深度 | 关于光伏电站"最佳倾角”,你知道多少 ?

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楼主 2020-04-05 20:21:55
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目前国内的许多电站设计者们和一些光伏类工具书上对于光伏电站最佳倾角的设计,往往是用软件或者计算公式计算倾斜面上的年辐射量最大来确定最佳倾角,然后再根据这个最佳倾角,使用《光伏发电设计规范》中的规定冬至日上午9点到下午3点不遮挡的最小间距计算公式:

式中:L—阵列倾斜面长度

      D—两排阵列之间的距离

      —阵列倾角

      —当地纬度


以上就是目前许多设计人员在设计地面固定支架光伏电站时候对最佳倾角和最小间距的选取过程。然后根据此最佳倾角与最小间距,布置光伏阵列,完成电站光伏区的布置。但是,这样的设计方案真的是光伏电站最佳的设计方案吗?

本文提出:倾斜面上年辐射量最大的倾角未必是最佳倾角,最佳倾角的选择应综合电站的装机容量、发电量、投资、占地面积与土地租金,选取经济效益最优的,同时也是度电成本最低的“最佳倾角”。


一、倾角设计对于光伏电站的影响


光伏阵列倾角的选择会对影响光伏电站的几个方面产生影响:装机容量、发电量、投资、占地面积。发电量与投资是影响光伏电站的最敏感因素,而土地是电站的最重要的限制性因素,土地的面积关系到电站的装机容量,土地租金的价格影响了电站的度电成本与投资收益。下面我们逐条分析组件倾角对于几个方面的影响。


1、倾角对于光伏电站发电量的影响


以河北沧州海兴地区为例,经过模拟计算组件倾斜面上的年辐射量最大的倾角为36°,该倾角下首年峰值利用小时数为1672.1h,以2°为步长,计算从20°到40°的峰值利用小时,见图1。


图1 倾角与首年利用小时数关系图

 

从图中可以看出,倾角在20°到40°倾斜面上年总辐射量变化曲线十分平缓,也就是说最佳倾角附近倾斜面上的总辐射年总量相差很少。倾角26°时,较36°峰值利用小时仅降低了22.8h,1.36%。


倾角对于占地面积的影响


减小倾角,光伏阵列的最小间距越小,项目的单位MW占地面积越小。还是以河北海兴项目为例,不同倾角下,光伏阵列的最小间距以及单位占地面积变化见图2。


图2 不同倾角的单位占地面积图

 

从图中可以看到,倾角对于占地面积的影响非常明显。倾角较最佳倾角36°减少10°到26°,单位占地面积减少了2.59亩/MW,减少11.71%。


对于光伏电站,土地是重要的资源。单位占地面积一方面直接影响了光伏电站的土地成本,另一方面,土地不够用的情况下,单位占地面积甚至会影响电站的装机容量,而一旦影响了装机容量,对于电站的造价与投资收益影响将更加明显。


倾角对于造价的影响


组件倾角对于造价的影响体现在支架与基础、电缆、光伏区围栏、道路、场地平整以及土地成本几个方面,下文从这几个方面分别分析倾角对于造价的影响。


支架与基础的造价


假设组件下沿离地高度不变,倾角越大,支架上沿离地高度越大,对于双立柱支架来说立柱高度越高,支架重量越大;对于单立柱支架来说,基础的高度需要抬高,需增加基础长度。另一方面,倾角越大,支架承受的水平风载越大,对支架的受力计算有一定的影响。倾角对支架与基础用量的影响见下表:


表2 不同倾角的预制管桩基础用量


单立柱支架基础长度,倾角每减小2°,基础长度减小约0.3米,单位投资减小约0.06米,单位投资减小约0.03元/W。双立柱支架,倾角每减小2°,支架用钢量减小0.2t/MW,单位投资降低0.0019元/W。


 电缆的造价


光伏阵列的间距直接影响了电缆的用量。可以认为电缆的用量与光伏方阵的占地面积直接相关,造价水平也与占地面积呈线性相关的关系。电缆的造价与倾角的关系见表3.


