科学研究与应用
Journal of Scientific Research and Applications
- 主办单位:未來中國國際出版集團有限公司
- ISSN:3079-7071（P）
- ISSN:3080-0757（O）
- 期刊分类:科学技术
- 出版周期:月刊
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基于项目最优收益率的一种光伏电站倾角计算方法
A Calculation Method for the Inclination Angle of Photovoltaic Power Stations Based on the Optimal Rate of Return of the Project
引言
随着国家“30·60碳达峰·碳中和”的指导思想的深入，新能源发电作为碳减排的发展进程中核心力量将迎来大发展。目前，单晶硅大功率组件的规模化生产使得整体价格呈下降趋势，但发展至2020年前后受上游硅料产能及碳减排、能耗双控的影响下，组件价格波动明显。同时各地政府不同程度上调光伏电站土地费用（土地租赁费、耕地占用税等），光伏电站用地成本在项目总投资中的占比已逐步提高；而传统光伏电站设计中采用倾斜面最大辐照度确定倾角，阵列间距采用下真太阳时6小时无遮挡距离，但未考虑项目占地和收益率对项目倾角的影响；该排布方式阵列间距较大，土地利用率低，致使土地成本在总投资中占比过高，综合收益难以达到预期。本文通过固定步长调整阵列间距，计算对应间距最优倾角，同时考虑用地及组件价格对收益率影响寻找项目最佳倾角的方法，为光伏电站提高收益率提供参考。
1 光伏电站阵列最佳倾角概述
本文以宁夏中部某市一大型光伏电站为例，利用PVsyst对场址所在地的太阳运动轨迹进行模拟；由场址地经纬度及太阳运动规律计算得出太阳运动轨迹如图1所示，横坐标及纵坐标分别为方位角和太阳高度角。太阳辐射的强弱和太阳高度角有直接关系，高度角越大，太阳辐射越强。场址处纬度较低，太阳高度角处于较大值的时间较多，区域日照条件较好。
注：1：6月22日；2：5月22日、7月23日；3：4月20日、8月23日；4：3月20日、9月23日；5：2月21日、10月23日；6：1月19日、11月22日；7：12月21日
根据SolarGis专业光伏分析计算工具，宁夏中部某项目站址太阳能月度分布如表1所示。
| 月份 | 水平面总辐射（kWh/m2） | 水平面散射辐射量（kWh/m2） | 法向直接辐射量（kWh/m2） | 地表反射率 |
|---|---|---|---|---|
| 1月 | 86.4 | 36.4 | 123.1 | 0.26 |
| 2月 | 102.1 | 43.5 | 118.4 | 0.27 |
| 3月 | 144.8 | 66.3 | 128.8 | 0.25 |
| 4月 | 168.0 | 79.7 | 128.0 | 0.25 |
| 5月 | 186.9 | 87.1 | 136.4 | 0.25 |
| 6月 | 184.7 | 86.7 | 133.2 | 0.25 |
| 7月 | 185.8 | 80.5 | 145.8 | 0.24 |
| 8月 | 168.1 | 73.2 | 136.6 | 0.23 |
| 9月 | 130.0 | 58.5 | 112.7 | 0.22 |
| 10月 | 115.0 | 50.9 | 119.3 | 0.21 |
| 11月 | 90.2 | 37.4 | 120.6 | 0.23 |
| 12月 | 84.0 | 31.8 | 137.6 | 0.26 |
| 合计 | 1646.0 | 732.0 | 1540.3 | 0.24 |
由上图表知，年内各月太阳能总辐射以5月份最多（186.9kWh/m2），12月份最少（84.0kWh/m2），太阳总辐射量夏秋两季较强，有较好的利用价值，春冬两季相对较差，全年太阳总辐射量为1646kWh/m2。跟据中华人民共和国气象行业标准QX/T89－2008《太阳能资源评估方法》，初步判定工程场址处太阳能资源丰富程度等级为资源很丰富（等级划分详情见表2），利用价值较好。
固定式光伏方阵最佳倾角是使光伏方阵的倾斜面上受到的全年辐照量最大的光伏组件对地水平夹角。以往研究中描述“1.固定式布置的光伏方阵、光伏组件安装方位角宜采用正南方向；2.光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9:00～15:00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡”。
然而，在光伏项目实施过程中，往往间距固定后发现，最佳倾角并非是固定式光伏阵列发电量最大的倾角（本文所有测算过程均基于主流厂家双面双玻540Wp单晶硅组件，规格：2256mm*1133mm*35mm;光资源数据取自SolarGis），如图2、3所示。
