平單軸在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的前景

摘 要：在整個光伏發(fā)電項目的投資建設(shè)中，支架的成本的投入也是占據(jù)了半壁江山，因此光伏支架的結(jié)構(gòu)、以及成本的支出以及使用年限成為了每個光伏支架企業(yè)的重點研究對象。本課題基于如何提高太陽能發(fā)電效率、降低成本的問題進行討論。平單軸跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)相對傳統(tǒng)的光伏發(fā)電裝置控制系統(tǒng)，它的效率高、價格適中，在市場中將會有較強的競爭實力。

關(guān)鍵詞：平單軸；光伏發(fā)電；競爭實力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.186

1 緒論

1.1 課題背景

隨著科技的發(fā)展靠傳統(tǒng)的礦石燃料發(fā)電量已經(jīng)滿足不了人類的需求，外加在全球的礦石燃料存儲量日益減少，以及人們的生活環(huán)境變得更加惡劣，全球的能源問題也越來越得到人們的重視。太陽能相對于傳統(tǒng)的礦石燃料具有四個特點，分別是無窮性、普遍性、清潔性以及經(jīng)濟性，所以對太陽能的高效率開發(fā)是解決全球能源問題的有效方式之一。

在能源的分類中，二次能源的存儲量為99.44%，而其他的可再生能源占據(jù)不到1%，所以人類在未來利用的能源，終究還是依附太陽能為主。依據(jù)DNV GL的報道，我們可以了解到未來能源的發(fā)展方向，報道稱主要發(fā)展還是電力，全球的電力必須達到現(xiàn)在電力產(chǎn)量的2.5倍才能滿足人類發(fā)展的需求。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量，在21世紀(jì)中期將達到頂峰，預(yù)計是當(dāng)前全球裝機容量的65倍。依靠太陽能系統(tǒng)發(fā)電的發(fā)電量將達到全球電力產(chǎn)能的半壁江山，每年的電力產(chǎn)能達到全球的40%，大概每年19TW左右。依托一次能源發(fā)電量將逐漸縮小，容量大概是現(xiàn)在的一半。將太陽能轉(zhuǎn)換成人類所需要的電能的高端產(chǎn)品，在經(jīng)濟高速發(fā)展的社會環(huán)境刺激下，高端技術(shù)也在不斷的突破，太陽能發(fā)電有望在2030年成為重要的電力能源。

光伏發(fā)電技術(shù)在理論基礎(chǔ)已經(jīng)達到成熟且該技術(shù)在世界上廣泛應(yīng)用，在高端技術(shù)不斷的突破下，對光伏支架的投入大幅度的降低，各國對清潔能源資金及政策的投入也將太陽能發(fā)電技術(shù)推向了頂峰。根據(jù)2018年2月光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)運營情況報道顯示，全國24家光伏企業(yè)1-2月的產(chǎn)量共計4.77萬噸，與去年同期的產(chǎn)量向相比增長27.1%。光伏行業(yè)每年的產(chǎn)能利用率大概在65%，對外出口金額與同期相比增長28.1%。像多晶硅的市場報價來看，目前產(chǎn)品價格為124元/kg比1月份的產(chǎn)品價格下跌17.3%。單晶組件產(chǎn)品價格也下跌了5%左右。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 跟蹤系統(tǒng)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外是最早興起對太陽能跟蹤裝置研究的起源地，它是隨著人類的電能夠需求以及科學(xué)的發(fā)展逐漸興起的一個新興領(lǐng)域。在1994年的格魯斯堡首次采用該跟蹤系統(tǒng)建成全球第一個采用跟蹤系統(tǒng)的廚房，為后續(xù)改良太陽能跟蹤系統(tǒng)提供了理論實踐經(jīng)驗。2年后在塞浦路斯人們就研究出了一種通過直流電機帶動減速器驅(qū)動軸的太陽能跟蹤系統(tǒng)，它的原理是采用3塊感光電阻器隨著太陽的自動跟蹤，3塊電阻器分別測試采光、云層覆蓋以及白天或黑夜，將信號輸送到電子控制系統(tǒng)來控制太陽能光伏板的轉(zhuǎn)動。2002年子美國加州研究出一種采用鋁型材為原材料通過控制電機太陽跟蹤系統(tǒng)，2004年由智利與巴西的兩位研究人員研制出一種由閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制跟蹤裝置。2008年中國研制出一種通過計算機控制的太陽能跟蹤系統(tǒng)，它是集光、機、電為一體的新型跟蹤系統(tǒng)，能實現(xiàn)24小時跟蹤。冗余平單軸是我國在光伏跟蹤系統(tǒng)上改良的一款新型跟蹤技術(shù)，在國際上也是首次出現(xiàn)冗余設(shè)計，對我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得巨大突破。冗余平單軸跟蹤系統(tǒng)對關(guān)鍵部件采取雙向備份，分別是控制系統(tǒng)備份以及傳動電機備份。一旦跟蹤系統(tǒng)出現(xiàn)運行系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)會及時向控制室發(fā)出故障信號，同時將系統(tǒng)切換到備份部件上。冗余設(shè)計不僅能夠降低系統(tǒng)的運營維護成本，而且在系統(tǒng)發(fā)生故障時對光伏發(fā)電量以及系統(tǒng)的跟蹤運轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生影響。

