杜建

上海善能生態(tài)工程設計研究有限公司 上海 200000

當前世界范圍內存在著越來越嚴重的能源危機，而如何有效解決能源應用問題成為了各國亟需解決與攻克的難關。光伏作為一種高效的清潔能源已經得到高度的重視以及大范圍的應用，因此如何有效進一步提高光伏發(fā)電效率成為了此領域的核心話題。

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動，無法達到提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的效果。因此為進一步提高發(fā)電效率以達到提高電池組件的有效發(fā)電量為出發(fā)點，太陽能自動追蹤系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展并在國內外光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到推廣與應用。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自由度，雙軸追蹤存在兩個旋轉自由度。單軸追蹤因其旋轉方向的不同細分為水平單軸、垂直單軸及斜單軸。

結合工程運行經驗，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進行東西方向傾斜調整，此種調節(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整以達到提高早晚系統(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)，也正是因為此特點斜單軸較多應用于高緯度地區(qū)。雙軸系統(tǒng)在方向調節(jié)方面較單軸調節(jié)更加靈活，可實現(xiàn)兩個自由度的調整，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)點與不足之處：

水平單軸系統(tǒng)具有追蹤范圍大且結構簡單、易于后期系統(tǒng)容量擴展的優(yōu)點，與此同時在大容量系統(tǒng)使用時投資較低，抗風能力較強，經濟性明顯，結合其追蹤形式特點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)境與追蹤調節(jié)電機的行程所約束，系統(tǒng)擴展性不如水平單軸，抗風能力較好，安裝工藝較簡單，經濟性較明顯，結合其追蹤形式特點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，安裝工藝相對復雜且抗風能力一般，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)字化電路設計

太陽能追蹤系統(tǒng)技術主要分為光控、時控與復合控制三種方式。

光控追蹤：光控追蹤技術是利用太陽光制導，通過光敏原件傳感器采集光源信息，將光源信息轉換為電信號經電子回路發(fā)送至傳動單元，通過控制器處理調整組件朝向。光控太陽能追蹤技術具有探測范圍廣與調整精度高的優(yōu)點，但此方法完全依賴太陽光，當出現(xiàn)陰雨天的情況，系統(tǒng)便無法實現(xiàn)追蹤，一旦天氣忽陰忽晴，系統(tǒng)會忽跟忽停特別是當發(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：時控追蹤技術是利用數(shù)字化單片機技術，通過時間控制電路定時追蹤，這種追蹤方法技術可靠、性能穩(wěn)定，追蹤精度可達0.5°。其優(yōu)點是不受陰雨天影響，追蹤可靠、性能穩(wěn)定；缺點是沒有光控追蹤方法的追蹤精度高。

復合追蹤：為解決光控追蹤技術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)內推出光控和時控復合追蹤技術。當天空有太陽時，系統(tǒng)會采用光控追蹤模式，追蹤精度較高;當天空陰天時，追蹤系統(tǒng)自動轉入時控追蹤，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)通過單片機作為數(shù)據(jù)處理核心器件，通過數(shù)模轉換芯片對單片機所發(fā)出數(shù)字信號轉換為模擬信號，輸送給由三極管組成橋式驅動電路，限位開關可有效防止驅動電機轉動超過行程區(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)實驗數(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系詳見圖2，由關系圖可知當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，當輻射量達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，實驗所在區(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為組件傾角與太陽各月份所在緯度關系及日照時長所致。

圖2 組件傾角與全年接受輻射量關系圖

圖3 各月份斜單軸系統(tǒng)發(fā)電量提高比例關系圖

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)效益增加關系

以某工程為例進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年預計發(fā)電量約為1092163度，單軸追蹤系統(tǒng)1MWp年預計發(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)基礎總價—固定系統(tǒng)基礎總價）/[（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，建設規(guī)模在批準范圍以內

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)模在批準范圍以內情況下收益增加總額約為150萬元。

5 結語

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