对于已经选定区域位置的光伏电站，如何获取效益最大化，最主要的影响因素是光伏组件的倾角选择，不同倾角下的光伏电站的投资和效益不同，如何获得效益最大化具有重要意义。

1 研究现状

光伏组件最佳倾角研究时间较长，自20世纪70年代以来，关于光伏组件最佳倾角的研究及讨论就已开始，目前国内设计院进行光伏组件倾角及间距设计主要是通过RETScreen、PVSYST和上海电力学院太阳辐射计算软件等，其基本原则是年平均发电量最大化。目前对于光伏组件最佳倾角的研究主要集中在采用何种算法使得辐射量最大，如：中国气象局的王炳忠、申彦波采用美国可再生能源实验室提供的SMARTS模式，从纯资源角度计算了我国大陆纬度范围内每5°间隔处太阳能装置的最佳倾角及其分布规律[2]；上海交通大学的顾超、崔容强通过采用klien和Theilacker提出的算法来计算不同倾角下各月辐射量，并计算占全年总辐射量的比例，再结合最小二乘法计算系统均衡和非均衡负载的最佳倾角[3]；中山大学的孙韵琳、杜晓荣等在klien和Theilacker计算算法基础上，提出了一种使用逐步查找法确定太阳能阵列最佳倾角的新方法，并利用计算机编程语言C#完成了算法的软件实现[4]；云南师范大学刘祖明、李迎军等研究了非聚光的任意方位角倾斜面上太阳辐射的计算，其中散射辐射的计算采用Hay模型，给出了最佳倾角的计算[5]；董霞威、庞春提出了发电量最大化和投资效益最大化是不一致的，可以通过适当减小安装倾角获得效益最大化，这种效益会随着建设规模的扩大而更为明显[6]；上海电力学院的杨金焕对季节性负载光伏方阵的最佳倾角进行了深入研究[7]。

在实际工程建设中，不同倾角其发电量不同，支架费用、占地费用、电缆费用均会有所差距，因此如何确定最佳倾角需要进行技术经济比较。以上研究除董霞威、庞春提出了发电量最大并非效益最好的理论，其余以研究最佳倾角计算方法居多。从投资开发商角度考虑，其所关心的效益最大化并未得到重视，本文从业主工程实际角度出发，以效益最大化为原则，建立数学模型，进行大型并网光伏项目最佳倾角计算的理论研究。

2 基于费用-效益模型的光伏组件最佳倾角计算

2.1 费用-效益模型

费用-效益分析法通过对项目的投入（费用）和产出（效益）的对比分析，定量考察工程项目的费用、效益状况，研究建设项目的经济性，根据项目经济活动的得失、优劣进行评价和比较，为合理决策提供一种分析方法[8]。

从工程角度出发，按照费用-效益理论，在光伏电站建设和运营中，可分为年发电成本和年发电收入。

（1）年发电成本可分为建设投资成本、财务成本和经营成本。建设投资成本通常为一次性投资，分布在项目初期，通常以折旧费计入总成本费用；光伏电站不存在燃料成本，其经营成本主要包括修理费、人员工资及福利、材料费等，但考虑到光伏组件的倾角对于经营成本影响较小，因此在进行技术经济比较时暂不考虑此方面因素。

（2）年发电收益取决于光伏电站的年发电量，可根据当地辐射数据计算得到。根据以上分析，可建立以下费用-效益模型：

式中 F—光伏电站寿命期内收益净现值；

Pw—光伏电站年上网电量，kWh；

p—电价，元；

i—折现率；

n—建设期和经营期总年数；

Ij—第j年建设总投资，万元，包括：设备及安装工程投资、建筑工程总投资、占地费用、价差预备费、建设期利息、送出工程投资等；Rj—第j年贷款偿还利息，元。

2.2 光伏组件倾角计算流程

根据费用-效益模型及RETScreen、PVSYST和上海电力学院太阳辐射计算软件，可归纳最佳倾角计算方法流程，如图1所示。

计算步骤：

（1）利用当地已知太阳辐射数据，通过几种常用软件对不同倾角辐射进行计算，再计算发电量。

（2）计算不同倾角下的光伏电站的工程投资。

（3）运用费用-效益模型对不同倾角下的光伏电站进行技术经济比较，确定最优方案。

3 实例分析

3.1 模型验证

以甘肃某光伏电站为例进行分析，该区域年均气温在6.7～7.7℃，平均冻土深度108cm，多年最大积雪厚度10 cm。年平均日照时数在3000～3400h，太阳辐射量约为6100～6500MJ/m2，光照充足，太阳能资源丰富。场址区地势开阔、地形平缓，自然坡度约1.3%，起伏较小。地表为沙卵砾石戈壁，分布有低矮耐旱植物，周围基本无大型障碍物，光伏电站场址区域建设条件比较优越。其装机容量为10MWp，不同倾角发电量及占地面积见表1。

表1 不同倾角的光伏电站主要技术指标

光伏电站的主要成本参数见表2。利用式（1），以6%的社会折现率，计算得到项目的全部投资净现值，分别为：倾角25°，1397.61万元；倾角

表2 主要成本参数

30°，1483.64万元；倾角35°，1506.03。从项目效益最大化角度考虑，我们可选择倾角35°作为设计方案，与实际工程相符。

3.2 敏感性分析

不同倾角对于电站投资的影响主要在光伏支架成本、占地费以及电缆成本的不同。这三个因素中，征地费的单价对于不同倾角的投资及经济性影响较大，以实例进行分析，在征地费达到18元/m2时，倾角为30°下的方案最优，当征地费达到87元/m2时，倾角为25°下的方案最优。

4 结语

（1）本文结合目前光伏电站最佳倾角设计研究方向进行了分析探讨，提出了从业主效益最大化角度出发，建立费用-效益模型，从而选择最佳倾角。

（2）光伏电站倾角的不同，对于支架、占地面积、电缆长度均具有一定影响，从而影响工程造价，本文结合工程实践，建立了费用-效益模型，并以实例工程验证了本模型的正确性。

（3）本文选用征地单价作为变动因素，分别分析了不同倾角下的占地面积和总投资，再进行了费用-效益分析，结果表明，当土地价格上升到一定价格后，倾角越小，整个项目的寿命周期内经济性越好。

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[1]王斯成.加快启动国内光伏市场，应对国际光伏形势新变化[J].太阳能，2011，05：16～21.

[2]王炳忠，申彦波.从资源角度对太阳能装置最佳倾角的讨论[J].太阳能，2010，07：17～20.

[3]顾超，崔容强.独立光伏系统最佳倾角计算新方法[J].电源技术，2005，29（01）：31～34.

[4]孙韵琳，杜晓荣，王小杨.固定式并网光伏阵列的辐射量计算与倾角优化[J].太阳能学报，2009，30（12）：1597～1601.

[5]刘祖明，李迎军，谢建.静固定式联网光伏方阵的最佳倾角[J].云南师范大学学报：自然科学版，2000，06（20）：24～28.

[6]董霞威，庞春，苏国梁.光伏并网电站光伏组件安装倾角的选择设计[J].中国电力，2010，43（12）：70～73.

[7]杨金焕，葛亮，陈中华.季节性负载光伏方阵的倾角[J].太阳能学报，2003，24（02）：241～244.

[8]钟天宇，刘庆超，李忆.基于费用效益模型的复杂地形风电场微观选址研究[J].华东电力，2011，39（07）：1176～1178.