2.2 跟蹤系統(tǒng)發(fā)展趨勢

根據(jù)各國的研究狀況來看，單軸跟蹤系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)裝置相對簡單，前期投資相對較少，是一種性價比適中的跟蹤方式；雙軸跟蹤系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣因此跟蹤方式也多種多樣，且能夠大幅度提高太陽光的利用。科技的發(fā)展促使著技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展促使著產(chǎn)品的創(chuàng)新，太陽能跟蹤系統(tǒng)正逐漸向平單軸發(fā)展，平單軸光伏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單且能全方位跟蹤太陽光，根據(jù)天文算法在PLC內(nèi)部系統(tǒng)中計算太陽的位置，從而控制平單軸全自動跟蹤太陽，極大的提高了光照時間從而提高太陽光的接收效率。

3 研究意義

在中國夢的偉大復(fù)興道路上，傳統(tǒng)的化石燃料以及新能源構(gòu)成了復(fù)興之路的動力支撐角色，從某種角度來說能源是決定中國夢的主要因素，因此我國長期的能源利用率低下以及日漸突出的環(huán)境問題對我國的中國夢提出了一項重大考驗。單一的跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了高速發(fā)展的光電技術(shù)的要求了，全自動、智能化已成為光電技術(shù)發(fā)展的新要求。平單軸跟蹤系統(tǒng)可以全方位進行跟蹤太陽，提高對太陽光垂直照射的接收時間，從而高效率的利用太陽光，使太陽能電池板達到最大的發(fā)電效益。傳統(tǒng)的化石燃料、石油等資源的存儲量日益減少，如何提高可再生能源發(fā)電效率的問題日益突出，而太陽能的存儲量是相當(dāng)豐富的。根據(jù)能源局調(diào)查統(tǒng)計，地球每年接收到的太陽能量，是全球利用各種能源一年產(chǎn)生的能量上萬倍。

在現(xiàn)有的太陽能發(fā)電裝置中，很多因為裝置的結(jié)構(gòu)剛強度不是特別高，導(dǎo)致在施工及后期運營過程中很容易產(chǎn)生變形，使整個發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的轉(zhuǎn)換效率低下。同時自然條件也是對光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置也是一種考驗，如何做到在大風(fēng)等惡劣天氣中裝置不發(fā)生破壞以及變形，這就要求著光伏發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具有很強的抗風(fēng)能力。平單軸的出現(xiàn)輕松的解決了這一系列問題，平單軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗風(fēng)能力強、能全自動跟蹤等特點，將平單軸跟蹤系統(tǒng)的推廣，是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的偉大復(fù)興，將推動太陽能的利用領(lǐng)域，具有劃時代的意義。

