傾角可調(diào)的斜單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)

黃 勇

（上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200241）

傾角可調(diào)的斜單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)

黃 勇

（上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200241）

目前斜單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)多為傾角固定式結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步提高斜單軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量和規(guī)模化應(yīng)用，現(xiàn)提出一種傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，并以上海地區(qū)為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性和適用范圍進(jìn)行了分析研究。該種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)為斜單軸跟蹤器的角度調(diào)整提供了一個(gè)新的思路。結(jié)果表明該種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)實(shí)用性強(qiáng)、成本低，值得推廣應(yīng)用。

太陽能跟蹤系統(tǒng)；斜單軸；傾角可調(diào)；支架結(jié)構(gòu)

1 引言

近年來人們對(duì)能源、環(huán)境問題日益關(guān)注，新能源的利用越來越受到重視。太陽能作為一種清潔的新型能源，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在我國(guó)太陽能資源非常豐富，但太陽能也存在能量密度低、間歇性等缺點(diǎn)，其光照強(qiáng)度和光照方位也會(huì)隨著時(shí)間和氣候不斷變化，因此如何充分利用太陽能，提高太陽能利用率則是一個(gè)必須解決的問題。目前對(duì)太陽能的利用主要有光熱利用和光電利用兩種方式。

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用中，影響太陽能利用率的環(huán)節(jié)和因素很多，如：光伏組件的效率、逆變器效率、變壓器效率、交直流線損及配電損耗等。在這些影響因素中，各種損耗可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)來適當(dāng)降低，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率，但幅度空間有限。光伏組件、逆變器、控制器、變壓器等設(shè)備的效率，在現(xiàn)有科學(xué)基礎(chǔ)上更很難有大幅度提升，同時(shí)也會(huì)消耗大量的人力物力財(cái)力，且收效甚微。

除了上述影響因素外，還有一個(gè)很重要的影響因素卻往往為人們所忽略，那就是光伏支架。人們往往忽視光伏支架的重要性，也很少能像研發(fā)光伏電池和逆變器那樣投入過多的精力和人力物力，因此光伏支架在一個(gè)光伏系統(tǒng)中通常被處于次要位置、通常也不能充分發(fā)揮出光伏支架對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)效率和發(fā)電量的貢獻(xiàn)。而事實(shí)上，設(shè)計(jì)合理的光伏支架可以大幅度提升光伏系統(tǒng)效率，其潛在空間很大、投資回報(bào)率很高。

目前的光伏支架大致有以下幾種型式：

最佳傾角固定式支架、按一年四季特性手動(dòng)可調(diào)式支架、水平單軸跟蹤式支架、斜單軸跟蹤式支架、雙軸跟蹤式支架。其中最佳傾角固定式支架為目前光伏電站最常用也是最主要的支架形式。

不同光伏支架形式的本質(zhì)區(qū)別在于光伏系統(tǒng)發(fā)電量的差別和成本的差別。采用跟蹤式支架比采用固定式支架的光伏系統(tǒng)發(fā)電量高，不同緯度下，發(fā)電量提高率會(huì)有所不同。相比較于采用最佳傾角固定式支架的光伏系統(tǒng)，采用水平單軸跟蹤式支架的光伏系統(tǒng)可提高發(fā)電量約20%-30%，采用斜單軸跟蹤式支架的光伏系統(tǒng)可提高發(fā)電量約25%-35%，采用雙軸跟蹤式支架的光伏系統(tǒng)可提高發(fā)電量約35%-45% 。在成本方面，雙軸跟蹤式支架相對(duì)較高，且其結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜、可靠性穩(wěn)定性差。固定式支架，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，成本低，被廣泛應(yīng)用，但其限制了光伏發(fā)電量的進(jìn)一步提高。單軸跟蹤式支架在發(fā)電量和成本方面，介于雙軸跟蹤支架和固定式支架之間，其中斜單軸通常更優(yōu)于水平單軸。

把斜單軸跟蹤式支架和按一年四季特性手動(dòng)可調(diào)式支架的特性結(jié)合起來，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以形成傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)，其發(fā)電量相比較于固定傾角的斜單軸跟蹤系統(tǒng)，發(fā)電量進(jìn)一步提高，與雙軸跟蹤系統(tǒng)相比,其發(fā)電量已非常接近，成本方面卻比雙軸跟蹤系統(tǒng)低得多，投資回報(bào)率非常高，優(yōu)勢(shì)明顯。

