光伏自動追蹤技術(shù)與應(yīng)用

杜建

上海善能生態(tài)工程設(shè)計研究有限公司 上海 200000

當(dāng)前世界范圍內(nèi)存在著越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)，而如何有效解決能源應(yīng)用問題成為了各國亟需解決與攻克的難關(guān)。光伏作為一種高效的清潔能源已經(jīng)得到高度的重視以及大范圍的應(yīng)用，因此如何有效進(jìn)一步提高光伏發(fā)電效率成為了此領(lǐng)域的核心話題。

1 光伏追蹤系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電傳統(tǒng)采用固定式支架安裝，這種方式使光伏組件或方陣的朝向固定，不能隨著太陽位置的變化而轉(zhuǎn)動，無法達(dá)到提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的效果。因此為進(jìn)一步提高發(fā)電效率以達(dá)到提高電池組件的有效發(fā)電量為出發(fā)點(diǎn)，太陽能自動追蹤系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展并在國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到推廣與應(yīng)用。與固定式系統(tǒng)相比較，太陽能自動追蹤系統(tǒng)可以使電池組件與太陽光線始終保持最佳朝向，使光伏組件得到更多的光能，從而提高發(fā)電量。通過自動追蹤，可以提高太陽輻射能的利用率，提高轉(zhuǎn)換效率[1]。

2 追蹤系統(tǒng)的分類與適用范圍

目前工程中使用較為廣泛的自動追蹤系統(tǒng)主要分為單軸追蹤、雙軸追蹤及準(zhǔn)雙軸追蹤系統(tǒng)（季節(jié)性追蹤），顧名思義單軸追蹤僅有一個旋轉(zhuǎn)自由度，雙軸追蹤存在兩個旋轉(zhuǎn)自由度。單軸追蹤因其旋轉(zhuǎn)方向的不同細(xì)分為水平單軸、垂直單軸及斜單軸。

結(jié)合工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水平單軸系統(tǒng)為使用過程中光伏組件隨時間沿南北方向軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行東西方向傾斜調(diào)整，此種調(diào)節(jié)方式可有效提高早晨與晚上的發(fā)電量，此系統(tǒng)在中午期間組件為水平布置，因此較多應(yīng)用于低緯度地區(qū)。斜單軸系統(tǒng)與水平單軸相似，組件隨時間沿南北方向軸做傾斜調(diào)整以達(dá)到提高早晚系統(tǒng)發(fā)電量，與水平單軸不同在于中午期間組件為南北傾斜狀態(tài)，也正是因?yàn)榇颂攸c(diǎn)斜單軸較多應(yīng)用于高緯度地區(qū)。雙軸系統(tǒng)在方向調(diào)節(jié)方面較單軸調(diào)節(jié)更加靈活，可實(shí)現(xiàn)兩個自由度的調(diào)整，因此在中高緯度均可適用[2]。

在了解各追蹤系統(tǒng)適用范圍的同時，我們也需要正視各系統(tǒng)存在的優(yōu)點(diǎn)與不足之處：

水平單軸系統(tǒng)具有追蹤范圍大且結(jié)構(gòu)簡單、易于后期系統(tǒng)容量擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，與此同時在大容量系統(tǒng)使用時投資較低，抗風(fēng)能力較強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性明顯，結(jié)合其追蹤形式特點(diǎn)適用于低緯度且地勢平坦地區(qū)；斜單軸系統(tǒng)安裝容量與追蹤范圍較水平單軸相比較會受到環(huán)境與追蹤調(diào)節(jié)電機(jī)的行程所約束，系統(tǒng)擴(kuò)展性不如水平單軸，抗風(fēng)能力較好，安裝工藝較簡單，經(jīng)濟(jì)性較明顯，結(jié)合其追蹤形式特點(diǎn)安裝于高緯度斜坡區(qū)域優(yōu)勢明顯；雙軸追蹤系統(tǒng)具有追蹤范圍大的優(yōu)點(diǎn)但占地面積較另外兩種大，系統(tǒng)容量受區(qū)域環(huán)境影響，安裝工藝相對復(fù)雜且抗風(fēng)能力一般，前期投資較多，因此在光伏組件市場價格高時有一定優(yōu)勢，但在組件市場價格低時投資回報率一般[3]。