当间距在9.8米以上，最佳倾角30°以上时，适当降低倾角，减小前后排阴影遮挡，可适当提高发电量；当间距在9.2m以下，最佳倾角26°以下时，适当增大整列倾角，增加光伏组件表面接收太阳能辐射量，可适当提高发电量。在典型光伏电站设计中，固定光伏阵列最佳倾角对应的阵列间距小幅减小倾角，以减少真太阳时以外时间这列前后左右遮挡，达到发电量最大的目的。本文所述优化倾角是以宁夏中部某市一大型光伏电站阵列排布为例，利用PVsyst对真太阳时不遮挡整列倾角依此进行测算分析，以真太阳时不遮挡对应行距为基础，调整光伏阵列倾角，寻找不同间距下的最佳倾角；综合考虑土地费用、组件价格等因素的影响找到收益率最大对应的角度。
2 土地费用对不同阵列倾角电站收益率的影响分析
近年，随着各地政府不同程度上调光伏电站土地费用，在光伏电站规划和建设中土地费用在光伏电站项目投资中所占比例越来越大。传统典型光伏电站最佳倾角阵列排布明显存在土地利用率不足、项目总收益率低等问题。针对上述问题，本文通过利用PVsyst对宁夏中部某市一大型光伏电站不同间距下优化倾角发电小时进行模拟分析，并对三种典型土地费用下，不同光伏阵列间距收益率进行测算分析，寻找最优倾角。
基于宁夏中部某市某新能源发电企业一大型光伏复合项目，以资本金投入33.3%，贷款比例为66.7%，对不同价位的土地费用进行测算分析得到如图4所示。
由上图可见，在土地费用变化较大情况下，随着最佳倾角和对应行距的变化，项目投资回报率（IRR）出现了截然不同的变化趋势。当土地费用为4000元/亩，在阵列行距为9.35m出现IRR的最大值为6.46%，对应最优倾角为28°；土地费用为10000元/亩时，项目IRR最大值6.03%出现在阵列行距为8.2m处，对应最优倾角23°。土地费用为16000元/亩时，项目IRR最大值5.66%出现在阵列行距为7.67m处，对应最优倾角23°。土地费用为16000元/亩时，相比最大辐照度对应倾角36°、间距为10.37m的收益率提高0.15%，节约用地34.7%，单位面积装机容量提升25.9%。
由此可见，当土地费用较高时，土地费用的变化会直接影响到整个项目开发、投资和建设所参照的维度，光伏电站设计应考虑土地费用在项目投资中的占比变化，以调整阵列间距找到最优倾角，达到项目投资收益率最大。
3 组件价格对不同阵列倾角电站收益率影响分析
在2020年前后，受上游硅料产能及碳减排双控的影响下，组件价格波动明显，但近年也随着单晶硅大功率组件的规模化生产使得整体价格呈下降趋势。2020年光伏组件市场成交价格在1.8元/W-2.2元/W，预计在未来几年组件价格会下降至1.5元/瓦左右。本文以组件价格1.4元/W-2.2元/W为例进行模拟测算结果见图5。
由图5可见，在土地费用和其他条件为定值时，分别测算五种组件价格变化时对应不同最优间距下的收益率，五种情况下项目的收益率均在最优间距为9.5m左右。由此可见，组件价格只会决定整体项目收益的高低，与组件排布的最优倾角及其间距无关。
4 结语
总而言之，在内陆大型光伏电站设计和建设中，应当结合当地政府土地费用政策等对光伏阵列倾角进行经济性评价，不应固守辐照量最大的原则忽略光伏电站其他影响因素的限制。目前各大主流新能源发电集团，对旗下发电项目均有收益率要求，在“30·60碳达峰·碳中和”大力发展光伏发电产业大的背景下，应结合实际项目情况，调整光伏阵列间距和倾角，寻找最优倾角（最优收益率对应倾角），达到收益率满足要求的目的，为光伏产业发展开辟新的思路。
参考文献：
- [1] 迟福建,葛磊蛟,洪博文,等.固定式光伏发电组件最佳倾角的聚类分析方法[J].电测与仪表,2018,55(13):89-93+123.
- [2] 廖敏,马晓成,周哲,等.离网型光伏发电系统的组件倾角设计[J].高压电器,2015,51(06):74-76+80.
- [2] 刘祖明,李迎军,谢建,等.固定式联网光伏方阵的最佳倾角[J].云南师范大学学报,2000,20(06):24-28.
- [4] 罗元汲.光伏电站设计中最佳倾角的二次优化设计浅析[J].电子测试,2021(09):50-52.
- [5] 石磊,侯学良.光伏电站阵列最佳倾角和间距确定方法研究[J].电网与清洁能源,2017,33(05):109-114.
- [6] 谢彤,李可成,马昭键,等.光伏阵列倾角及方位角的最优化研究[J].计量学报,2020,41(01):22-25.
- [7] 叶任时,刘海波,李德,等.光伏组件倾角和阵列间距的多因素综合计算方法[J].人民长江,2015,46(05):39-42.
- [8] 马庆虎,王珣,白卫刚,等.降低光伏组件最佳安装倾角对光伏发电系统发电量影响的研究[J].太阳能,2020(11):62-65.