固定式光伏支架选型经济性对比分析.pdf

太阳能第 11 期总第 355 期2023 年 11 月No.11Total No.355Nov.,2023SOLAR ENERGY180 引言光伏电站的投资建设成本包含用地成本和机电建设成本，用地成本又分为征地成本和租地成本两种，其成本大小与建设所需用地面积息息相关；机电建设成本又包括箱变成本、逆变器成本、光伏支架成本、管桩及其基础成本、光伏组件成本、集电线路成本及相关维护费。光伏支架类型需要的不同，其成本往往也不同，针对光伏支架选型及成本分析的研究也有许多，如根据倾角是否可调，固定式光伏支架可分为最佳倾角固定式光伏支架、倾角可调式固定光伏支架两大类1；毛文旭2对集中式光伏电站光伏支架经济性比对及选型进行研究，研究结果表明：最佳倾角固定式光伏支架在支架成本、土地成本、后期运营费用方面的节约程度远超过倾角可调式固定光伏支架带来的发电量增益；徐彩芝等3也对光伏支架选型进行了探讨，得到固定式光伏支架投资回收期最短，上网电价竞争力大于斜单轴跟踪式光伏支架系统和双轴跟踪式光伏支架系统；唐勇等4对光伏电站固定式光伏支架、固定可调式光伏支架、跟踪式光伏支架方案进行了经济分析，提出了项目可采用固定式光伏支架的建议；储红霞等5研究了在同荷载工况下采用铝合金支架或钢支架对工程造价的影响。上述文献未细致对比支不同光伏架结构的成本差异。本文以广东省湛江市徐闻县某光伏电站项目为背景，对 11 倾角的固定式光伏支架的细分领域进行研究。首先计算 328 光伏阵列和 226光伏阵列的光伏支架材料差异，同时考虑建设面积差异；然后套入材料费用及对应的安装和维护费，最终形成两种光伏阵列方式下的建设投资成本差异。以期该研究可为类似光伏电站支架选型及投资建设提供借鉴。DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20230112.02 文章编号：1003-0417(2023)11-18-07固定式光伏支架选型经济性对比分析曾智钦1，张元海1*，杨铭俊2，黄丽琴3(1.广东水电二局股份有限公司，广州 510410；2.暨南大学，广州 510632；3.东南粤水电投资有限公司，广州 511300)摘要：光伏发电系统中固定式光伏支架的结构形式差异较大，即使同种光伏支架结构形式也存在有不同的光伏阵列布置方式，不同布置方式的光伏阵列对应的光伏支架、管桩和土地成本也有较大差异。以广东省湛江市徐闻县某采用固定式光伏支架的光伏电站项目为背景，采用了常规计算钢光伏支架工程量和利用 BIM 软件中明细表计算光伏支架工程量两种方法，对比阐述了双抱箍双立柱 328 光伏阵列和单抱箍单立柱 226 光伏阵列光伏支架和管桩的成本。此外，还考虑了两种规格因安装倾角不同引起的土地成本差异，总结出了固定式光伏支架 328 光伏阵列和固定式光伏支架 226 在安装倾角 11 时的综合投资成本。研究结果表明：同等装机规模下，3 排光伏阵列光伏阵列的成本比 2 排光伏阵列光伏支架的低；单抱箍单立柱光伏支架比双抱箍双主柱光伏支架的成本低。该结论为类似光伏电站建设的固定式光伏支架选型提供参考。关键词：光伏电站；固定式光伏支架；工程量计算；光伏组件；光伏阵列；土地成本；预应力管桩中图分类号：TM615 文献标志码：A收稿日期：2023-01-12基金项目：湛江市科技攻关项目(210510164547083)通信作者：张元海(1974)，男，学士、高级工程师，主要从事新能源方面的技术研究。2023-11杂志.indd 182023-11杂志.indd 182023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:49第 11 期1 光伏支架体系根据 T/CPIA 00132019光伏支架1中给出的命名方法，本文所介绍的两种固定式光伏支架型号为：ST-300006200-F-17-5000 和 ST-289963923-F-11-4500；前者是由镀锌铝镁作为主要材质的固定式光伏支架，光伏阵列上光伏组件的布置方式为328(下文简称为“328光伏阵列”)，后者是采用 Q345B 钢材质的固定式光伏支架，光伏阵列上光伏组件的布置方式为 226(下文简称为“226 光伏阵列”)；光伏支架的尺寸分别为 31757 mm6822 mm 和 29489 mm4548 mm；光伏组件安装倾角均为 11；最大受荷宽度分别为5000 mm 和 4500 mm。两种光伏支架形式差异较大，其主要构件虽然都有预应力管桩、斜梁、檩条、立柱及两道斜撑；但是两者主要构件的数量略有差别，328光伏阵列的光伏支架立柱为两根，分布于管桩的两边，通过与双抱箍螺栓连接进行固定；而226光伏阵列的立柱则是在管桩顶部，由柱脚底板和加劲板进行固定。由于光伏阵列的排数不一样，对应的光伏支架檩条数量也不一样，如光伏阵列上的光伏组件为 3 排时，需要 6 根檩条，而为 2 排时只需要 4根檩条。两种光伏支架的辅助构件差异相对较大，除了相同的檩托、剪刀叉拉杆及其配套螺栓外，328 光伏阵列的光伏支架还拥有 6 道拉条及两道抱箍和一道横担，因此此种光伏阵列的光伏支架又可称为双抱箍双立柱固定式光伏支架。