四川省某光伏发电项目的光伏支架选型设计

吴 迪，田 密，廖心言

(1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130；2. 成都航空职业技术学院，成都 610100)

0 引言

光伏支架成本是光伏发电项目成本的重要组成部分，而光伏支架类型的选择对光伏发电项目平准化度电成本(LCOE)有重要影响。按运行方式不同，光伏支架可主要分为固定式和自动跟踪式2类。固定式光伏支架包含固定倾角式和固定可调式2种；自动跟踪式光伏支架主要包含平单轴、斜单轴和双轴3种，当前市场上的自动跟踪式光伏支架主要以平单轴光伏支架为主，通常，纬度低于30°的地区主要使用平单轴光伏支架，而纬度高于30°的地区可使用带一定倾角的平单轴光伏支架，即带倾角的平单轴光伏支架。固定倾角式、固定可调式、平单轴和带倾角的平单轴这4种光伏支架形式是目前大型地面光伏电站应用最为广泛且最为成熟可靠的光伏支架方案。

本文针对2021年建设的四川省某光伏发电项目的特点，通过LCOE，对该项目分别采用固定倾角式、固定可调式、平单轴和带倾角的平单轴这4种光伏支架进行定量分析，以便得到最适宜本项目的光伏支架形式。

1 本光伏发电项目概况

本项目位于四川省甘孜州乡城县正斗乡的顶贡大草原上，场址为高山台地，丘陵地形，坡度较缓，四周无遮挡，且场址周边已建成多个光伏电站。场址的总占地面积约为 3.6 km2，分为南、北2个地块。南、北地块的占地面积均约为1.8 km2；项目的交流侧总装机容量为200 MWp。

乡城县的年太阳辐照量在6000～6400 MJ/m2，年平均日照时数为2195.8 h，日照百分率为46%；年平均气温为11 ℃；年平均无霜日为262天。将国外主流的气象数据库NASA、Meteonorm、Solargis得到的该项目所在地的多年平均月太阳辐照量和实测得到的月太阳辐照量进行对比，如图1所示。

图1 不同方式得到的月太阳辐照量数据对比Fig. 1 Comparison of monthly solar irradiation data obtained by different methods

从图1可以看出：3种气象数据库提供的月太阳辐照量数据与实测的月太阳辐照量变化趋势基本一致，其中，实测数据最高，NASA提供的数据次之，Solargis提供的数据最低。项目所在地的春、夏季太阳辐射强，秋、冬季太阳辐射弱。由于NASA提供的数据与实测数据最为接近，因此本文选用NASA提供的数据作为本项目太阳能资源分析时的数据。参照GB/T 31155—2014《太阳能资源等级 总辐射》中的等级划分，项目所在地属于中国太阳能资源A类地区(太阳能资源最丰富区)，太阳能开发价值较好。

2 4种光伏支架方案

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[1]规定，本项目光伏支架的设计使用年限设定为25年，安全等级为三级，结构重要性系数不小于0.95；光伏支架结构的抗震设防类别为丁类。

2.1 固定倾角式光伏支架方案

固定倾角式光伏支架设计时采用的基本雪压为0.50 kN/m2，基本风压为0.45 kN/m2。光伏支架立柱与基础为刚接，立柱与横梁、支撑梁之间为铰接。根据NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》[2]，在各种荷载作用下，钢制光伏支架的主体和构件的变形需符合以下规定：

1)当风荷载取标准值或在地震作用下时，光伏支架的柱顶位移不应大于柱高的1/60。

2)受弯构件的挠度容许值不应超过表1中的规定值。

表1 光伏支架的受弯构件的挠度容许值Table 1 Allowable values of deflection of flexural members of PV brackets

3)受压和受拉构件的容许长细比应符合表2中的规定值。

表2 受压和受拉构件的容许长细比Table 2 Allowable slenderness ratios for compression and tension members

根据GB 50797—2012的要求，固定倾角式光伏支架的倾角宜使光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量最大。在光伏阵列方位角为0°的情况下，利用PVsyst软件对固定倾角式光伏支架倾角α在0°～90°范围内变化时，光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值β进行模拟，模拟结果如图2所示。

图2 采用固定倾角式光伏支架时，不同倾角下光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值对比Fig. 2 Comparison of ratio of annual solar irradiation received by inclined surface of PV array to horizontal surface under different inclination angles when fixed inclination angle PV bracket is used

