寻找光伏系统安装最低LCOE的倾角与间距

【摘  要】在光伏电站建设中，一旦光伏电站在建设场地确定之后，往往确定光伏组件的最佳安装倾角与安装间距成了困扰光伏电站设计的最大问题，本文通过研究光伏电站度电成本（LCOE）的基本概念，分析了光伏组件安装倾角与安装间距对度电成本的影响，以便找到最佳的安装倾角与安装间距。本文以国内某大型地面光伏电站项目为基础，通过PVsyst仿真软件进行模拟不同的安装倾角与安装间距的方案，比较各个方案下的度电成本（LCOE），找到最低度电成本（LCOE）时的安装倾角与安装间距。

【关键词】安装倾角;安装间距;PVsyst;度电成本（LCOE）。

引言

近年来，我国光伏产业迅速发展，应用规模逐渐扩大，装机容量自2015年起已稳居世界第一，在我国能源转型中发挥着越来越重要的作用。截至2019年底，累计光伏并网装机量达到253GW，全年光伏发电量2242.6亿千瓦时，较2018年增了468亿千瓦时，同比增长26.4%，占我国全年总发电量的3.1%[1]。

在光伏产业快速发展的同时，为了发挥出光伏发电建设的最大效益，低度电成本就成了各光伏电站建设所追求的指标。平准化度电成本LCOE（Levelized cost of energy/ Levelized cost of electricity）是对项目生命周期内的成本和发电量进行平准化后计算得到的发电成本，即生命周期内的成本现值除以生命周期内发电量现值，是國际上通用的评价电力能源生产成本的指标，也是国际能源工程尤其是新能源工程进行特许经营权、EPC工程招投标的核心评价指标[2]，也是不同规模的、不同类型的光伏电站效益指标的体现，并可用来与其他电源发电成本对比。

增加光伏电站的发电量，追求低度电成本，光伏电站建设的初期，确定光伏组件的安装倾角和安装间距显得尤为重要。相关文献[3-6]对光伏组件的安装倾角和安装间距也都进行了研究，但缺乏对安装倾角与安装间距的相互影响和综合考虑，为了进一步说明问题，本文以国内某大型光伏电站为基础，使用由瑞士日内瓦大学环境科学学院开发的并在国内外光伏行业普遍认可并经检验的PVsyst仿真软件进行建模，对不同安装间距与不同安装倾角下光伏电站度电成本进行比较分析，找到最低度电成本（LCOE）时的安装间距与安装倾角。

1光伏电站度电成本LCOE评估模型

光伏发电（大型地面光伏电站）的成本可以分为初始投资成本、运行维护成本、其他成本三大类。初始投资成本是决定项目总成本的最重要因素，一般包括光伏组件成本、建安工程成本、一次土地成本、电网接入成本等;光伏发电的运维成本主要包括组件清洗、组件支架及基础维护、设备计划性检修、设备预防性试验等内容;其他成本主要包括财务成本和税费成本。

在全投资模型下，LCOE 与初始投资、运维费用、发电小时数等都有关，并网光伏发电项目的 LCOE 评估模型[2]：

式中，为建设期的年限;为光伏区建设投资;为辅助工程的建设投资，包括光伏电站的交通、输变电工程、生活管理设施等建设投资;为生产期的运营维护成本;p为折现率;为系统第i年的发电量。

当需要建设一个光伏电站工程时，经过前期的技术论证，其项目建设场地、建设期年限、折现率均可视为定值;再通过前期外部环境考察及相关部门协调，基本外部辅助工程的建设投资及辅助工程的维护费用也都基本确定;目前国内光伏电站的运维费用一般以电站装机容量计算，在本文对光伏电站安装倾角与安装间距变化分析时会引起装机规模的微小变化，就会影响后期光伏电站的运维总费用的计算，但这个变化量较小，为了便于分析研究，在一定程度上可以认为光伏电站后期运维总费用是一个不变的值。

