光伏项目最佳倾角与间距的选择

邹海青，何昌炎，郑涛平

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

自2020 年9 月22 日宣布“双碳”目标以来，我国的光伏开发建设进入了新的高潮。而随着光伏发电设备制造技术的迭代发展，发电系统的建设成本比十几年前下降了90%以上，上网电价也从之前靠国家补贴的状态转变成平价上网甚至市场化运行的状态。本文主要介绍基于特定项目的条件下如何优化系统的最佳倾角和间距选择，以达到降低项目度电成本的目的。

1 概述

光伏系统总体投资水平已在4 000 元/kWp 左右，在不同的资源条件下，满足投资收益要求的电价也不尽相同。但光伏电站属于投资敏感型项目，即投资或成本的波动会带来收益率的较大变化。因此，光伏电站的投资比较关注项目的平准化度电成本[1]。

我国的光伏发电项目一般采用的是固定式安装，根据年辐射量确定光伏组件的安装倾角[2-5]。本文以湖北某项目为例，说明不同安装倾角及间距选择方式对度电成本(LCOE)的影响及倾角和间距的优化过程。为便于研究，后续计算均选取3.15 MW 方阵作为研究对象，示例项目Solargis 太阳能资源及气象数据如表1 所示。

表1 示例项目Solargis太阳能资源情况

2 常规确定安装倾角和间距的方法

2.1 安装倾角的选择

传统的安装倾角和间距选择方法较为简单，通常是获取项目地太阳能资源后，通过PVsyst 读取辐射量最大的角度作为安装倾角。具体是通过PVsyst 软件Orientation 界面，调节不同的安装倾角，从而得出理论的斜面总辐射量，当总辐射量最大时，则认为该倾角为光伏组件的最佳安装倾角。根据图1 中不同倾角的斜面总辐射量数据，选择24°作为安装倾角。

图1 不同倾角的总辐射量

2.2 安装间距的选择

安装间距的选择需要考虑的因素分为技术因素和非技术因素。非技术方面主要考虑土地面积的限制和当地的政策要求，如果项目确定了装机容量且给定了用地范围，则通过支架的最大间距则受到限制；另外，根据湖北省对农光互补项目的要求(不同地区可能有不同的要求)，农(林)光互补项目行间距(一个阵列光伏组件最高处与另一个阵列光伏组件相邻的最低处的投影净间距)不得低于3 m，从而可以确定项目可设置的安装间距范围。

光伏阵列通常成排安装，根据《GB 50797-2012 光伏发电站设计规范》：“光伏方阵各排、列的布置应保证每天9：00—15：00(当地真太阳时)时段内前后左右互不遮挡”，即一般要求在冬至日影子最长时，两排光伏阵列之间的距离要保证上午9 点到下午3 点之间前排不对后排造成遮挡[6]。

假定在水平面上垂直向上竖立一根高为L的木杆，其南北方向影子的长度为Ls，L/Ls的数值称为影子的倍率。影子的倍率主要与纬度有关，一般来说纬度越高，影子的倍率越大[7-9]。

式中：φ为当地纬度；δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为－23.5°；ω为太阳时角，上午9 点的时角为－45°；α为太阳高度角；β为太阳方位角。

示例项目站址纬度为北纬30.815 8°，结合组件的尺寸及布置情况，考虑全年上午9：00 到下午3：00 后排组件不受前排组件阴影遮挡，光伏阵列安装倾角为24°时，计算得支架前后排间距为7.7 m。

通过PVsyst 建模，按以上安装倾角及间距计算得电站的首年发电量为4 913 MWh，对应的前后排遮挡造成的损失约为4.2%。

3 安装倾角与间距优化选择方法

3.1 确定间距条件下倾角的选择

上文的传统计算方法较为简单快捷，不需要进行过多的比较分析即可确定项目的安装倾角和间距。然而，以上采用PVsyst 中简单得出的斜面辐射量并非真正项目运行时可接受到的最大辐射量，对应的角度也并非真正最优的倾角[10-11]，而是理论上无穷大的平面可以接受到最大辐射量的角度，而实际应用中光伏支架平面面积有限，前后排在早晚也是有一定的相互遮挡，因此真正的最优安装倾角需要在特定间距下重新优化计算得出。具体的操作是根据以上确定的安装间距，拟定组件安装角度，如5°～30°，并采用PVsyst 的优化工具或批量计算功能计算各角度下的发电量，选取发电量最大的角度为当前间距条件下的最优角度。经计算，示例项目的结果如图2 所示。