雖然傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)很多，但目前還只停留在概念上，國(guó)內(nèi)還沒有此類光伏系統(tǒng)的規(guī)模化實(shí)際應(yīng)用，究其原因，主要有以下幾方面：

（1）與普通斜單軸跟蹤系統(tǒng)相比，傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)其概念上的結(jié)構(gòu)還是很復(fù)雜。

（2）安裝、調(diào)節(jié)麻煩，加工、維護(hù)成本高。

（3）可靠性低。對(duì)于應(yīng)用在荒漠地區(qū)、高寒高海拔地區(qū)、風(fēng)沙雨雪較多的地區(qū)的大規(guī)模光伏電站，其調(diào)節(jié)難度大、調(diào)節(jié)工作量大，跟蹤故障率高，可靠性低。

上述原因，嚴(yán)重制約了傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的在實(shí)際光伏電站中的規(guī)模化推廣應(yīng)用，其價(jià)值和優(yōu)勢(shì)無法得到體現(xiàn)。

針對(duì)上述問題，現(xiàn)提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、成本較低、穩(wěn)定可靠的傾角調(diào)節(jié)新思路和角度調(diào)整的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，并研究其適用性。

2 斜單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)的傾角調(diào)整形式

2.1對(duì)目前已有幾種傾角調(diào)整形式的分析

目前傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)，主要有類似圖1和圖2所示的兩種或多種變通形式，且只處于概念上傾角可調(diào)或僅僅處于試驗(yàn)室的研究試制階段，并未形成實(shí)際意義上的項(xiàng)目應(yīng)用。

圖1　斜單軸跟蹤系統(tǒng)單側(cè)調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　斜單軸跟蹤系統(tǒng)雙側(cè)調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　斜單軸跟蹤系統(tǒng)雙側(cè)調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖（0度傾角狀態(tài)時(shí)，A-A剖視）

圖 1所示結(jié)構(gòu)中，前立柱為單立柱鉸鏈結(jié)構(gòu)，后立柱為附帶伸縮調(diào)節(jié)桿結(jié)構(gòu)。后立柱的結(jié)構(gòu)形式可以是I型單立柱結(jié)構(gòu)或八字形雙立柱結(jié)構(gòu)。斜單軸跟蹤系統(tǒng)的角度調(diào)整是通過調(diào)整后立柱附帶的伸縮調(diào)節(jié)桿的伸縮量來實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)整。該種角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，表面上似乎角度很容易調(diào)整，但實(shí)際應(yīng)用上角度調(diào)整功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、麻煩，且無法完全實(shí)現(xiàn)四個(gè)季度的多角度完美調(diào)整。以上海地區(qū)為例，假設(shè)春夏秋冬四個(gè)季度需調(diào)整的傾斜角度分別為10°、0°、26°、46°，共四種角度，圖1所示結(jié)構(gòu)的角度調(diào)整存在問題如下：

（1）0°角度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)較困難。為兼容其它調(diào)整角度，需充分考慮到前立柱、后立柱、連桿之間調(diào)節(jié)高度的協(xié)調(diào)一致性，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整麻煩。

（2）為適應(yīng)角度調(diào)整及高度的變化，后立柱及其聯(lián)系的構(gòu)件需具有多個(gè)額外的自由度。若后立柱不是單立柱結(jié)構(gòu)，而是八字形布置結(jié)構(gòu)，其所需的調(diào)節(jié)自由度更多，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜麻煩。

（3）伴隨著角度及高度的變化，連桿也需增加轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，進(jìn)而增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，可靠性降低。在聯(lián)動(dòng)式斜單軸跟蹤系統(tǒng)中，一般通過連桿及聯(lián)動(dòng)桿（如圖 3所示）在不同跟蹤系統(tǒng)陣列之間專遞推動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電動(dòng)推桿帶動(dòng)多個(gè)斜單軸跟蹤陣列的功能，從而簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)、降低設(shè)備及維護(hù)成本。

（4）系統(tǒng)若能同時(shí)兼容0°及46°的角度調(diào)整，則當(dāng)角度調(diào)整為46°時(shí)，高度H較高，增加了系統(tǒng)抗風(fēng)性要求，系統(tǒng)成本增加。