2 安装倾角与安装间距初值

2.1光伏电站基本条件

本文以内蒙古自治区鄂尔多斯市一地面光伏电站为例进行分析，当地太阳能资源丰富，多年平均总辐射为1655.2kWh/m2，当地太阳能资源情况如表1。

项目所在地实测年的总辐射日变化见图1，可以看出，总辐射呈现出明显的日变化趋势，从7：00（北京时间）开始出现一定强度的太阳辐射，在中午13：00的时候太阳辐射强度达到最大值，而后开始逐渐的减弱。一天中太阳辐射强度较大的时段主要集中在中午前后的10：00～16：00。

2.2组件串联数计算

众所周知，光伏组件的温度系数为负值，越低的温度光伏组件的开路电压就会越高，当组件串联成串时，就会得到与光伏逆变器匹配的电压值。光伏组件串联数量计算，按照 GB50797-2012《光伏发电站设计规范》中组串计算公式计算.

而该规范计算的光伏组件串联组件数量时并未提及光伏组件工作条件下的极限温度（极限高温、极限低温）的校正方法，传统设计的极限温度多采用当地的环境极端低温，其实并未考虑到光伏组件的工作机理，而根据光伏组件工作时的IV曲线特性[7，8]，光伏组件会产生热效应，实际的温度会较当地的极限低温要高，此时的光伏组件的开路电压往往达不到计算的值;同时当地的极低气温一般出现在夜晚，此时的光伏系统是未投入工作，而光伏系统开启工作时的环境气温也较极低气温会有所增加，同样光伏组件的开路电压也为达到上式所用的到值。

光伏组件的开路电压为，为零电流时的电压，众多文献针对其进行分析研究，其值主要是受光照和温度的影响，随着光照呈对数增长，光伏组件的开路电压的辐照影响用下公式计算[9]：

根据上面式[3]和式[4]可以得出温度和辐照值对光伏组件的开路电压的影响，并可以列出在不同辐照值下，同时再考虑到温度的变化，从而可以计算出在光伏电站所在地点的光伏组件的最高开路电压，并根据逆变器允许的最大输入电压，从而计算出光伏组件的最大串联数。

2.3安装倾角计算

光伏组件的安装倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，光伏的倾斜角应该是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当緯度较高时，相应的倾斜角也大，反之则小。

当光伏方阵面向正南方向时（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）逐渐向最佳的倾斜角抬起时，其日射量不断增加直到最大，然后再增加倾斜角其日射量不断减少;当方位角不等于0°度时，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。

该倾角的确定方法有很多种，最理想的组件倾角应该使太阳能电池年发电量尽可能的大，一是如果可以按照设计进行安装，尽最大可能的保证发电站的倾角符合当地最大发电量的要求，一般取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池组件安装的倾斜角，当然如果能够精确计算或采用计算机设计软件设计，可以得出最佳的数值。如果没有条件对倾斜角进行计算机优化设计，也可以根据当地纬度粗略确定太阳能电池的倾斜角。二是计算最佳倾角需要当地的经纬度来确定太阳各时刻的高度角和方位角，需要年辐射数据，最好是多年平均的年辐射数据来确定当地太阳辐射的特性，根据辐射数据及经纬度计算并累加得到不同倾角光伏方阵的年总辐射接收量，从中选择年总辐射量最大的倾角作为最佳倾角。一般可采用PVsyst等软件方便快捷的进行最佳倾角计算。

本文参考GB50797-2012《光伏发电站设计规范》附录B和通过PVsyst软件的仿真年发电量最大（图2）时光伏组件斜面上获得辐射值最大时的倾角，综合考虑确定。

2.4安装间距计算

计算光伏阵列间距的主要参数有纬度、时角、赤纬角、太阳高度角、太阳方位角、光伏阵列方位角、光伏阵列倾斜角、光伏组件长度。采用固定式安装方式的光伏阵列，会有方位角和倾斜角的概念。我国光伏发电设备一般为正南朝向安装，受场所限制时，方位角会有所调整但幅度一般不会太大。

在计算光伏组件的安装间距时，一般的计算原则是依据《光伏发电站设计规范》中关于光伏方阵布置要求，即一年中冬至日太阳高度角最低，方阵间距D应大于冬至日真太阳时9：00～15：00时的阴影的最大长度，保证在该时段不发生阴影遮挡，则光伏阵列一年之中太阳能辐射较佳利用范围内就不会发生阴影遮挡，如图3所示。