3 追蹤系統(tǒng)數(shù)字化電路設(shè)計

太陽能追蹤系統(tǒng)技術(shù)主要分為光控、時控與復(fù)合控制三種方式。

光控追蹤：光控追蹤技術(shù)是利用太陽光制導(dǎo)，通過光敏原件傳感器采集光源信息，將光源信息轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)電子回路發(fā)送至傳動單元，通過控制器處理調(diào)整組件朝向。光控太陽能追蹤技術(shù)具有探測范圍廣與調(diào)整精度高的優(yōu)點(diǎn)，但此方法完全依賴太陽光，當(dāng)出現(xiàn)陰雨天的情況，系統(tǒng)便無法實(shí)現(xiàn)追蹤，一旦天氣忽陰忽晴，系統(tǒng)會忽跟忽停特別是當(dāng)發(fā)生上午陰天時，系統(tǒng)將出現(xiàn)不追蹤，下午晴天時，對于采用追蹤范圍較廣的系統(tǒng)會由于傳動系數(shù)比較大，調(diào)整周期很長，而對于探測范圍較窄的系統(tǒng)會因探測不到而無法追蹤。

時控追蹤：時控追蹤技術(shù)是利用數(shù)字化單片機(jī)技術(shù)，通過時間控制電路定時追蹤，這種追蹤方法技術(shù)可靠、性能穩(wěn)定，追蹤精度可達(dá)0.5°。其優(yōu)點(diǎn)是不受陰雨天影響，追蹤可靠、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是沒有光控追蹤方法的追蹤精度高。

復(fù)合追蹤：為解決光控追蹤技術(shù)在天氣忽陰忽晴放棄追蹤以及時控追蹤精度低的弊端，行業(yè)內(nèi)推出光控和時控復(fù)合追蹤技術(shù)。當(dāng)天空有太陽時，系統(tǒng)會采用光控追蹤模式，追蹤精度較高;當(dāng)天空陰天時，追蹤系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入時控追蹤，這樣便大大縮短了系統(tǒng)追蹤到位所需的時間，最大限度的提高了太陽能的采集效率。

追蹤系統(tǒng)數(shù)字化電路見圖1-自動追蹤系統(tǒng)控制回路原理圖，此系統(tǒng)通過單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心器件，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對單片機(jī)所發(fā)出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸送給由三極管組成橋式驅(qū)動電路，限位開關(guān)可有效防止驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動超過行程區(qū)間。

圖1 自動追蹤系統(tǒng)控制回路原理圖

4 投資效益分析

光伏組件接受光照輻射量及發(fā)電效率受傾斜角度影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理繪制各傾角下光伏組件全年光照輻射接收量關(guān)系詳見圖2，由關(guān)系圖可知當(dāng)傾角由零度逐漸增加時，組件接受輻射量先逐漸增加至最大值后將出現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)輻射量達(dá)到峰值時組件傾角即為所在區(qū)域最佳傾角，最佳傾角因所處區(qū)域緯度不同而不同，實(shí)驗(yàn)所在區(qū)域位于北緯31°，最佳傾斜角度約為35°[4]。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可繪制斜單軸各月份發(fā)電效率較固定軸系統(tǒng)提高百分比關(guān)系詳見圖3，圖中造成各月份發(fā)電量提高比例不同的原因?yàn)榻M件傾角與太陽各月份所在緯度關(guān)系及日照時長所致。

圖2 組件傾角與全年接受輻射量關(guān)系圖

圖3 各月份斜單軸系統(tǒng)發(fā)電量提高比例關(guān)系圖

追蹤系統(tǒng)在發(fā)電量表現(xiàn)上較固定式系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計簡述各追蹤系統(tǒng)在發(fā)電量提高及成本增加方面的表現(xiàn)，詳見表1。