（5）系統(tǒng)加工及維護(hù)成本高，穩(wěn)定可靠性較低。

圖2所示結(jié)構(gòu)中，前、后立柱皆為附帶伸縮調(diào)節(jié)桿結(jié)構(gòu)，與圖 1所示結(jié)構(gòu)相比，在水平角度調(diào)整情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的靈活性和復(fù)雜性作了改善，并有利于降低結(jié)構(gòu)整體高度H，從而可降低風(fēng)荷載，但該種結(jié)構(gòu)在角度調(diào)整方面存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整麻煩等問題依舊。

圖1和圖2所示的兩種結(jié)構(gòu)在傾角調(diào)整的思路上基本相同，都是通過調(diào)整立柱的高度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸傾角及光伏組件傾角的調(diào)整。該種調(diào)節(jié)方式，局限性大，性價(jià)比低，可調(diào)性差，不適合光伏系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用。

2.2傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)

2.2.1結(jié)構(gòu)形式分類

為適應(yīng)光伏系統(tǒng)的規(guī)模化實(shí)際應(yīng)用，并充分發(fā)揮傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)提出一種傾角調(diào)整的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，既可廣泛適用于各種小型戶用或商用光伏系統(tǒng)，也可適用于大容量地面電站，其結(jié)構(gòu)形式如圖4、圖5所示：

圖4　傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)（一）

圖5　傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)（二）

圖 4所示的傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形式為單端鉸鏈配支撐桿傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，圖 5所示的傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形式為轉(zhuǎn)軸配定位盤傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

2.2.2傾角調(diào)節(jié)原理與功能實(shí)現(xiàn)過程

圖4、圖5所示的傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形式本質(zhì)相同，其傾角調(diào)節(jié)的原理是：將原本對(duì)跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 3的傾角調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移到對(duì)支撐固定光伏組件5的轉(zhuǎn)動(dòng)梁9的傾角調(diào)節(jié)，從而避重就輕，避開直接調(diào)整跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 3面臨的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和難度，選擇傾角更容易實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)梁 9來進(jìn)行傾角調(diào)整。跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 3的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線始終保持水平位置，這有利于大大簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和成本，也有利于在類似圖 3所示應(yīng)用中不同光伏陣列通過聯(lián)動(dòng)桿聯(lián)動(dòng)式傳動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定可靠性，相應(yīng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。

在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)梁9的一端通過鉸鏈4與跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3固定，轉(zhuǎn)動(dòng)梁9的另一端在拆去支撐桿13后可繞鉸鏈4自由轉(zhuǎn)動(dòng)。光伏組件5與轉(zhuǎn)動(dòng)梁9之間通過安裝支架（檁條）固定，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)梁9繞鉸鏈4的轉(zhuǎn)動(dòng)，光伏組件 5也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光伏組件的傾角調(diào)整。支撐桿13可根據(jù)待調(diào)節(jié)的不同角度分別對(duì)應(yīng)配備幾種長(zhǎng)度（或采用伸縮式），其一端可與轉(zhuǎn)動(dòng)梁9或跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3以鉸鏈方式固定，另一端為銷栓方式固定，便于角度調(diào)節(jié)。

光伏組件5傾角調(diào)節(jié)完成后，在每天的系統(tǒng)跟蹤過程中，電動(dòng)推桿 1在控制器設(shè)定的程序下作線性伸縮運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)連桿2作前后擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)梁9和支撐桿13一起運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)光伏組件5作轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光伏組件方位角的調(diào)整。

不同斜單軸光伏陣列之間通過聯(lián)動(dòng)桿以聯(lián)動(dòng)方式進(jìn)行傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多陣列光伏組件方位角的調(diào)整。

在圖5所示的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)梁9可繞轉(zhuǎn)動(dòng)梁轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度可通過角度定位盤13定位。角度定位盤13上按需設(shè)有多個(gè)定位銷孔，與所需的各種調(diào)節(jié)角度對(duì)應(yīng)。傾角調(diào)節(jié)完成后，光伏組件5通過轉(zhuǎn)動(dòng)梁9和角度定位盤13與跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3固定牢固，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同圖4所示的結(jié)構(gòu)一樣，隨著跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 3的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏組件方位角的調(diào)整。

