雙軸追蹤與固定式光伏系統運行特性對比研究

陳劍波++李林++岳畏畏

摘 要：全球性的能源危機把太陽能的開發利用推向眾人矚目的至高點。TPV（雙軸追蹤式光伏發電）系統因比FPV（固定式光伏發電）系統具有更強的發電能力而備受關注，為推進TPV系統和FPV系統的實用進程，對該兩種系統運行特性進行研究很有必要。通過理論計算驗證了TPV系統和FPV系統采集數據的準確性，實驗數據分析結果顯示在實驗期間的8至11月份TPV系統總發電量平均比FPV系統大16%左右，推測出上海地區全年TPV系統發電量比FPV系統大16%左右，在西北地區這一優勢將進一步擴大。室外日輻照總量越大，系統的發電量也就越大，當水平面日輻照總量>4kWh/㎡時，TPV系統比FPV系統日發電量高12～25%左右；當水平面日輻照總量<2kWh/㎡時，TPV系統比FPV系統日發電量低20%左右。針對陰雨天TPV系統發電量低于FPV系統發電量，從光伏系統半導體發電原理上進行深度解析，得出相關結論并提出相應應對策略。為TPV系統和FPV系統的實用性研究、推廣提供較重要的參考依據。

關鍵詞：太陽能； TPV； FPV； 發電量； 輻照度； 策略

Abstract：The deficient of global energy draws the development and utilization of solar energy into the highest limelight point.TPV（dual-axis tracking photovoltaic）system provides more electric power than FPV（fixed photovoltaic system） which makes TPV system more attractive，its necessary to syudy the operating characteristics of the two systems in order to process the practical process of TPV system and FPV system.The accuracy of the data is verified by theoretical calculation on both TPV system and FPV system.，results showed that during August to November TPV system generated about 16% more electric power than FPV system on average.It can be speculated that TPV system generats about 16% more electric power than FPV system in a whole year，and the tendency will be more obvious in the northwest.The greater the sun irradiation， the greater the power generation capacity of the systems. when the irradiation is > 4 kWh/㎡， TPV system provides 12～25% more electric power than FPV system ；when the irradiation is < 2 kWh/㎡， TPV system provides about 20% less electric power than FPV system.In rainy days，TPV systems power generate capacity is lower than the FPV system， reasons are analysed on the principles of semiconductor photovoltaic，conclusions and corresponding countermeasureare are obtained as well.For TPV system and FPV practical research，the article provides an important reference.

Key words：solar power； TPV； FPV； Power generation；strategy

引言：

能源危機的形勢日益嚴峻，人們越來越多的把目光聚焦于無污染、儲量豐富的太陽能。目前太陽能光伏發電使用的主要系統形式是FPV系統和TPV系統。

TPV系統能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，與FPV系統相比，TPV系統將增加大于35%的太陽輻射接收量，顯著提高發電量。

影響太陽能光伏系統發電量的因素主要有太陽輻照度、光伏系統組件背板溫度、室外溫度、風速、組件的材料等，文章通過實驗數據對太陽輻照度和背板溫度這兩個主要影響因素進行重點分析。

本文理論驗證了所采集實驗數據的正確性，得出TPV系統總發電量平均比FPV系統大16%左右、輻照總量越大光伏系統的發電量越大的結論。當水平面日輻照總量>4kWh/㎡時，TPV系統比FPV系統日發電量高12～25%左右；當水平面日輻照總量<2kWh/㎡時，TPV系統比FPV系統日發電量低20%左右。同時通過數據統計分析，發現陰雨天氣（水平面日輻照總量<2kWh/㎡）TPV系統發電量低于FPV系統發電量。針對這種現象，從短波輻射使光伏系統產生光生電流、長波輻射使光伏系統發熱的運行機理上進行分析，并結合實驗數據提出相應改進策略，對追蹤式太陽能光伏光伏利用有極大的促進作用。

1.實驗裝置

1.1 太陽能光伏系統原理

如圖1，由監控數據采集器對實驗條件下室外溫度、水平面太陽輻照度以及逆變器前后的直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流等參數進行監測，并傳至計算機進行顯示、存儲。光伏系統產生的直流電經過逆變器轉換成電壓合適的交流電進行并網也可以配送至用電設備直接使用。

1.2 實驗裝置

如圖2所示，太陽能光伏系統，由7塊大小為158mm×83mm的太陽能光伏系統組成。采用時控的控制方式，即根據當地經緯坐標和時間，利用天文學計算公式，計算太陽所處天空的坐標，然后驅動電機轉動支架進行追蹤。采集的信息主要包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流等，進而可以獲得發電功率、日發電累計以及總發電量累計等信息。

環境監測儀主要對水平面輻照度、室外風速、風向以及室外溫度進行采集。信息會自動存儲至計算機，并可隨時提取。

太陽能光伏系統具體監控系統框圖如下所示：

2.太陽能光伏系統驗證計算：

2.1 時控太陽方位計算

太陽高度角計算公式[1]如下：

從圖4、圖5中可以看出，兩種系統功率實測值跟理論值數值及趨勢都是十分相符的。除個別誤差較大點外，FPV系統實測值與理論值平均誤差為4.5%，TPV系統實測值與理論值平均誤差為5.6%。誤差較小，在可接受范圍之內，證明實驗的準確度是較高的，實驗數據具有較高的可信度。