表1 追蹤系統(tǒng)效益增加關(guān)系

以某工程為例進(jìn)行投資回報收益分析如下：

追蹤系統(tǒng)在提高效率的同時支架投資、占地面積也相應(yīng)有所增長，根據(jù)工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計單軸追蹤系統(tǒng)與固定系統(tǒng)支架投資對比詳見表2。

表2 追蹤系統(tǒng)投資對比

根據(jù)工程所在地環(huán)境不同，占地面積有所差異，此工程項(xiàng)目，采用固定式系統(tǒng)安裝光伏組件支架占地面積約為21.3畝，追蹤系統(tǒng)安裝光伏組件支架占地面積約為24.5畝，結(jié)合上表，追蹤系統(tǒng)較固定系統(tǒng)綜合總價高0.09元/W，成本增加約為5.5%。

根據(jù)數(shù)據(jù)測算，固定式系統(tǒng)1MWp年預(yù)計發(fā)電量約為1092163度，單軸追蹤系統(tǒng)1MWp年預(yù)計發(fā)電量約為1200121度，并網(wǎng)電價0.75元。

追蹤系統(tǒng)較固定式系統(tǒng)增加投資回收年限為：（追蹤系統(tǒng)基礎(chǔ)總價—固定系統(tǒng)基礎(chǔ)總價）/[（追蹤系統(tǒng)發(fā)電量-固定系統(tǒng)發(fā)電量）×電價]=[（1.74-1.65）×106]/[（1200121-1092163）×0.75]=1.1。即所增加投資額回收年限約為1.1年。

增加收益分析。

情況一：不考慮土地占用影響，即建設(shè)規(guī)模確定，土地持有充足

增加收益=（追蹤系統(tǒng)發(fā)電量—固定系統(tǒng)發(fā)電量）×光伏組件衰減率×電價×（使用年限—回收年限）

年限1～10年增加收益=（1200121-1092163）×0.96×0.75×（10-1.1）≈69.2萬元

年限11～15年增加收益=（1200121-1092163）×0.89×0.75×（15-10）≈36.1萬元

年限16～20年增加收益=（1200121-1092163）×0.85×0.75×（20-15）≈34.4萬元

年限21～25年增加收益=（1200121-1092163）×0.81×0.75×（25-20）≈32.8萬元

情況二：考慮土地占用影響，即土地持有緊張，建設(shè)規(guī)模在批準(zhǔn)范圍以內(nèi)

增加收益=（追蹤系統(tǒng)發(fā)電量—固定系統(tǒng)發(fā)電量）×光伏組件衰減率×土地占用系數(shù)×電價×（使用年限—回收年限）

年限1～10年增加收益=（1200121-1092163）×0.96×0.87×0.75×（10-1.1）≈60.2萬元

年限11～15年增加收益=（1200121-1092163）×0.89×0.87×0.75×（15-10）≈31.4萬元

年限16～20年增加收益=（1200121-1092163）×0.85×0.87×0.75×（20-15）≈29.9萬元

年限21～25年增加收益=（1200121-1092163）×0.81×0.87×0.75×（25-20）≈28.5萬元

綜上，此光伏電站以運(yùn)行25年計算，1MWp容量追蹤系統(tǒng)較固定系統(tǒng)在土地充足審批規(guī)模確定的情況下收益增加總額約為172.5萬元；在土地持有緊張，投資規(guī)模在批準(zhǔn)范圍以內(nèi)情況下收益增加總額約為150萬元。

5 結(jié)語

在光伏電站設(shè)計過程中，采用何種追蹤技術(shù)應(yīng)結(jié)合地區(qū)緯度、地質(zhì)情況、環(huán)境因素及投資回報效益等多種因素，隨著追蹤技術(shù)的發(fā)展，控制精度有著顯著提高，投資成本也隨之下降，結(jié)合追蹤系統(tǒng)控制下的光伏發(fā)電效率的提高，是值得探索的促進(jìn)平價上網(wǎng)的光伏集成技術(shù)。