農(nóng)光互補(bǔ)光伏跟蹤系統(tǒng)技術(shù)探討

許禮彬

（中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西南昌330096）

0 引言

為應(yīng)對全球氣候變化，減少溫室氣體排放，風(fēng)電、光伏等可再生能源的開發(fā)已經(jīng)成為國家的能源的主要發(fā)展方向，尤其是光伏，是目前國內(nèi)新增裝機(jī)量最大的新能源。

在光伏項(xiàng)目中，光伏組件陣列的安裝方式對發(fā)電系統(tǒng)接收到的太陽能輻射量有很大的影響，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，投資方也在盡可能采用跟蹤系統(tǒng)去提高項(xiàng)目的發(fā)電量，以帶來更大的收益。

光伏組件的安裝方式有固定式、傾角季度調(diào)節(jié)式和自動跟蹤式三種形式，不同的安裝方式，會帶來發(fā)電量的差異，影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力及電站的投資收益率。其中自動跟蹤式包括單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式。單軸跟蹤式（即水平單軸跟蹤、斜單軸跟蹤）只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，即每日從東往西跟蹤太陽的軌跡，來提高發(fā)電量；雙軸跟蹤式（全跟蹤）具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度，可以通過適時改變方位角和傾角，來跟蹤太陽軌跡，提高發(fā)電量[1]。

1 新型跟蹤系統(tǒng)的介紹

傳統(tǒng)雙軸跟蹤系統(tǒng)，是方位角和俯仰角兩個方向都可以運(yùn)動的跟蹤系統(tǒng)，雙軸跟蹤系統(tǒng)可以最大限度的提高太陽能設(shè)備利用太陽能的效率。采用雙軸跟蹤可大大提高年均發(fā)電量，但其缺點(diǎn)是單價高，故障也多，在工程實(shí)際應(yīng)用中投資和運(yùn)維成本高。

針對傳統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的缺點(diǎn)，江西省電力設(shè)計(jì)院在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了一種新型光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)，既提高了工程項(xiàng)目的發(fā)電量，又比傳統(tǒng)的雙軸跟蹤降低了成本。同時還把光伏的跟蹤系統(tǒng)和農(nóng)光互補(bǔ)的理念相結(jié)合，提高了整個工程收益，同時又實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目農(nóng)業(yè)的增值，還帶來了旅游的附加增值[2]。

2 新型雙軸跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的太陽能電站跟蹤系統(tǒng)普遍存在可靠性不夠、抗風(fēng)能力差、成本高、維修困難等問題。太陽能發(fā)電效率不高制約其大量應(yīng)用。提升發(fā)電效率，大規(guī)模使用太陽能光伏跟蹤技術(shù)一直是追求目標(biāo)，該雙軸跟蹤系統(tǒng)有效解決了上述問題[3]。

該跟蹤系統(tǒng)是一種雙軸聯(lián)動控制方式，跟蹤系統(tǒng)采用天文坐標(biāo)控制，實(shí)現(xiàn)電池板在太陽的東西向和南北向同時跟蹤太陽，單個控制器和轉(zhuǎn)動軸可同時控制連接在南北向上的多組跟蹤組件子系統(tǒng)，達(dá)到雙軸聯(lián)動控制，大幅提高控制效率，降低成本。并且實(shí)現(xiàn)了光伏與農(nóng)業(yè)的有機(jī)結(jié)合，此雙軸跟蹤系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用范圍極廣，除彩鋼屋頂外，均能使用，該新型跟蹤系統(tǒng)的支架示意見圖1。

圖1 新型雙軸跟蹤支架示意圖

2.1 實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時跟蹤

采用太陽天文坐標(biāo)控制，光伏組件子系統(tǒng)的東西和南北向兩個方向的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了全面實(shí)時地跟蹤太陽運(yùn)行，達(dá)到了智能光伏雙軸跟蹤控制。確保一天之中光伏組件始終處在最佳受光角度，可極大提高光伏轉(zhuǎn)換效率，提升發(fā)電量超過15%以上?？刂葡到y(tǒng)采用最可靠最常用的PLC電機(jī)減速器的組合，確保了雙軸跟蹤系統(tǒng)的可靠性。

此系統(tǒng)采用視日軌跡跟蹤方案，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，時間等因素計(jì)算太陽高度角、方位角。在PLC編程過程中充分考慮工程現(xiàn)場情況，選擇以東西方向?yàn)橹鞲櫡较蜉S，南北方向作輔跟蹤軸。控制單元由上位機(jī)組態(tài)WINCC和PLC控制器組成，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控各路光伏陣列的機(jī)架位置狀態(tài)等核心功能。執(zhí)行單元由交流減速電機(jī)和減速機(jī)組合而成。反饋單元通過雙軸傾角傳感器實(shí)時測量機(jī)架角度信息，并反饋到PLC中運(yùn)算控制，其跟蹤控制系統(tǒng)見圖2。

圖2 跟蹤控制系統(tǒng)圖

通過編程實(shí)現(xiàn)對光伏板東西方向轉(zhuǎn)角、南北方向斜角的計(jì)算，PLC通過數(shù)字量模塊輸出，控制固態(tài)繼電器的通斷從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合傾角傳感器測量的角度反饋，實(shí)現(xiàn)光伏板旋轉(zhuǎn)定位。

