光伏支架成本及选型分析

唐远程，卢小龙，孙志云，谢 彬，陈贺伟，韦启珍

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，长沙 410000)

0 引言

国际能源署预计，2030 年全球光伏发电新增装机容量将达到630 GW，光伏发电继续呈高速发展态势。随着光伏电站对于降本增效日益关注，其对光伏支架的要求也越来越高。不同类型光伏支架所带来的发电收益及其对造价的影响，亟待进行科学分析[1-2]。

光伏发电量和造价水平决定了光伏电站的经济性[3-4]。光伏支架作为光伏电站的重要组成部分，一方面其会影响光伏电站的安全性；另一方面其结构形式决定了光伏组件安装倾角，从而影响光伏电站发电量，进而影响光伏电站经济性[5-6]。而不同类型光伏支架对发电量的影响暂无权威统计数据，且采用不同类型光伏支架所产生的成本也需要科学论证。

按照类型不同，光伏支架可分为固定式光伏支架和跟踪式光伏支架，不同类型光伏支架的优缺点明显，且适用场景分明。固定式光伏支架的强度高、性能稳定、造价低、维修概率低，因此，采用此类光伏支架的光伏电站初始投资和运维成本均较低，但由于其不能跟踪太阳运行轨迹，电站光伏发电量较低[7]。跟踪式光伏支架由结构系统、驱动系统、控制系统组成，光伏组件安装倾角由电机控制以匹配太阳高度角和方位角，使入射角尽量小，从而达到接收更多太阳辐射的目的，可提高光伏发电量；缺点是占地面积大、转动部件多且容易磨损、故障率高，因此，当采用此类光伏支架时，光伏电站的初始投资和人工运维成本均较高。跟踪式光伏支架对纬度、地形及气候等条件的适应性差，建于不同地区的光伏电站采用跟踪式光伏支架时得到的发电量提升程度也不同。因此，对于不同的光伏发电项目需要采用不同的支架方案，在满足光伏电站正常运行的前提下，借助经济测算来判断采用何种光伏支架[8-10]。本文以长沙地区为例，从占地面积、发电量、运行成本、平准化度电成本(LCOE)等角度对采用不同类型光伏支架时光伏电站的LCOE 及不同场景下的光伏支架选型进行分析。

1 光伏支架分类及适用性

跟踪式光伏支架可分为单轴跟踪式光伏支架和双轴跟踪式光伏支架。

1.1 固定式光伏支架

当采用固定式光伏支架时，光伏阵列的方位角按0°布置，利用PVsyst 软件可以计算出项目所在地采用固定式光伏支架时光伏组件的最佳安装倾角。

1.2 单轴跟踪式光伏支架

单轴跟踪式光伏支架只能跟踪太阳高度角或太阳方位角中的一个，使太阳光入射角尽量小，但达不到入射角为0°。光伏组件围绕一根轴旋转，旋转轴与地面之间的布置方式，可采用水平、倾斜或垂直的布置方式。根据布置方式的不同，单轴跟踪式光伏支架可分为平单轴跟踪式光伏支架、斜单轴跟踪式光伏支架和垂直单轴跟踪式光伏支架。

1.3 双轴跟踪式光伏支架

双轴跟踪式光伏支架有两个旋转轴，能同时跟踪太阳的高度角和方位角，能跟太阳运行轨迹完全匹配，使太阳光入射角在各个时刻都为0°。但考虑到光伏组件之间的阴影遮挡及电站的经济性，光伏电站设计时一般不会保证入射角在任何时刻都为0°。采用双轴跟踪式光伏支架时光伏电站发电量较高，但此类支架的占地面积也较大。

2 确定边界条件

2.1 太阳辐射数据

长沙市气象局提供的2016—2020 年长沙市太阳辐射数据如表1 所示。

表1 2016—2020 年长沙市太阳辐射数据 (单位：kWh/m2)Table1 Solar radiation data of Changsha city from 2016 to 2020 (Unit：kWh/m2)

从表1 可以看出：该地区这5 年的年太阳辐射量在一定区间内上下波动，波幅在100 kWh/m2之内。根据该地区这5 年的年太阳辐射量，计算出该地区的平均年太阳辐射量为1205.70 kWh/m2。

2.2 不同类型光伏支架的调节角度设定

根据长沙地区的太阳辐照条件，对5 种光伏支架的调节角度进行了设定，具体如表2 所示。

表2 5 种光伏支架的调节角度设定值Table 2 Adjustment angle settings for five types of PV brackets

2.3 确定其他边界条件

选择市面上主流的尺寸为182 mm 的545 W单面单晶硅光伏组件和196 kW 逆变器为研究对象，容配比设计为1.27:1.00。5 种光伏支架的光伏组件布置方式如表3 所示。