2.2.3適用性研究

圖4所示的結(jié)構(gòu),雖然調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中考慮到傾角調(diào)節(jié)的可操作性，一般只適合模塊化、小容量的戶用或商用的光伏系統(tǒng)中，例如以1KWp為一個(gè)調(diào)節(jié)模塊。在1KWp的光伏系統(tǒng)中，若采用4塊250Wp的多晶硅常規(guī)光伏組件，若每塊光伏組件重19Kg，4塊組件共重76Kg。假如轉(zhuǎn)動(dòng)梁9和用于固定光伏組件5的安裝支架（檁條）等附件的總重量為 50Kg, 則光伏組件傾角調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總重量為126Kg,若該部分重心居中，則轉(zhuǎn)動(dòng)梁9由0°傾角開始調(diào)節(jié)角度時(shí)，所需向上的起始抬舉力約為總重量的一半，該重量為一般戶用家庭用戶能接受的角度調(diào)節(jié)出力范圍。為提高斜單軸跟蹤系統(tǒng)支架利用率，可在一個(gè)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中設(shè)置2個(gè)1KWp調(diào)節(jié)模塊，分居跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3兩側(cè)，傾角調(diào)節(jié)分別進(jìn)行，拼接處用銷栓等機(jī)構(gòu)固定鎖牢。也可設(shè)計(jì)并配備手搖式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)整角度，但成本會(huì)相應(yīng)增加。

圖5所示的結(jié)構(gòu)，在傾角調(diào)節(jié)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)梁轉(zhuǎn)軸4位于轉(zhuǎn)動(dòng)梁 9的中心（或中心附近）位置，因此在傾角調(diào)節(jié)時(shí)重力的阻力矩較小，所需的傾角調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小，傾角調(diào)節(jié)變得方便容易。通過角度定位盤13預(yù)先設(shè)定的定位孔，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)梁 9到所需的角度位置時(shí)，定位鎖死。角度定位盤13同時(shí)起著連接與支撐作用。雖然該種結(jié)構(gòu)更易于角度調(diào)節(jié)，但該結(jié)構(gòu)在角度調(diào)節(jié)過程中基本處于單軸受力狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)梁轉(zhuǎn)軸4、轉(zhuǎn)動(dòng)梁9、跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3懸臂端的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度等要求較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及成本有所提高。該種結(jié)構(gòu)比較適合于規(guī)模化應(yīng)用的光伏系統(tǒng)中，有利于降低成本和結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，有利于傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

相對(duì)于圖1、圖2所示的斜單軸跟蹤系統(tǒng)，圖4、圖5所示的斜單軸跟蹤系統(tǒng)中光伏組件的自身軸線和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線有一定傾角（按四個(gè)季度最佳傾角調(diào)整），從而導(dǎo)致對(duì)太陽方位角的跟蹤范圍減少，其減少量等于該傾角值。

下面從該種結(jié)構(gòu)對(duì)太陽方位角跟蹤和輻照度的影響進(jìn)行研究，討論其適用性。

在實(shí)際光伏系統(tǒng)應(yīng)用中，一般以上午9：00至下午3:00作為光伏發(fā)電的主要工作時(shí)間。以中間位置為參照，斜單軸跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般為±60°，一方面考慮到該跟蹤范圍已覆蓋了光伏系統(tǒng)的主要工作時(shí)間段，已滿足需求，另一方面從跟蹤結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性、中心高、抗風(fēng)性等因素考慮，綜合取值。

在對(duì)太陽高度角的跟蹤方面，傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)主要按春夏秋冬四季的最佳傾角對(duì)光伏組件的傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)。在傾角調(diào)節(jié)方面，對(duì)四季的劃分有以下幾種方法：

（1）符合我國(guó)傳統(tǒng)的四季劃分方法

該方法分別以立春、立夏、立秋、立冬作為四季的開始，以春分、夏至、秋分、冬至作為四季的中點(diǎn)。

按此季節(jié)劃分，將1年12個(gè)月劃分為4個(gè)時(shí)段進(jìn)行斜單軸跟蹤系統(tǒng)傾角調(diào)節(jié)。

（2）符合西方天文學(xué)的四季劃分方法

該方法更強(qiáng)調(diào)四季的氣候意義（主要以溫度來區(qū)分），分別以春分、夏至、秋分、冬至作為四季的開始。該種劃分方法比我國(guó)傳統(tǒng)的四季劃分方法的四季分別遲了一個(gè)半月。在北半球，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季，并以此對(duì)斜單軸跟蹤系統(tǒng)的傾角進(jìn)行4次調(diào)節(jié)。