4 發(fā)電原理

4.1 平單軸跟蹤系統(tǒng)發(fā)電原理

硅作為光伏組件的原材料，其電子學(xué)特性決定了硅具有將光能轉(zhuǎn)換成電能的能力，即PV轉(zhuǎn)換。因此在無電力地區(qū)太陽能發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)基本的生活用電，而在一些光伏技術(shù)發(fā)達的國家，能夠?qū)崿F(xiàn)與其他發(fā)電系統(tǒng)互補為區(qū)域地區(qū)輸送穩(wěn)定電能。光電效應(yīng)是指不均勻半導(dǎo)體和金屬結(jié)合的不同部位在太陽光照射下構(gòu)成的半導(dǎo)體上產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，由于半導(dǎo)體內(nèi)有電位差的存在PN結(jié)中會產(chǎn)生電場力，分別將空穴向P區(qū)、電子向N區(qū)聚攏，此時在PN結(jié)兩端加上正向電流，空間電荷區(qū)會逐漸變窄直到PN結(jié)導(dǎo)通。在PV轉(zhuǎn)換中起到主導(dǎo)作用的還是依靠本征激發(fā)的少數(shù)載流子，載流子通俗的叫法就是電子-空穴對。P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生空穴及電子，由于PN結(jié)中有存在耗盡層對兩區(qū)多子的阻撓而不能通過PN結(jié)。當(dāng)兩區(qū)的少子漂移到結(jié)電場附近，內(nèi)在電場能將電子-空穴分別拉向N區(qū)和P區(qū)，形成光生電場。光生電場方向與內(nèi)場方向相反的，它可以將勢壘導(dǎo)通產(chǎn)生電勢差，此時開路電壓為0.5V左右。

平單軸跟蹤系統(tǒng)通過光電管來調(diào)節(jié)太陽能光伏板的位置來跟蹤太陽，太陽的高度角發(fā)生變化，太陽能光伏板不能垂直接收太陽光照，光電管產(chǎn)生電流偏差信號，通過功率放大器將信號反饋給PLC，PLC控制步進電機調(diào)整傾角，重新校準(zhǔn)太陽角度對準(zhǔn)太陽采集陽光。采用光電傳感器的跟蹤系統(tǒng)，具備構(gòu)造簡單、靈敏度高等特點，但容易受到天氣的影響其發(fā)電效率，連續(xù)的陰雨天氣容易導(dǎo)致跟蹤裝置出現(xiàn)跟蹤錯誤，因在此基礎(chǔ)上，平單軸又增加了全球定位系統(tǒng)，從而解決此類的問題發(fā)生。

從目前光伏支架成本來看，平單軸支架的成本大概為0.785元/每瓦，固定支架成本不到平單軸支架成本的60%。平單軸及固定支架基礎(chǔ)成本具體數(shù)據(jù)如下表1。已寧夏某項目1MWp數(shù)據(jù)為根據(jù)，結(jié)合施工情況了解到，1MWp的平單軸占地面積比固定式占地面積雖多3畝地，但平單軸的管樁基礎(chǔ)大概只有固定式管樁的一半，而固定支架和平單軸跟蹤每瓦的總成本差價為0.196元。將項目所在地的氣象參數(shù)導(dǎo)入光伏仿真軟件中，經(jīng)計算1MWp固定式每年的發(fā)電量大概為1440000，平單軸是固定式的1.22倍。

平單軸的增加投資資金回收年限公式以及增加收益公式如下：

平單軸增加投資回收年限公式：（平單軸跟蹤支架基礎(chǔ)總價-固定支架基礎(chǔ)總價）/（（平單軸跟蹤發(fā)電量-固定發(fā)電量）*當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)價）