从图2可以看出：当光伏支架倾角为33°时，光伏支架倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值最大，为1.17，说明该倾角下光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量最多。

经过计算发现：固定倾角式光伏支架的前后排最佳间距为8 m。在此前后排间距下，通过对固定倾角式光伏支架的倾角进行二次优化，可将其倾角降至30°，以减少前后排光伏阵列造成的阴影损失。

当固定倾角式光伏支架上安装双面光伏组件时，可采用竖向小檩条的结构设计，以减少光伏支架横梁对光伏组件背面的遮挡，此时横梁可从4根减少至3根。采用小檩条设计且安装了双面光伏组件的固定倾角式光伏支架平面图如图3所示。

图3 采用小檩条设计且安装了双面光伏组件的固定倾角式光伏支架平面图(单位：mm)Fig. 3 Plan view of fixed inclination angle PV bracket with small purlin design and bifacial PV modules installed (unit：mm)

当固定倾角式光伏支架上的双面光伏组件以“2×14”的方式竖向排布、每榀光伏支架采用8根独立钢桩、光伏组件最低点离地高度为1.8 m时，单榀光伏支架的重量为542 kg，比安装了其他类型光伏组件的固定倾角式光伏支架的重量提高了约8%。

2.2 固定可调式光伏支架方案

为了提高光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量，固定可调式光伏支架可在夏季期间采用较低的倾角，在冬季期间采用较大的倾角，以减少太阳入射角损失。需要说明的是：本文将全年时间划分为夏季和冬季讨论，其中，夏季为4～9月，冬季为10月～次年3月。经实证，在高纬度地区，光伏阵列采用固定可调式光伏支架比采用固定倾角式光伏支架可提高约4%～6%的发电量。

在光伏阵列方位角为0°且为冬季的情况下，利用PVsyst软件对固定可调式光伏支架倾角在0°～90°范围内变化时，光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值进行模拟，模拟结果如图4所示。

从图4可以看出：在冬季，本项目中的光伏支架倾角为50°时，光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值最大，为1.23，说明在该倾角下，光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量最大。随着光伏支架倾角的增加，光伏支架承受的风荷载也会大幅增加，从而导致光伏支架的用钢量大幅增加。通过对光伏支架倾角进行优化与计算，并结合以往工程经验，综合考虑光伏支架结构经济性及太阳辐照量情况，将冬季时光伏支架倾角降为45°，此时光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量仅降低0.3%，且节约了光伏支架用钢量。因此，冬季时建议固定可调式光伏支架倾角采用45°。

图4 在冬季采用固定可调式光伏支架时，不同倾角下光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值对比Fig. 4 Comparison of ratio of annual solar irradiation received by inclined surface of PV array to horizontal surface under different inclination angles when using fixed and adjustable PV brackets in winter

固定可调式光伏支架的设计边界条件与固定倾角式光伏支架的类似，也采用“2×14”的方式竖向排布。当冬季按照固定可调式光伏支架倾角为45°设计时，前后排光伏支架的最佳间距从固定倾角式光伏支架时的8 m增加到了9 m。因此，相较于固定倾角式光伏支架的总占地面积，固定可调式光伏支架的总占地面积增加约5%。

在光伏阵列方位角为0°且为夏季的情况下，利用PVsyst软件对固定可调式光伏支架倾角在0°～90°范围内变化时，光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值进行模拟，模拟结果如图5所示。

从图5可以看出：在夏季，固定可调式光伏支架倾角为15°时，光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值最大，为1.19，说明在该倾角下，光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量最大。

综上可知：在夏季时，固定可调式光伏支架的倾角建议采用15°；冬季时，固定可调式光伏支架的倾角建议采用45°。

图5 在夏季采用固定可调式光伏支架时，不同倾角下光伏阵列倾斜面与水平面接收的年太阳辐照量比值对比Fig. 5 Comparison of ratio of annual solar irradiation received by inclined surface of PV array to horizontal surface under different inclination angles when using fixed and adjustable PV brackets in summer