（3）分別以春分、夏至、秋分、冬至為中點(diǎn)，前后共三個(gè)月作為時(shí)間跨度，12個(gè)月共被劃分為四個(gè)時(shí)段，分別對(duì)斜單軸跟蹤系統(tǒng)的傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以上幾種對(duì)傾角的調(diào)節(jié)方法都不合理，原因是沒有將天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、斜單軸傾角調(diào)節(jié)方式、最佳傾角（對(duì)應(yīng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)最大發(fā)電量）等因素有機(jī)優(yōu)化結(jié)合起來。

圖6　傾角調(diào)節(jié)時(shí)間區(qū)間劃分示意圖

由于太陽在地球上的直射點(diǎn)每年在南北回歸線之間來回移動(dòng)，形成了一年四季。北半球的冬至日，太陽直射點(diǎn)在南緯23°26′。夏至日，太陽直射點(diǎn)在北緯23°26′。春分與秋分日，太陽直射點(diǎn)在赤道。由于斜單軸跟蹤系統(tǒng)的傾角調(diào)節(jié)的時(shí)間區(qū)間劃分應(yīng)遵循對(duì)應(yīng)的太陽高度角變化量基本相等的原則，而在一年四季的天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，隨著太陽能高度角的變化，在冬至日和夏至日取得極值點(diǎn)，在春分和秋分日取得拐點(diǎn)，因此合理的時(shí)間區(qū)間劃分方式應(yīng)為圖6所示：

傾角調(diào)節(jié)的時(shí)間區(qū)間共按四個(gè)時(shí)段劃分：

（1）春季時(shí)段：2.20-4.20前后，以3.21為中點(diǎn)，共約2個(gè)月；（2）夏季時(shí)段：4.21-8.23前后，以6.21為中點(diǎn)，共約4個(gè)月；（3）秋季時(shí)段：8.24-10.22前后，以9.23為中點(diǎn)，共約2個(gè)月；（4）冬季時(shí)段：10.23-2.19前后，以12.22為中點(diǎn)，共約4個(gè)月。

在太陽高度角的變化量方面，上述夏季或冬季時(shí)段4個(gè)月的變化量和春季或秋季時(shí)段2個(gè)月的變化量基本等效。另外，為便于統(tǒng)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的習(xí)慣，將以上各時(shí)段向后稍微延遲8至10天，取月初和月末作為時(shí)段界限，即：

（1）春季時(shí)段：3月、4月，共2個(gè)月；（2）夏季時(shí)段：5月、6月、7月、8月，共4個(gè)月；（3）秋季時(shí)段：9月、10月，共2個(gè)月；（4）冬季時(shí)段：11月、12月、1月、2月，共4個(gè)月。

下面計(jì)算各個(gè)時(shí)段的最佳傾角。在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，以能獲得最大發(fā)電量的光伏組件的最小傾角作為最佳傾角。參照RETSCREEN軟件和PVSYST軟件，并依據(jù)美國(guó)NASA全球氣候數(shù)據(jù)庫，以上海地區(qū)為例，經(jīng)計(jì)算，結(jié)果參考表1：

表1　上海地區(qū)各時(shí)段最佳傾角

上海地區(qū)位于北緯31.1°、東經(jīng)121.3°，平均海拔7m。冬季時(shí)段的最佳傾角最大。上海地區(qū)的各時(shí)間的太陽高度角和方位角可按以下公式計(jì)算或用軟件模擬計(jì)算。

公式1-1為太陽高度角α的計(jì)算公式，公式1-2或1-3為太陽方位角β的計(jì)算公式。式中，δ為太陽赤緯角，φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋貫樘枙r(shí)角。ω在正午時(shí)為0，每小時(shí)增15°，上午為負(fù)，下午為正。