跟蹤系統(tǒng)采用的角度傳感器精度為±0.3°（±0.30），跟蹤控制太陽每走2°電機(jī)轉(zhuǎn)動一次，即控制角度在太陽角度的±1°之間。當(dāng)角度傳感器傳回的光伏板跟蹤角度與PLC內(nèi)計(jì)算得到的太陽角度相差超過一定角度則電機(jī)轉(zhuǎn)動一次，將光伏板跟蹤角度調(diào)整到與PLC中計(jì)算的太陽角度一致。以減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作次數(shù)，延長電機(jī)使用壽命，同時起節(jié)能作用，電機(jī)的控制原理見圖3。

圖3 電機(jī)控制原理圖

每個光伏陣列布置一個跟蹤系統(tǒng)控制柜，安裝在箱變逆變平臺上?？刂乒竦碾娫磸南渥冃「墒阶儔浩饕?，需要380 V/220 V容量約5 kVA，控制柜可以通過RS485或者以太網(wǎng)與光伏陣列監(jiān)控系統(tǒng)通信，至通過光纖環(huán)網(wǎng)傳輸至后臺。

針對一個光伏方陣，幾十個電機(jī)控制回路，如果同時啟動，執(zhí)行轉(zhuǎn)動命令，導(dǎo)致的后果是配電線路上瞬時啟動電流大，負(fù)荷高，造成不必要的線路損耗和經(jīng)濟(jì)成本。因此，對于單個方陣而言，電機(jī)分組啟停的控制方法能夠有效地解決這個問題，同時不影響追光的效果。

2.2 提高系統(tǒng)強(qiáng)度和抗風(fēng)能力

雙軸跟蹤支架立柱采用相互連接支撐的桁架結(jié)構(gòu)，徹底解決了光伏支架系統(tǒng)的抗風(fēng)問題。將電池陣列板的一端用特制的繩索進(jìn)行拉動控制，增大電池板穩(wěn)定性同時有利于跟蹤轉(zhuǎn)動自如，從根本上解決了風(fēng)的震蕩性和跟蹤系統(tǒng)的壽命問題，組件的支架示意見圖4（單位：mm）。

光伏支架采用桁架結(jié)構(gòu)，單元可根據(jù)地形條件自由組裝，形成一個整體，提高支架的抗風(fēng)性、抗震性。

圖4 組件支架示意圖

根據(jù)其結(jié)構(gòu)，支架的受力示意見圖5，從圖中可以看出支架采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分散受力，支架穩(wěn)定性更好；同時，支架與支架間相互聯(lián)結(jié)，樁基受力分散到整個子陣，使樁基受力更均勻，杜絕單個樁基受力過大的現(xiàn)象，降低樁基施工難度，從而減少樁基用量，大大降低樁基施工成本。

圖5 桁架式結(jié)構(gòu)，分散支架受力

支架采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直流電纜可沿支架線槽安裝，減少開挖及電纜投資成本，同時避免在支架下方施工時對電纜造成的威脅，提高電站安全性。

2.3 大幅度降低了光伏跟蹤系統(tǒng)的成本

采用最普通的控制方案，電機(jī)減速器組成控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)上改進(jìn)采用一個控制電機(jī)帶動，通過萬向節(jié)傳動，實(shí)現(xiàn)多塊電池陣列板聯(lián)動，最多可實(shí)現(xiàn)18個光伏支架跟蹤聯(lián)動，同時也實(shí)現(xiàn)使用100W的電機(jī)，通過繩索的力矩放大作用，只需很小的扭力拉動18個光伏支架運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)電池板隨著太陽照射變化跟蹤。這樣一來，控制系統(tǒng)數(shù)量減少、跟蹤用電量降低、取消傳統(tǒng)跟蹤的昂貴電機(jī)和減速器，大大降低了傳統(tǒng)光伏跟蹤系統(tǒng)的成本。實(shí)際的電機(jī)控制從圖6中可以很直觀地看出，跟蹤系統(tǒng)更換較為簡單，維修方便，普通技工即可自行更換、維修。

圖6 現(xiàn)場電機(jī)照片

2.4 占地面積小、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)耕種方便、對農(nóng)業(yè)生長影響小

新型雙軸跟蹤系統(tǒng)可隨地形的變化自動調(diào)整，光伏板全面安裝在2.8 m以上的高度，每畝地18根金屬立柱只占用千分之五的占地面積，不需要開挖土地直接擺放在地面上，光伏板采用百葉窗的結(jié)構(gòu)，支架下面光照度更加均勻，不影響光伏板下作物的正常生長，而且完全不影響農(nóng)業(yè)耕種作業(yè)。

2.5 基礎(chǔ)簡單、制作周期短

支架基礎(chǔ)采用品字形預(yù)制混凝土塊形式，預(yù)制塊大小為600×600×400（mm），為抗基礎(chǔ)整體滑移，基礎(chǔ)埋入地面300 mm，實(shí)際制作形狀見圖7。