2.3 平单轴光伏支架方案

平单轴光伏支架是通过围绕位于光伏阵列面上的一个轴旋转来跟踪太阳，相较于固定式光伏支架，采用平单轴光伏支架时，光伏阵列可提高10%～15%的发电量。但随着纬度的增大，光伏组件与太阳形成的夹角减小，采用平单轴光伏支架的光伏阵列的发电量逐步降低。因此，平单轴光伏支架适宜使用在纬度小于30°的地区。

目前平单轴光伏支架有2种运行方案：一种是单块光伏组件竖排的1P方案，另一种是2块光伏组件竖排的2P方案。对平单轴光伏支架2种运行方案的立柱工程量与经济性进行对比，分别如表3、表4所示。

表3 平单轴光伏支架2种运行方案的立柱工程量对比Table 3 Column quantities comparison of two operation schemes of flat single axis PV brackets

表4 平单轴光伏支架2种运行方案的经济性对比Table 4 Economic comparison of two operation schemes of flat single axis PV brackets

结合表3、表4可以看出：由于光伏支架上光伏组件的最低点离地高度不应低于1.8 m，因此光伏支架立柱较长。相较于1P方案，2P方案中，“立柱+基础+施工”的总成本可降低0.044元/Wp，而该方案中光伏支架上部系统(含电机)成本仅贵0.030元/Wp，因此综合这两项来看，相比1P方案，2P方案总成本可降低0.014元/Wp。由此可知：平单轴光伏支架采用2P方案时更具经济性。

平单轴光伏支架设计时采用的基本雪压为0.50 kN/m2，基本风压为0.45 kN/m2。跟踪式光伏支架具备大风保护和大雪保护模式，其在各种荷载作用下应满足GB 50797—2012对钢支架结构强度、刚度及稳定性的要求。平单轴光伏支架在设计时的主要控制参数包括：

1)在风荷载取标准值时或在地震作用下，光伏支架的柱顶位移不应大于柱高的1/60；

2)受压构件容许长细比小于等于180；

3)受拉构件容许长细比小于等于200；

4)横梁(转动轴)的挠度小于等于L/250。

光伏支架立柱与基础之间为刚接，立柱与横梁之间为铰接。立柱铅锤于地表水平面，倾斜度不大于0.5°。采用2P方案时平单轴光伏支架的剖面示意图如图6所示。

2.4 带倾角的平单轴光伏支架方案

由于本项目所在地的纬度为29.2°N，接近中纬度地区，因此本项目采用带倾角的平单轴光伏支架，即平单轴光伏支架加上5°的倾角，以减少在冬季时的入射角损失。5°倾角的平单轴光伏支架采用单块光伏组件竖排的方式，且每2块光伏组件南北间的净间距为0.4 m。相比平单轴光伏支架1P方案，单个带倾角的平单轴跟踪单元的立柱数量从11根增加到了13根。5°倾角的平单轴光伏支架的设计边界条件与平单轴光伏支架的相同，其剖面示意图如图7所示。

图6 采用2P方案时平单轴光伏支架的剖面示意图(单位：mm)Fig. 6 Cross-sectional schematic diagram of flat single axis PV bracket when using 2P scheme (unit: mm)

图7 5°倾角的平单轴光伏支架的剖面示意图Fig. 7 Cross-sectional schematic diagram of a flat single axis PV bracket with 5° inclination angle

2.5 小结

对分别采用上述4种光伏支架时，光伏阵列倾斜面接收的逐月太阳辐照量进行对比，具体如图8所示。其中：固定倾角式光伏支架的倾角为30°；固定可调式光伏支架倾角在冬季时为45°，在夏季时为15°；平单轴光伏支架与5°倾角的平单轴光伏支架的跟踪角度范围均为±45°。

图8 4种光伏支架时光伏阵列倾斜面接收的逐月太阳辐照量Fig. 8 Monthly solar irradiation received by inclined surface of PV array for four types of PV brackets

从图8可以看出：

1)相较于采用固定倾角式光伏支架，采用固定可调式光伏支架时能明显增加光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量，尤其在夏季的5～7月和冬季的11月～次年2月期间，提升最为明显。整体来看，采用固定可调式光伏支架时年太阳辐照量可提高4.85%。

2) 相较于采用固定倾角式光伏支架，采用平单轴光伏支架时，在3～10月光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量大幅提高，在冬季的11月～次年2月光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量反而降低。整体来看，采用平单轴光伏支架时，光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量比采用固定倾角式光伏支架时提高10.87%。