-固定發(fā)電量*組件衰減率*上網(wǎng)電價*（10-回收年限）

以當(dāng)?shù)貙嶋H收購電價及1MWp容量為基礎(chǔ)，經(jīng)核算平單軸增加投資的資金大概在7個月的樣子就可以回收成本，并開始產(chǎn)生收益，符合我們高效率發(fā)電及多收益的初衷。收益情況如下：

年限：1-10年

（1756800-1440000）*0.94*0.85*（10-0.7）=2354045.76元

年限：11-15年

（1756800-1440000）*0.89*0.85*（15-10）=1198296元

年限：16-20年

（1756800-1440000）*0.86*0.85*（20-15）=1157904元

年限：21-25年

（1756800-1440000）*0.83*0.85*（25-20）=1117512元

結(jié)合實際與仿真情況，在光伏運行的25年期限里，平單軸每1MWp的收益比固定式的收益多出將近600萬。

4.2 平單軸跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

（1）結(jié)構(gòu)簡單。平單軸跟蹤系統(tǒng)具有光伏組件、箱逆變器、控制單元三大模塊，控制單元采用PLC控制，裝置整體結(jié)構(gòu)精練輕巧靈活，一致協(xié)調(diào)性強。

（2）能耗低。平單軸跟蹤系統(tǒng)具有多級減速保護，減速效率非常高，電機傳動扭矩大、平穩(wěn)性更強。每天系統(tǒng)的有效工作時間不超過40分鐘，驅(qū)動功率低于8W，每個驅(qū)動聯(lián)動的年消耗電量不超過10KW h，且不需要外接電源，驅(qū)動電源可以直接由組件供電。

（3）穩(wěn)定性好。平單軸跟蹤系統(tǒng)都為熱鍍鋅件，鍍鋅厚度超過65μm，主要的支撐的橫梁以及驅(qū)動連桿，采用鍍鋅件的方管，保證裝置的抗折、抗扭曲性能達到規(guī)范要求。

（4）故障率低。平單軸跟蹤系統(tǒng)平常的運行養(yǎng)護等都是非常方便的，跟蹤裝置易損的零部件都采取了獨立安裝措施，方便后期維護時不需要將整個裝置拆除才能進行維護。

（5）其他特點。①平單軸跟蹤系統(tǒng)的管樁基礎(chǔ)高，離地空間大，最低點距離地面不少于2m，管樁基礎(chǔ)采取7m*6.3m的間距，陣區(qū)內(nèi)通風(fēng)條件好，光伏組件的表面溫度不會過熱而停止發(fā)電。②平單軸跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動角度大，而且自動校準(zhǔn)角度跟蹤太陽，在同等條件的清洗頻率下，平單軸跟蹤系統(tǒng)表面的積塵相對于固定式支架少很多。③在冬季時，遇到大雪天氣，平單軸跟蹤裝置可以通過控制室，將跟蹤裝置調(diào)到保護角度防止積雪過厚，影響后期無降雪時光伏組件的發(fā)電效率。

5 總結(jié)

平單軸跟蹤系統(tǒng)是一種新型的跟蹤系統(tǒng)，它能提高對太陽能的利用率。平單軸跟蹤裝置在條件相同下，其每年的發(fā)電量是固定式的1.22倍，且平單軸的性價比比固定式高出很多，它的市場前景是非常廣闊的。平單軸跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)相對傳統(tǒng)的光伏發(fā)電裝置控制系統(tǒng)，它的效率高、價格適中，在市場中將會有較強的競爭實力。

參考文獻：

[1]鄭寧來.2035年全球能源需求將增30%[J].煉油技術(shù)與工程，2016.

[2]李忠東.可再生能源新發(fā)明[J].質(zhì)量探索，2011.

[3]王廣軍.全自動太陽光線跟蹤系統(tǒng)[J].太陽能，2016.

作者簡介：劉剛（1995-），男，江西萍鄉(xiāng)人，本科，主要研究方向：光伏、環(huán)保。