表3 5 种光伏支架的光伏组件布置方式Table 3 Layout of PV modules for five types of PV brackets

根据表3 中光伏组件及光伏支架的布置方式，在PVsyst 软件中分别建立布置了5 种光伏支架的模型。

3 建立成本分析模型

3.1 光伏电站LCOE 分析

根据NB/T 10394—2020《光伏发电系统效能规范》对于LCOE 的定义，其可表示为：

式中：CLOE为光伏电站的LCOE，元/kWh；i为折现率，%；n为光伏电站运行的第n年；N为光伏电站的全生命周期，年；I0为光伏电站的静态初始投资，元；It为光伏电站的增值税抵扣，元；VR为光伏电站残值，元；Mn为光伏电站第n年的运营成本，含维修、保险、材料、人工工资及福利、辅助服务费等，不含利息，元；Yn为光伏电站第n年的上网电量，kWh。

参考2021 年光伏电站建设静态初始投资和市场相关合同，除光伏支架之外，光伏电站的单位静态初始投资取3.65 元/W；在采用固定式光伏支架的前提下，光伏电站的单位静态初始投资取0.35 元/W、光伏电站的单位年运行成本取0.094 元/W；光伏电站的增值税抵扣按电站静态初始投资的10%计取，仅在电站运行的前两年进行抵扣；光伏电站残值取静态初始投资的5%；折现率取7%；光伏电站的全生命周期取25年；光伏组件的首年衰减率取2%，之后每年的衰减率取0.5%。

根据上述数据，公式(1)可简化为：

式中：C1为当以采用固定式光伏支架为基数时，采用其他不同类型光伏支架的光伏电站静态初始投资差异系数；C2为当以采用固定式光伏支架为基数时，采用其他不同类型光伏支架的光伏电站年运行成本差异系数；C3为当以采用固定式光伏支架为基数时，采用其他不同类型光伏支架的光伏电站年发电量差异系数。

当以采用固定式光伏支架为基数时，采用其他不同类型光伏支架的光伏电站静态初始投资差异系数可表示为：

式中：Cq,t为采用除固定式光伏支架外的其他类型光伏支架时光伏电站的静态初始投资，元；Cg,t为采用固定式光伏支架时光伏电站的静态初始投资，元。

当以采用固定式光伏支架为基数时，采用其他不同类型光伏支架的光伏电站年运行成本差异系数可表示为：

式中：Cq,y为采用除固定式光伏支架外的其他类型光伏支架时光伏电站的年运行成本，元；Cg,y为采用固定式光伏支架时光伏电站的年运行成本，元。

当以采用固定式光伏支架为基数时，采用其他不同类型光伏支架的光伏电站年发电量差异系数可表示为：

式中：Cq,f为采用除固定式光伏支架外的其他类型光伏支架时光伏电站的年发电量，kWh；Cg,f为采用固定式光伏支架时光伏电站的年发电量，kWh。

3.2 采用不同类型光伏支架时光伏电站的静态初始投资差异分析

不同类型光伏支架的造价有一定差异，跟踪式光伏支架比固定式光伏支架的结构复杂且增加了诸多附件，导致此类光伏支架的初始投资费用增加。

以长沙地区为例，不同类型光伏支架的单位静态初始投资及差异系数如表4 所示。

从表4 可看出：固定式光伏支架的单位静态初始投资为0.35 元/W，垂直单轴跟踪式光伏支架和水平单轴跟踪式光伏支架单位静态初始投资是固定式光伏支架的2 倍左右，斜单轴跟踪式光伏支架和双轴跟踪式光伏支架的单位静态初始投资为固定式光伏支架的3～4 倍。因此，单从光伏支架的单位静态初始投资来看：双轴跟踪式光伏支架>单轴跟踪式光伏支架>固定式光伏支架。

3.3 不同类型光伏支架的年运行成本差异分析

光伏电站的年运行成本包含土地租金和年运维成本两部分。

3.3.1 土地租金

以长沙地区为例，利用PVsyst 软件进行阴影遮挡分析，确保光伏组件之间阴影遮挡损失低于3%，并以此为原则建模，得到装机容量为1 MW 的光伏电站采用不同类型光伏支架时的占地面积，具体如表5 所示。

表5 长沙地区1 MW 光伏电站采用不同类型光伏支架时的占地面积Table 5 Floor area of 1 MW PV power station in Changsha area when using different types of PV brackets

从表5 可看出：固定式光伏支架的占地面积最小，而垂直单轴跟踪式光伏支架的占地面积为固定式光伏支架的1.5 倍，其他跟踪式光伏支架的占地面积是固定式光伏支架占地面积的2 倍以上，其中双轴跟踪式光伏支架的占地面积最大。按湖南地区土地租金水平的中值，年土地租金取800 元/亩。