現(xiàn)以冬季時(shí)段的中點(diǎn)及始末點(diǎn)為例，列出上海地區(qū)太陽高度角和方位角，見表2。其它幾個(gè)時(shí)段類似。

表2　上海地區(qū)太陽高度角和方位角（部分）

表3　上海地區(qū)冬季時(shí)段的最佳傾角與太陽方位角關(guān)系（部分）

由表1至表3的數(shù)據(jù)可知，在上海地區(qū)，在斜單軸跟蹤系統(tǒng)工作時(shí)間中，采用圖4、圖5所示結(jié)構(gòu)的光伏跟蹤系統(tǒng)在上午9：00和下午3:00時(shí)候，太陽光線與光伏組件接近垂直入射，所受太陽輻照度增強(qiáng)，并沒有因?yàn)楦櫡秶臏p少而影響對(duì)太陽方位角跟蹤及輻照量吸收，相反比圖1、圖2所示結(jié)構(gòu)獲得的輻照量更多。同理分析可得，在春、夏、秋季時(shí)段，上述結(jié)果類似。

上述數(shù)據(jù)是以上海地區(qū)為例進(jìn)行分析研究的，經(jīng)分析對(duì)于我國(guó)其它地區(qū)同樣適用。

2.2.4優(yōu)點(diǎn)分析

圖4、圖5所示的傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，后期運(yùn)行維護(hù)方便；

（2）成本低，有利于模塊化、規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用；

（3）結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定可靠；

（4）和固定傾角的斜單軸跟蹤系統(tǒng)相比，其增加很少的成本，卻基本達(dá)到雙軸跟蹤系統(tǒng)的效率和發(fā)電量，投資收益率高。

（5）無論從地域上，還是從應(yīng)用領(lǐng)域上，還是從安裝場(chǎng)所等方面考慮，其適用范圍非常廣泛。

（6）本結(jié)構(gòu)可根據(jù)用戶需要，稍作變通更改，同樣適用于一年12月按月進(jìn)行傾角調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。光伏系統(tǒng)發(fā)電量會(huì)得到進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上的分析和研究，該種傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能實(shí)現(xiàn)困難、成本高、運(yùn)行維護(hù)麻煩、無法實(shí)際應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的難題。該種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)能基本滿足光伏系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，能有效提高光伏系統(tǒng)效率和發(fā)電量，成本低效益高，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，方便可靠，值得大規(guī)模推廣與應(yīng)用。

[1] 王長(zhǎng)貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2] 崔容強(qiáng),趙春江,吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[3] 郝啟強(qiáng).可調(diào)式斜單軸跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值分析與評(píng)估[J].中國(guó)建設(shè)動(dòng)態(tài):陽光能源,2011,(1):67-68.

[4] 許建存,劉彩鳳,候國(guó)青,等.談?wù)凚IPV構(gòu)件及其安裝[J].太陽能,2009,(7):41-43.

[5] 王雪文,王洋,閻軍鋒,等.太陽能電池板自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,34(2): 163-164.

[6] 劉振起.太陽能集能器自動(dòng)跟蹤裝置[J].節(jié)能,2003,(9): 22-24.

[7] 樊峰鳴,馬良濤.單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)的研究[J].河南城建高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2000,(9):43-45.

[8] 王海波.光伏發(fā)電系統(tǒng)增加單軸跟蹤裝置的經(jīng)濟(jì)性分析[J].能源工程,2012,(4):62-65.

A simple angle-adjustable structure of tilted single-axis solar tracking system

Currently,the tilted single-axis solar tracking system is mostly angle-fixed structure. In order to further improve the power generation of inclined single axis tracking system and scale applications,a simple angle-adjustable structure of tilted single-axis solar tracking system is now proposed. Taking Shanghai area as an example, the structure characteristics and application scope are analyzed. This kind of simple structure provides a new idea for the tilted single-axis tracker angle adjustment. The results show that this kind of simple structure is strongly practical, low cost, and is worthy of popularization and Application.

Solar tracking system;Tilted single axis;Angle adjustable;Support structure

TK51

A

1008-1151(2015)04-0081-05

2015-03-12

黃勇（1974-），男，江蘇宿遷人，上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司技術(shù)工程師，研究方向?yàn)楣夥到y(tǒng)設(shè)計(jì)、新型光伏組件與光伏支架設(shè)計(jì)。