而226 光伏阵列的光伏支架结构相对简单，只有一道抱箍既无拉条又无横担，且多了柱脚底板和加劲板，故而此种光伏阵列的光伏支架又可称为单抱箍单立柱固定式光伏支架。连接螺栓的区别是最大的，226 光伏阵列支架的螺栓绝大部分为 M10 型号，其次是 M8 型号，小部分是 M14型号；但 328 光伏阵列支架的则 M8M16 型号均有，且数量比前者更多，这与其增加的抱箍和横担数量有关。两种光伏阵列光伏支架的立面图如图 1 所示。两种光伏阵列布置平面图如图2所示，图中：WLT 代表檩条，Lat 代表拉条，SC 代表斜撑，GJ 代表钢架。光伏组件檩条斜撑 2斜梁斜撑 1预应力桩3000.000立柱 1立柱 2横担C11550151.8C10055152.3C8045152.3C8045152.3C7045152.5C7045152.5L504.062002020a.328 光伏阵列的光伏支架立面图光伏组件斜梁斜撑 2加劲板斜撑 1水库地坪标高C10045202.0C6040152.0C5040152.0383020檩条槽钢 10柱脚底板C12050202.1b.226 光伏阵列的光伏支架立面图图 1 两种光伏阵列光伏支架的立面图(单位：mm)Fig.1 Elevation of PV bracket for two types of PV array(Unit：mm)两种光伏阵列支架的预应力管桩的数量为 7根，且直径均为300 mm，不过两者的桩间距不同，328 光伏阵列支架的桩间距为 5 m，而 226 光伏阵列支架的桩间距为 4.5 m；相应的变化是斜梁和檩条的长度区别，所以对于标准的光伏阵列投影占地面积是不同。整个光伏电站的光伏阵列众多，需根据经纬度、光伏组件安装倾角等因素去衡量光伏支架间距，并最终求得电站的占地面积。曾智钦等：固定式光伏支架选型经济性对比分析行 业 观 察192023-11杂志.indd 192023-11杂志.indd 192023/11/28 15:26:502023/11/28 15:26:502023 年太阳能2 经济性计算本 项 目 采 用 545 W 单 晶 硅 光 伏 组 件，PHC300A70 管桩。通过计算比较 328 光伏阵列支架与 226 光伏阵列支架所耗钢材、桩量及土地占用面积，进行经济分析。2.1 土地面积统计根据光伏电站项目所在地湛江市徐闻县的纬度 20.37N，并取冬至日 09:0015:00 时的赤纬角-23.5、太阳时角 455，结合安装倾角对光伏阵列净间距 d 进行计算，计算式为：d=lsin1(0.707tan2+0.4338)(1)0.7070.4338tan2式中：l 为光伏阵列南北向长度，m；1为光伏组件安装倾角，()；2为项目所在地的纬度，()。相邻两块光伏组件中心距离 D 的计算式为：D=l(cos1+sin2)(0.707tan2+0.4338)(2)0.7070.4338tan2光伏阵列南北向长度为光伏组件纵向布置长度加上组件间距，因此 226 光伏阵列的南北向长度为 2.3842+0.02=4.788 m，328 光伏阵列南北向长度为 2.2783+0.022=6.874 m。所求的计算结果如下表 1 所示。表 1 光伏阵列间距计算参数Table 1 Calculation parameters for PV array spacing类型D/md/m1/()2/()l/m226光伏阵列5.871.171120.374.788328光伏阵列8.421.671120.376.874根据表 1 结果，光伏组件占地面积 S 计算公式为：S=L(b+d)(3)式中：L 为标准光伏阵列的长度，m，328光伏阵列取 32.5 m，226 光伏阵列取 29.196 m；b 为标准光伏阵列的平面宽度，m，328 光伏阵列取 6.874 m，226 光伏阵列取 4.788 m。所以，最后计算得到 328 光伏阵列的占地面积为 274.755 m2，226 光伏阵列的占地面积为173.950 m2。b.226 光伏阵列布置平面图图 2 两种光伏阵列布置平面图(单位：mm)Fig.2 Layout plan of two types of PV arrays(Unit：mm)a.328 光伏阵列布置平面图325002919665004679(檩条 2)4679(檩条 4)6300(檩条 1)1004788GJGJGJGJGJGJGJ2384238420100109699845004500450045004500450099820M10 拉杆M10 拉杆6300(檩条 5)7200(檩条 3)10101010650065006500Lat1Lat1Lat1Lat1Lat1Lat1檩条 WLT1檩条 WLT1檩条 WLT1檩条 WLT1檩条 WLT1檩条 WLT16500SC1SC1行 业 观 察202023-11杂志.indd 202023-11杂志.indd 202023/11/28 15:26:512023/11/28 15:26:51第 11 期2.2 材料用量和选型差异对比本项目中两种光伏阵列光伏支架材料用量统计分别如表 2、表 3 所示。