表3 不同倾角的电缆造价


 光伏区的围栏、道路、场地平整


单位占地面积减小,光伏区围栏、道路、场地平整费用单位投资也会相应减小,可以认为这些费用与单位占地面积呈线性相关的关系。


表4 不同倾角下光伏场区围栏、道路、场地平整的造价水平                                


土地,土地作为建设光伏电站的重要条件,对造价的影响分两种情况。


第一种情况是,土地不作为限制性条件,土地的面积足够大,能够满足项目的装机容量。土地对造价的影响主要体现在获得土地的一次性费用与土地租金。光伏用地一次性费用包括征地赔偿费、植被恢复费、耕地占用税、水土保持补偿费等,土地一次性费用与项目地的土地政策关系较大,往往差距较大,计算假定获得土地一次性费用为1500元/亩。土地租金作为电站运营期缴纳的费用,对于电站的经营成本有较大影响,对于造价的影响主要体现在建设期的土地租金,一般计算首年的土地租金作为建设期的租金,计入工程造价。土地租金各地差异也较大,计算假定土地租金为600元/亩。土地租金的高低对于最佳倾角的选择会起到决定性作用,在后面我们会单独分析。


表5 不同倾角的土地成本(不考虑容量变化)

第二种情况是,土地面积不足,不能够满足项目的装机容量。倾角的选择影响了项目的装机容量,而容量变化对于造价的影响是非常明显的,主要体现在容量对于光伏电站的共用部分的投资影响。


公用部分的投资包括升压站、送出线路、项目的开发费、管理费、生产准备费与勘察设计费。上述费用根据项目的容量不同,单位投资不同,以100MW项目为例,上述各项的单位投资见表6。


表6 光伏电站公用部分的费用构成


公用部分的投资总额与项目的实际装机容量关系不大,项目容量变化会导致共同部分的单位投资变化。例如,送出线路工程,项目的装机容量为90MW时与装机容量为100MW时,总投资不会发生太大的变化,假设为1980万。但是计算单位投资时,投资总额不变,容量变化,单位投资变化较大。如100MW容量单位投资0.198元/W,而如果装机容量只有90MW,单位投资0.22元/W,单位投资增加0.022元/W。 


还是以河北沧州海兴地区为例,假定可利用土地面积为2000亩,不同倾角下的装机容量与公共部分的单位投资见表7。


表7 不同倾角下的装机容量与公共部分的单位投资

经过上述分析,倾角对于造价的影响可以分为两种情况,及土地不作为限制性条件与土地作为限制性条件。两种种情况下倾角对于造价总体的影响见表8、表9。 


表8 不同倾角下项目的总体造价水平(不考虑容量变化)

表9不同倾角下项目的总体造价水平(不考虑容量变化) 


二、“最佳倾角”的计算 


以上我们计算了不同倾角对于发电量、占地面积、工程造价的影响,根据上述计算结果计算不同倾角下项目的投资收益与度电成本。


计算基本假设:


项目的备案装机容量为100MW;

首年峰值利用小时,,并计算不同倾角下年辐射量;

系统效率取82%;

电价0.75元/W;

贷款比例75%,贷款利率5.635%(基准利率上浮20%);

土地租金600元/亩·年


计算结果见表10、表11。


表10 土地面积足够,不考虑容量变化的投资收益


表11 土地面积足够,不考虑容量变化的投资收益 


从计算结果看,土地不受限的情况下,投资收益最好的同时也是度电成本低的倾角是32°,低于倾斜面辐射量最大的倾角,此种情况下,电站经济效益最优“最佳倾角”是32°。 


在土地受限制的情况下,电站的装机容量受到倾角设计的影响,对于造价的影响更大,此时假定项目的“最佳倾角”是20°。


三、土地租金对于倾角选择的影响


计算土地租金变化时,不同倾角的度电成本,见表12。


表12 租金变化时电站的度电成本(不考虑容量的变化)