3) 在4～8月，采用平单轴光伏支架与采用5°倾角的平单轴光伏支架时光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量几乎相同；在9月～次年3月，相较于采用平单轴光伏支架，采用5°倾角的平单轴光伏支架能小幅提高光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量。整体而言，采用5°倾角的平单轴光伏支架时，光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量相较于采用平单轴光伏支架时的能提高2.8%；相较于采用固定倾角式光伏支架时的能提高14%。

3 光伏支架选型分析

3.1 LCOE分析方法

根据NB/T 10394—2020《光伏发电系统效能规范》[3]，对采用不同光伏支架方案时项目的LCOE进行对比。LCOE的计算式可表示为：

式中：i为折现率，本文取8%；n为光伏发电系统运行年数(n=1, 2, ……,N)，年；N为光伏发电系统寿命周期，年；I0为光伏发电系统的静态初始投资，元；It为光伏发电项目的增值税抵扣，元，本文按照7年全部抵扣完计算；VR为光伏发电系统残值，元，本文取5%；Mn为光伏发电项目的第n年运营成本(含维修、保险、材料、人工工资、辅助服务费等，不含利息)，元；Yn为上网电量，kWh。

3.2 主要边界条件及成本对比

4种光伏支架选型对比时的主要边界条件如表5所示。

表5 4种光伏支架选型对比时的主要边界条件Table 5 Main boundary conditions in selection and comparison of four types of PV brackets

分别采用4种光伏支架时，本项目的首年发电量及系统效率情况如图9所示。其中，平单轴光伏支架采用2P方案；5°倾角的平单轴支架采用1P方案。

分别采用4种不同光伏支架时，本项目的单位投资成本及25年LCOE情况如图10所示。其中，平单轴光伏支架采用2P方案；5°倾角的平单轴光伏支架采用1P方案。

图9 本项目分别采用4种光伏支架时的首年发电量和系统效率Fig. 9 First year’s power generation and system efficiency when four types of PV brackets are used in this project

结合图9和图10可以发现：在以采用固定倾角式光伏支架为对比基准的情况下，采用固定可调式光伏支架时，本项目的首年发电量可提高3.22%，单位投资成本增加2.71%，25年LCOE增加0.51%；采用平单轴光伏支架时，本项目的首年发电量可提高10.48%，单位投资成本增加7.26%，25年LCOE降低1.32%；采用5°倾角的平单轴光伏支架时，本项目的首年发电量提高13.55%，单位投资成本增加11.17%，25年LCOE增加1.40%。因此，4种光伏支架中，25年LCOE最低的支架形式为平单轴光伏支架，其次为固定倾角式光伏支架。

图10 本项目分别采用4种光伏支架时的单位投资成本及25年LCOEFig. 10 Unit investment cost and 25-year LCOE when four types of PV brackets are used in this project

4 结论

本文以四川省某光伏发电项目为例，根据该项目的特点，通过平准化度电成本(LCOE)，对固定倾角式、固定可调式、平单轴和带倾角的平单轴这4种光伏支架进行定量分析，得到以下结论：

1)相较于采用固定倾角式光伏支架，采用平单轴光伏支架时，在3～10月光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量大幅提高；而在冬季的11月～次年2月光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照量降低；采用平单轴光伏支架时，光伏阵列倾斜面接收的年太阳辐照量比采用固定倾角式光伏支架时提高

10.87%。

2)对于平单轴光伏支架，相较于单块光伏组件竖排的1P方案，采用2块光伏组件竖排的2P方案时“立柱+基础+施工”的总成本可降低0.044元/Wp，而该方案中光伏支架上部系统(含电机)成本仅贵0.03元/Wp，因此，综合这两项来看，相比1P方案，2P方案总成本可降低0.014元/Wp。

3) 在以采用固定倾角式光伏支架为对比基准的情况下，采用固定可调式光伏支架时，本项目的25年LCOE增加0.51%；采用平单轴光伏支架时，25年LCOE降低1.32%；采用5°倾角的平单轴光伏支架时，25年LCOE增加1.40%。因此，4种光伏支架中，25年LCOE最低的支架形式为平单轴光伏支架，其次为固定倾角式光伏支架。因此，本项目在地势平坦区域推荐安装采用2P方案的平单轴光伏支架，其他区域推荐安装固定倾角式光伏支架。