圖7 預(yù)制塊基礎(chǔ)大樣圖

2.6 安裝簡單、節(jié)省施工時間

光伏組件安裝架采用現(xiàn)場流水線組裝、整體吊裝，在地面完成單元的組裝，大大降低對工人技術(shù)素質(zhì)的要求，做到完全不損壞組件及支架，并大大提高安裝效率。

3 新型雙軸跟蹤系統(tǒng)和傳統(tǒng)固定式的比較

3.1 占地比較

以下為江西省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的一個項(xiàng)目的光伏電站實(shí)際布置圖紙，此工程布置有新型雙軸跟蹤系統(tǒng)和固定式兩種方式的光伏陣列，其布置對比見圖8、圖9。

布置圖中陳列17為固定式方案，容量為1.113 84 MWp，其它陳列為雙軸跟蹤方案，陳列13容量為1.135 68 MWp。

圖8 光伏電站固定式和雙軸跟蹤系統(tǒng)布置對比圖

圖9 光伏電站固定式和雙軸跟蹤系統(tǒng)最小單元布置對比圖

根據(jù)現(xiàn)場布置圖紙得出固定式占地指標(biāo)23.1畝/MWp，雙軸跟蹤系統(tǒng)占地指標(biāo)33.74畝/MWp，固定式和雙軸跟蹤系統(tǒng)占地之比為：1：1.46

3.2 發(fā)電量比較

以江西省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的實(shí)際工程項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目雙軸跟蹤和固定式實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

項(xiàng)目裝機(jī)容量一期為20.049 12 MWp，其中雙軸跟蹤支架系統(tǒng)容量為17.821 44 MWp（共16個方陣），固定式支架容量為2.227 68 MWp（共2個方陣）。

表1 2017年～2018年月發(fā)電量數(shù)據(jù)表

根據(jù)2017年5月至2018年1月的發(fā)電量分析顯示，雙軸跟蹤支架系統(tǒng)比固定支架系統(tǒng)的發(fā)電量平均提升13.1%。

另外一個采用此種雙軸跟蹤支架的光伏電站的實(shí)際運(yùn)行值如表2。

下表為光伏電站2017年12月份上報的發(fā)電量數(shù)據(jù)。

表2 截至2017年12月31日統(tǒng)計(jì)的發(fā)電量和其它參數(shù)數(shù)據(jù)表

本工程2016年3月底全部投運(yùn)，從上述數(shù)據(jù)表中可以知道，本工程2017年全年的發(fā)電量為9 198.357萬kW·h，由于2016年3月底開始計(jì)量發(fā)電量數(shù)據(jù)，所以2016年只有9個月的發(fā)電量，2016年9個月的發(fā)電量為6 981.331萬kW·h。

為了便于比較，把2016年前3個月的數(shù)據(jù)參照2017年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出2016年全年的實(shí)際運(yùn)行的發(fā)電量為6 981.331+1 750.98（2017年前3個月的發(fā)電量）=8 732.311 kW·h。

做固定式、雙軸跟蹤理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比如表3：

表3 固定式、雙軸跟蹤理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比表

從已經(jīng)運(yùn)行的1年9個月的發(fā)電量可以看出，本工程采用的雙軸跟蹤系統(tǒng)相比固定式發(fā)電量有15%以上的提升，而且提升的發(fā)電量超過較多，因此可以得出，本工程采用的雙軸跟蹤系統(tǒng)15%發(fā)電量的提升是確定的。

3.3 新型雙軸跟蹤系統(tǒng)的其它優(yōu)點(diǎn)

新型雙軸跟蹤系統(tǒng)可隨地形的變化自動調(diào)整，光伏板全面安裝在1.8 m以上的高度，可根據(jù)需要調(diào)整高度，每畝地18根金屬立柱只占用千分之五的占地面積，底座基礎(chǔ)只需要淺挖土地直接擺放在地面上。因此，支架下面有充足的空間進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植。因此考慮將太陽能發(fā)電與農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，太陽能發(fā)電的同時，在光伏板支架下方進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植，實(shí)現(xiàn)一地兩用：

1）有效解決了在江西等南方的農(nóng)林業(yè)大省建設(shè)地面光伏電站的用地問題，電站基礎(chǔ)未破壞土地的耕作層，土地開發(fā)模式得到省市縣各級土地管理部門領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。

2）原有土地很多是雜地、荒地、棄用地，通過光伏項(xiàng)目工程開發(fā)，經(jīng)過高標(biāo)準(zhǔn)的整理，使得原有地得到綜合開發(fā)與利用，產(chǎn)生顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

在光伏項(xiàng)目的開發(fā)和投資決策中，盡可能減少工程投資并提高項(xiàng)目的發(fā)電量是項(xiàng)目的兩個關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)院要著力為業(yè)主解決的問題。在農(nóng)光互補(bǔ)類型的光伏設(shè)計(jì)中，結(jié)合光伏電站的土地性質(zhì)，怎么樣采用新技術(shù)、新工藝將太陽能發(fā)電與農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，最大實(shí)現(xiàn)光伏、農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)的附加值，是我們一直需要探索和工程實(shí)踐中去努力解決的問題。