表 2 328 光伏阵列的光伏支架材料用量Table 2 Material usage of PV brackets for 328 PV arrays名称规格数量 长度/m 重量/kg立柱C7045152.571.33 34.72 立柱C7045152.571.45 37.87 横担L504.070.50 10.71 斜梁C10055152.376.20 188.09 檩条 WLT C11550151.8632.50 675.06 CG1 支撑C8045152.372.20 55.58 CG2 支撑C8045152.372.94 74.41 檩条拼接件U122552.5240.30 32.88 檩托L90565.0420.05 11.89 抱箍 170.08 21.91 抱箍 2210.08 49.98 SC12 圆钢(带4平垫4螺母)47.20 25.58 SC 水平支撑垫片3505080.47 SC 水平支撑连接件85.36 拉条L302.066.20 34.05 螺栓组87040.22 合计1298.78注：表中“”为钢板符号两种光伏支架立柱参数分别如表4、表5所示。根据表 2表 5 材料用量统计及选型差异对比可知，含钢量差异主要为：2 排光伏阵列立柱单瓦含钢量是 3 排光伏阵列的 120.88%(规格相同)，檩条单瓦含钢量是 3 排光伏阵列的114.08%(规格相同)，斜梁单瓦含钢量是 3 排光伏阵列的 83.14%(规格相同)，斜撑单瓦含钢量是 3 排光伏阵列的 78.03%(规格相同)，考虑到互抵，两种光伏阵列支架立柱、檩条、斜梁和斜撑含钢量持平。表 3 226 光伏阵列的光伏支架材料用量Table 3 Material usage of PV brackets for 226 PV arrays名称规格数量 长度/m 重量/kg立柱槽钢10(焊底板)70.78 54.32 斜梁C10045202.073.83 96.81 檩条C12050202.0429.20 476.72 斜撑 1C5040152.071.53 26.95 斜撑 2C6040152.071.92 35.84 檩条连接件 L130544.0160.22 26.24 檩托L110706280.10 23.80 半抱箍 1R150100548070.10 17.36 半抱箍 2R150100660070.10 24.78 拉杆连接件 L503120.30 8.40 拉杆紧固件 M1065.90 21.82 柱脚底板10200180719.81 柱脚加劲板 540100213.36 螺栓组38317.99合计854.20注：表中“”为钢板符号表 4 光伏支架单抱箍单立柱参数Table 4 Parameters of single clamp and single column for PV bracket名称规格数量 长度/m 重量/kg立柱槽钢 10(焊底板)70.7854.32半抱箍 1R150100548070.1017.36半抱箍 2R150100660070.1024.78合计96.46表 5 光伏支架双抱箍双立柱参数Table 5 Parameters of PV bracket double clamps and double columns名称规格数量长度/m重量/kg立柱C7045152.571.3334.72立柱C7045152.571.4537.87横担L504.070.5010.71抱箍 1R15080647070.0821.91抱箍 2R150806670210.0849.98合计155.19行 业 观 察曾智钦等：固定式光伏支架选型经济性对比分析212023-11杂志.indd 212023-11杂志.indd 212023/11/28 15:26:512023/11/28 15:26:512023 年太阳能若 3 排光伏阵列光伏支架采用单抱箍单立柱，则比双抱箍双立柱减少了 1 个抱箍、1 根立柱和 1 根横担，且双抱箍立柱长度大于单抱箍立柱，经计算，采用单抱箍单立柱比双抱箍双立柱用钢量节约 41.84%。2.3 光伏组件 BIM 模型工程量统计为了验证常规计算工程量的准确性，本文还利用 BIM 建模软件结合设计图纸建立 1:1 原型的两种光伏阵列的族模型，如图 3 所示。采用 BIM软件中的明细表计算光伏支架的工程量时删除掉预应力管桩和光伏组件构件，然后合计计算出光伏支架的体积分别为 0.16231 m3和 0.10551 m3，如表 6 所示。取钢材的密度为7850 kg/m3，利用密度公式，计算出 328 光伏阵列支架所需钢材重量为 1274.13 kg，226 光伏阵列支架所需钢材重量为 828.25 kg；两种规格的重光伏阵列支架的用钢量与手算的结果误差分别为 24.65 kg 和 25.95 kg；误差率为 1.9%和 3.0%，该误差产生的原因可能是手算时未扣除所开螺栓孔的重量及对螺栓重量采取了估算值。