四、结论通过度电成本分析,可得到结论:租金对倾角的选择有影响。土地租金越高,单位用地成本越高,倾向于选择较小的倾角提高土地利用率,节约用地成本;土地租金越低,倾向于选择较大倾角,提高发电量。分布式光伏电站倾角的选择一般都小于最佳倾角,就是因为分布式项目的土地租金较高的原因所致。


1、光伏电站的最佳倾角选择,不应仅仅从倾斜面年辐射量最大的角度选择,而应该选择经济效益最优的“最佳倾角”。因为倾角的选择,直接影响了光伏发电工程的发电量、工程造价与土地面积,甚至在土地面积不足的情况下,倾角的选择还影响到了项目的装机容量。


2、本文通过对假设工程的计算与分析得出以下结论:


 倾角在倾斜面最大辐射的最佳倾角±15°的范围内的发电量变化是一条十分平缓的曲线,倾角减少10度,发电量减少约为1.36%;减少15°,发电量降低约为3%。


3、倾角变化会导致光伏阵列占地面积的变化,光伏阵列的单位占地面积随着倾角的减小下降较快,倾角减少10°,单位占地面积下降11.76%;倾角减少16°,单位占地面积减少约20%,远高于发电量的降幅。


4、倾角对于工程造价的影响分为两种情况:一、土地面积足够用,倾角的选择不改变容量的情况下,倾角每减低2°,单瓦造价降低约0.008~0.01元/W,降低10°,单瓦造价降低0.046元/W;降低16°,单瓦造价降低0.077元/W。二、当土地面积不够用,倾角的选择影响了装机容量,选择小一些的倾角可以增加项目的装机容量,摊薄公共部分的投资。这种情况下,倾角每减低2°,单瓦造价降低约0.03~0.04元/W,降低10°,单瓦造价降低0.17~0.18元/W,减低3.401%;降低16°,单瓦造价降低0.293元/W,减低5.702%;造价降低幅度大于发电量降低幅度。


5、电站设计时,选择倾斜面辐照值最大的倾角并不一定是最佳倾角,“最佳倾角”应该是对于光伏发电工程来说,度电成本最低的,同时也是投资收益最高的倾角。倾角选择时要综合考虑光伏电站的发电量、造价与土地。


经过本文的计算与分析,“最佳倾角”的选择应遵循如下的原则:


1)应充分利用项目的可利用土地,保证项目的装机容量。如土地面积按照最佳倾角设计不能够满足项目装机容量,应减小倾角,首先满足项目的装机容量;


2)倾角的选择应综合倾角对于发电量、造价与土地的影响,进行度电成本分析与投资收益计算,选择度电成本最低的“最佳倾角”;


3)土地的租金影响“最佳倾角”的选择,因为土地租金的价格影响了单位用地成本。一般情况下,土地租金越低,单位用地成本越低,倾向于选择更大的倾角;反之,单位用地成本高,应增加土地利用率,选择较小的倾角。


6. 关于电站最佳倾角的研究,很多业内人士也进行了研究。一些研究表明,计算倾斜面辐照量最大的倾角,再通过冬至日上午9点至下午3点无遮挡的计算方法后确定最小间距,这样的设计方法并不能保证发电量最大。因为倾斜面辐照量最大并没有考虑一定阵列间距的阴影遮挡。放大阵列间距,能够进一步提高发电量;而同样间距下,减小倾角可以提高实际发电量。


总体来说,倾角的选择受到可利用土地面积以及土地价格的影响。本文的研究表明:首先应最大程度上利用土地,保证装机容量,控制工程造价;在土地面积足够大,且土地价格非常低的情况下,可提高阵列间距,与倾角,保证发电量。


光伏电站的设计直接影响电站的全寿命周期的价值,通过电站的精益化设计提高电站收益,降低度电成本,可提高光伏企业的投资收益与竞争能力,而选择经济效益最优的“最佳倾角”是设计优化的重要手段。

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