图2 不同倾角条件下辐射量、遮挡损失、发电量对比

从图2 中曲线可以得出以下三个规律：

(1)随着倾角的增加，斜面总辐射量先增加后下降，与前述常规优选角度时的总辐射量趋势规律类似，但总量较常规优选角度时的辐射量要小；

(2)随着倾角的增加，遮挡损失的比例不断上升，而有效辐射量也呈现出先升高或降低的趋势，但极值点对应的倾角比常规方式的极值点对应的倾角小一些[12](示例项目差了13°)；

(3)最终计算发电量的变化趋势与有效辐射量的变化趋势相同。

因此，可以通过减少安装倾角来降低遮挡损失，从而提高总的有效辐射量，进而达到提高发电量的目的。根据上面的比较分析可知，计算发电量最大的安装倾角为15°，相应的电量为4 988 MWh，比常规方法确定的倾角发电量高1.53%。

另外，安装倾角由24°降低为15°后，不但可提高系统的总体发电量，还可能一定程度减少支架所受的风载荷，有利于结构安全性，甚至可能降低一定的投资，本文不作进一步讨论。

3.2 未确定间距条件下最优倾角和间距的综合选取

在项目的开发前期，项目的容量和间距等均未确定，如果从项目度电成本绝对最优的角度出发，则需要考虑不同间距条件下不同倾角的发电量计算，最后再统一进行比较。而间距的增加会带来电缆用量和土地面积的增加，相应的电缆损耗也会增加，本文假定电缆的量、电缆损耗和用地面积均随间距的增加而等比例增加，而实际项目中需根据项目特点进行详细分析。假定直流电缆费用占总投资的1%，土地费用占工程总投资的6%(按20 年考虑)，则间距增加会按比例带来总投资的上升。

采用PVsyst 模拟7.0～16.0 m 范围内不同间距(增量0.2 m)在5°～30°范围内不同安装角度共计约1 200 个方案的发电量模拟情况，得出不同间距不同倾角条件下的发电量，可以优选出各种间距下的安装倾角，具体如图3 所示。

图3 不同间距条件下最优倾角及发电量情况对比

由图3 可以看出，随着间距的增加，系统的发电量也会相应增加，但间距增加的幅度会越来越小；同时，最优倾角也会有一定增加，但当间距大于一定范围后，最优倾角基本会保持不变。另外，随着间距的增加，用地的面积和电缆费用的增加比例基本不变，但电量的增加效益会越来越小，也就是说度电成本已不会进一步降低。

按假定条件，示例项目扩大间距带来的投资增加比率高于电量的增加比率，则增加支架间距不会带来项目度电成本的下降，在满足政策及规范要求条件的间距下安装即可[13]。实际实施项目时，间距增加带来的投资增加受到项目土地租金和电缆价格的影响，电量带来的收益受到当地电价的影响[14-15]，因此具体项目实施时需根据项目的实际投资情况测算不同条件下的度电成本进行综合比较，选出最佳间距和倾角。

4 结论与建议

(1)本文分析对比了地面光伏项目倾角与间距的不同优选方法，与常规的确定倾角方式相比，倾角优化后可以在不增加投资的情况下带来一定的额外电量收益。

(2)在限定土地面积和容量的条件下，支架的布置间距也相对固定，可通过固定间距条件下倾角优化的方式确定安装最优安装倾角。

(3)在不限定土地面积和容量的条件下，支架的布置间距和倾角建议通过不同间距和倾角的组合拟定方案，同时考虑土地费用、电缆费用及电缆损耗的增加进行综合技术经济比选，选择度电成本最优的方案下的组合进行配置。