3.3.2 年运维成本

年运维成本含维修、保险、材料、人工工资、辅助服务费等费用。

相较于固定式光伏支架，跟踪式光伏支架的运维成本会在两方面有所增加：一方面是跟踪式光伏支架的活动部分相较于固定式光伏支架易磨损，因此需要运维人员定期维护及更换部件，并由此产生的费用；另一方面是跟踪式光伏支架需要电力驱动，光伏电站持续运行，就会持续消耗电能，导致跟踪式光伏支架的运维费用高于固定式光伏支架。

以长沙地区为例，不同类型光伏支架单瓦的年运维费用如表6 所示。

表6 长沙地区不同类型光伏支架单瓦的年运维费用Table 6 Annual operation and maintenance costs per watt for different types of PV brackets in Changsha region

从表6 可以看出：双轴跟踪式光伏支架的运维费用最高，其次是单轴跟踪式光伏支架，费用最低的为固定式光伏支架。

3.3.3 年运行成本差异系数

不同类型光伏支架的年运行成本差异系数如表7 所示。

表7 不同类型光伏支架的年运行成本差异系数Table 7 Difference coefficient of annual operating cost for different types of PV brackets

从表7 可以看出：双轴跟踪式光伏支架每瓦的年运行成本最高，单轴跟踪式光伏支架的次之，固定式光伏支架的最低。

3.4 不同类型光伏支架的年发电量差异系数分析

本文以装机容量为1 MW 的光伏电站为例进行分析，根据长沙气象站2016—2020 年的年均太阳辐射量，利用PVsyst 软件进行光伏发电量计算，具体如表8 所示。

表8 长沙地区不同类型光伏支架的年发电量差异系数Table 8 Difference coefficient of annual power generation of different types of PV brackets in Changsha area

从表8 可以看出：单从年发电量差异系数来看，双轴跟踪式光伏支架的年发电量差异系数最高，其次为单轴跟踪式光伏支架，固定式光伏支架的最低。

4 不同类型光伏支架的LCOE 及选型分析

4.1 不同类型光伏支架的LCOE 分析

将不同类型光伏支架的静态初始投资差异系数、年运行成本差异系数、年发电量差异系数分别代入式(2)，得到不同类型光伏支架的LCOE，具体如表9 所示。

表9 不同类型光伏支架的LCOETable 9 LCOE for different types of PV brackets

从表9 可以看出：不同类型光伏支架的LCOE从低到高依次为水平单轴跟踪式光伏支架<固定式光伏支架<垂直单轴跟踪式光伏支架<斜单轴跟踪式光伏支架<双轴跟踪式光伏支架。

4.2 光伏支架选型分析

从占地面积分析，对于单位容量的光伏组件而言，固定式光伏支架的占地面积最小，其次为单轴跟踪式光伏支架，双轴跟踪式光伏支架的占地面积最大。目前土地资源稀缺，对于装机容量大的光伏电站而言，建议优先选择固定式光伏支架。

从发电量上分析，双轴跟踪式光伏支架的发电最高，单轴跟踪式光伏支架的次之，固定式光伏支架的最低。但由于双轴和单轴跟踪式光伏支架的占地面积是固定式光伏支架的1.5 倍以上，而二者的年发电量差异系数均未超过1.5，所以对于单位占地面积而言，采用固定式光伏支架的光伏电站发电量最高。从单位占地面积光伏电站的发电量考虑，建议优先选择固定式光伏支架。

从LCOE 方面分析，水平单轴跟踪式光伏支架的LCOE 最低，其次是固定式光伏支架，成本最高的是双轴跟踪式光伏支架。从光伏电站的经济性考虑，建议优先选择水平单轴跟踪式光伏支架。

5 结论

本文以长沙地区为例，对采用不同类型光伏支架时光伏电站的占地面积、发电量、运行成本、LCOE 进行了分析，并分析了不同场景下适用的光伏支架类型。分析结果显示：

1)从年发电量差异系数来看，双轴跟踪式光伏支架的年发电量差异系数最高，单轴跟踪式光伏支架的次之，固定式光伏支架的最低。

2) LCOE 从低到高依次为：水平单轴跟踪式光伏支架<固定式光伏支架<垂直单轴跟踪式光伏支架<斜单轴跟踪式光伏支架<双轴跟踪式光伏支架。

3)当光伏电站项目以经济性最优为考量标准时，建议选择平单轴跟踪式光伏支架。

4)当光伏电站项目以装机容量最大为考量标准时，建议选择固定式光伏支架。

本研究方法适用于中国各个地区光伏电站的光伏支架成本及选型分析。