3 安装倾角与安装间距优化

当光伏组件在安装间距确定的前体下，随着安装倾角的增加，光伏组件表面斜面上接收到的太阳能的辐射量就会增加，所产生的发电量也就会增多;但同时随着安装倾角的增加，光伏组件背面阴影就会越长，导致后排组件遮挡就会越严重，发电量就会因遮挡而下降。

而当光伏组件在安装倾角确定的情况下，随着安装间距的增加，组件间相互遮挡也就越小，则组件接收的直接辐射量越多，散射辐射量也会增加，发电量也就会增多;但同时随着安装间距的增加，光伏电站占地面积就会增加;在项目占地面积一定的情况下，减小安装间距，可以增加安装容量，虽然增加了部分成本，但是在一定间距范围内获得的发电量的增加，使得整个光伏电站的度电成本会降低，但当减少安装间距又会造成前后排组件遮挡，要获得更高的发电量可以减小安装倾角。

利用PVsyst仿真软件对安装间距和安装倾角分别作为单变量变化时的变化图，比较分别在不同安装间距和不同安装倾角下的发电量，见图4和图5。由图可以看出，随着安装倾角的增加，输出总发电量增加，但增大到一定程度后，再增加安装倾角，会引起后排组件的遮挡，从而造成发电量的减少;由图中还可以得出，光伏组件的实际最佳安装倾角较前章节计算得出的值小，那是因为前章节计算得到的最佳倾角为单排布置时，并未考虑前后排遮挡情况下对总发电量的影响。由图5可以看出，在固定安装倾角时，输出总发电量随着安装间距的增加而增加。

当安装倾角与安装间距两个变量同时变动时，光伏电站的发电量输出及项目的度电成本变化就会变得非常复杂，因此对其研究也就会变得非常困难，针对这个问题，本文针对不同倾角和不同安装间距做了大量方案，并利用PVsyst仿真软件逐一建模，对这些方案逐一进行整个生命周期内的发电量模拟与整个项目度电成本计算，并进行比较分析，绘制度电成本曲线图（图6）。从图中可以看出，不同的安装倾角和安装间距下都能找到最低度电成本时候的安装间距和安装倾角，但较多的曲线中也能找到度电成本最低时所采用的方案，从而也就可以很好地确定光伏电站组件的最佳安装倾角和最佳安装间距。

4 结论

通过本文分析，在建设一个光伏电站时，建设方案初级阶段设计的安装间距和安装倾角，并不是最优的，不能使度电成本达到最低值，电站的效益达到最大，依照本文所给出的分析方法，可以寻找到最优度电成本（LCOE）时的安装倾角和安装间距，实现投资成本与产出的最优组合，使光伏电站的投资效益最大化。

本文提出的光伏组件的安装倾角和安装间距的优化方法可以推广，对于不同地点、不同規模和不同投资策略的光伏电站项目设计均可提供很好借鉴。

参考文献：

[1]王勃华.中国光伏行业2019年回顾与2020年展望. 2020.2.

[2]吴江，李晟.基于度电成本指标的光伏电站装机规模优化设计.冶金动力.2019.7（7），16-18.

[3]劳大实.屋顶光伏项目安装倾角的选择.智能建筑电气技术.2019.12，13（6），110-112.

[4]周建朋，王明介.随坡安装山地光伏电站阵列间距的计算.华电技术.2019.033（41），76-80.

[5]杨光勇，陈贶等.不同安装倾角的光伏系统发电量分析.有色冶金节能.2014.10（5），50-54.

[6]刘国忠，范忠瑶等.不同安装倾角对光伏电站发电量的影响研究.太阳能学报.2015.12（36），2973-2978.

[7]陈祥，潘基书.光伏电站组件串联数的优化设计.云南电力技术.2018.10（46），1-5.

[8]杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术（第三版）[M].北京：电子工业出版社.2017，64～67.

[9]秦红，沈辉，张仁元，张臻等.温度对太阳电池效率的影响及改善方法分析.深圳：第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛.

作者简介：

朱军峰（1984-），男，高级工程师，中冶华天工程技术有限公司，主要从事电力系统及其自动化专业、新能源、高压供配电等方向的研究、工程设计、项目技术管理工作。