总体而言，手算工程量和利用 BIM 软件中的明细表计算工程量两种方法的误差在合理范围内。由此可验证手算工程量结果是可靠的。a.328 光伏阵列模型b.226 光伏阵列模型图 3 两种光伏阵列的模型Fig.3 Two model of PV array表 6 光伏支架体积明细表Table 6 Volumetric breakdown of PV bracket参数328 光伏支架体积226 光伏支架体积中间光伏支架左边光伏支架12 轴单柱单抱箍6 轴单柱单抱箍光伏支架带檩条7 轴单柱单抱箍光伏支架8 轴单柱单抱箍光伏支架910 轴单柱单抱箍光伏支架带檩条数量/组5211111体积/m30.023610.022130.025640.016420.020700.016000.02674合计体积/m30.162310.105513 光伏发电区投资成本对比光伏发电区投资成本包括用地成本和土建机电成本。用地成本包括青苗补偿、原有构建筑物赔偿补偿和租地费用；土建成本主要包括光伏支架管桩基础及相关安装费；机电成本主要包括光伏支架、光伏组件、集电线路、箱变、逆变器等的费用。2022 年，常规坑塘水面集中式光伏发电区单位投资成本为 3.8 元/W；其中光伏支架单位费用约为 0.3 元/W，租地费用一般为 1800 元/亩(1 亩666.67 m2)。根据工程实际及市场信息，钢光伏支架费用为9800元/t，安装费用为1368.08元/t；PHC300A70管桩单价暂定 200 元/m，每根桩长取 8 m；全寿命期 25 年的用地成本取 67 元/m2。行 业 观 察222023-11杂志.indd 222023-11杂志.indd 222023/11/28 15:26:512023/11/28 15:26:51第 11 期经计算，每兆瓦装机容量下，226 光伏阵列光伏支架的总费用比 328 光伏阵列光伏支架的高 6.24%，前者的 PHC300A70 管桩费用比后者的高 61.54%，前者的土地费用比后者的高2.27%，具体如表 7 所示。226 光伏阵列总造价比 328 光伏阵列光伏支架的高 18.63%。综上所述，采用 3 排钢支架(328 光伏阵列)相较于 2排钢支架(226 光伏阵列)支架总费用节约 0.02元/W，PHC300A70 管桩节约 0.151 元/W，土地费用节约 0.009 元/W，总造价节约 0.179 元/W。表 7 成本分析对比Table 7 Cost analysis comparison项目226光伏阵列328 光伏阵列光伏阵列容量/MW0.03 0.05 钢支架用量/kg854.20 1298.78 PHC300A70 管桩用量/根77占地面积/m2173.95274.75钢支架用量/(t/MW)30.14 28.37 占地面积/(m2/MW)6137.976001.53钢支架设备费/(万元/MW)29.54 27.80 钢支架安装费/(万元/MW)4.12 3.88 钢支架总费用/(万元/MW)33.66 31.68 PHC300A70 管桩费用/(万元/MW)39.52 24.46 土地费用/(万元/MW)41.1240.21钢支架、PHC300A70 管桩及土地总费用/(万元/MW)114.3196.364 结论本文以广东省湛江地区某采用固定式光伏支架的光伏电站项目为背景，采用了常规计算钢光伏支架工程量和利用 BIM 软件中明细表计算工程量两种方法，对比阐述了双抱箍双立柱 328光伏阵列和单抱箍单立柱 226 光伏阵列的光伏支架和管桩成本。得出以下结论：1)光伏支架设计应综合考虑支架材料费、安装费、相应管桩费用及土地成本等问题。2)同等装机规模下，3 排光伏阵列光伏支架的总造价比 2 排光伏阵列光伏支架的少 0.179 元/W(18.63%)。3)3 排光伏阵列光伏支架采用单抱箍单立柱比双抱箍双立柱节约和钢量 41.84%。4)采用 3 排光伏阵列的方式，光伏组件相对集中，后期清洗维护成本将适当降低。故建议采用单抱箍单立柱 3 排光伏阵列支架。该结论适用于集中式光伏发电项目，在地势良好的平原地区、水陆交替区或相对平坦的山地地区均有较高的推广应用价值。参考文献 1 毛文旭.集中式光伏电站支架经济性比对及选型研究J.现代工业经济和信息化，2021，11(9):164-165.2 徐彩芝，陆志平.光伏电站支架选型研究探讨 J.内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2014，35(6):105-109.3 唐勇，贾宪武，李冠赢.光伏电站采用不同支架方案的经济性分析 J.中国设备工程，2021(22):199-200.4 储红霞，唐湘.铝合金支架与钢支架经济性对比分析研究 J.世界有色金属，2016(21):42-43.5 曾伟.固定式光伏阵列间距的优化设计 J.中国战略新兴产业，2017(48):201，203.行 业 观 察曾智钦等：固定式光伏支架选型经济性对比分析232023-11杂志.indd 232023-11杂志.indd 232023/11/28 15:26:512023/11/28 15:26:512023 年太阳能 COMPARISON AND ANALYSIS OF ECONOMY OF FIXED PV BRACKET SELECTIONZeng Zhiqin1，Zhang Yuanhai1，Yang Mingjun2，Huang Liqin3(1.Guangdong No.2 Hydropower Engineering Company Ltd.，Guangzhou 510410，China；2.JiNan university，Guangzhou 510632，China；3.Southeast Guangdong Hydropower Investment Co.，Ltd.，Guangzhou 511300，China)Abstract：There are significant differences in the structural forms of fixed PV brackets in PV power generation systems.Even for the same type of PV bracket structure，there are different arrangements for PV arrays，and the corresponding PV brackets，pipe piles，and land costs for different arrangements of PV arrays also have significant differences.This paper is based on a PV power plant project in Xuwen County，Zhanjiang City，Guangdong Province，which uses fixed PV brackets.Two methods，conventional calculation of steel PV bracket engineering quantity and calculation of PV bracket engineering quantity using the detailed table in BIM software，are used to compare and elaborate on the cost of PV brackets and pipe piles of the double hoop and double column 328 PV array and single hoop single column 226 PV array.In addition，the difference of land cost caused by different dip angle of the two specifications is also considered，and the comprehensive investment cost of the fixed PV bracket 328 standard array and the fixed PV bracket 226 at the dip angle of 11 is finally summarized，which provides suggestions for the bracket selection of similar fixed PV power station construction.The research results show that under the same installation scale，the cost of a 3-row PV array PV bracket is lower than that of 2-row PV array PV bracket，and the cost of a single hoop single column PV bracket is lower than that of a double hoop double column PV bracket.This conclusion provides a reference for the selection of fixed PV brackets similar to the construction of PV power stations.Keywords：PV power station；fixed PV bracket；quantity calculation；PV modules；PV array；land cost；PHC行 业 观 察242023-11杂志.indd 242023-11杂志.indd 242023/11/28 15:26:512023/11/28 15:26:51