3.實驗結果分析

影響太陽能光伏系統發電量的主要因素有太陽輻照度和光伏組件背板溫度。下文對這兩個影響因素進行了具體分析，并對TPV系統和FPV系統發電量情況進行了比較分析。

3.1 輻照度對系統發電功率的影響

由圖6可以看出，晴天狀態下TPV系統功率大于FPV系統，但中午11：00至13：00這一特點不明顯，此時兩系統功率較為接近。經分析，其原因是中午時刻TPV系統方位角及傾斜角與FPV系統接近，所接收的太陽輻射量相差不大，因而功率接近；其他時間由于TPV系統可以自動追蹤太陽運行軌跡，可以接收更多的太陽能，因而功率比FPV系統大。

3.2 背板溫度對系統發電效率的影響

由圖7可知：相對于TPV組件，背板溫度對FPV組件發電效率的影響程度更加明顯。背板溫度升高時FPV組件發電效率會隨之下降。背板溫度平均每升高1度FPV組件效率下降0.33%；相對而言，背板溫度的變化對TPV組件發電效率的影響不大。隨背板溫度的升高，TPV組件效率上下波動，并無明顯升高或降低趨勢。從圖中可以看出：組件背板溫度較低時（背板溫度在40℃以下），FPV組件效率大于TPV組件效率，此時對兩組件發電量差異影響比較大的因素是背板溫度和太陽輻照度；組件背板溫度較高時（背板溫度大于40℃），兩組件發電效率差異減小，此時對兩組件發電量差異影響比較大的因素是太陽輻照度。

3.3 TPV系統與FPV系統發電量比較

3.3.1 TPV系統與FPV系統月發電量比較

實驗對比分析了實驗期間8至11月份TPV系統與FPV系統月發電量，得到如下結果：

通過圖8可以看出，TPV系統相比FPV系統月發電量平均高16%左右，11月份甚至高達20%，充分顯示了TPV系統相對于FPV系統在發電量方面的優越性。

通過圖9可以看出，試驗期間的8、9、10、11月份上海地區月總輻射量各有差異。其中9月份月總輻射量最大，可達450MJ/m2；11月分月總輻射量最小為275MJ/m2。同時也可以看出，4、5、6、7月份月總輻射量與試驗期間的8、9月份月總輻射量相類似；1、2、3、12月份月總輻射量與試驗期間的11月份月總輻射量類似。因此實驗期間數據能夠比較好的反應全年實際情況。因此，我們可以確信的推斷：對于全年運行特性而言，TPV系統相比FPV系統月發電量平均高16%左右，這一優勢在西北地區會更加明顯。

3.3.2 TPV系統與FPV系統日發電量比較

對9月份TPV系統與FPV系統日發電量進行了對比分析，得到如下結果：

圖10為9月份FPV系統與TPV系統日發電量及日輻照總量。由上圖可以看出，晴好天氣下，TPV系統最大發電量可以達到8.8kWh，相對應當天的FPV系統也達該月最高值，其發電量為7.1kWh。由圖知，室外輻照總量越大，兩系統發電量也都越大。日輻照總量越大，TPV系統發電量比FPV系統發電量增加比例越大。就空間而言，我國太陽輻射能分布大體上東南向西北遞增。因此可以斷定，我國西北地區TPV系統相對于FPV系統的優勢將大于東南地區。當水平面日輻照總量>4kWh/㎡時，TPV系統比FPV系統日發電量高12～25%左右。但當水平面日輻照總量<2kWh/㎡時，TPV系統的日發電量要比FPV系統的日發電量低16～25%左右。

數據表明晴天狀況下TPV系統發電量明顯大于FPV系統，但陰雨天氣條件下TPV系統發電量反而低于FPV系統約16至25個百分點。這種現象超出實驗預期，經過研究分析，我們對這種現象進行了合理的解釋。

3.4 陰雨天TPV系統與FPV系統發電量比較

3.4.1原因分析

從實驗數據中，我們注意到陰雨天氣TPV系統的發電效率要低于FPV系統。下面來分析一下產生這種現象的原因。

“光伏效應”簡單的說就是半導體材料在高能量光束的照射下，電子和空穴被分離，形成光生電動勢，即光生電壓。其工作原理見圖11。

光伏系統發電主要是依賴于太陽輻射中的短波輻射，因為只有輻射中所含的能量足夠大才能讓半導體中的電子跟空穴分離進而產生光生電壓。因此，只有短波輻射才具有使光伏系統產生光生電壓的能力。短波輻射由于所含能量較低，只能讓電子在空穴中產生震動，不足以讓電子跟空穴分離，所帶來的結果是電子的震動使光伏系統溫度上升。

晴朗天氣，達到地面的太陽輻射能量較高的短波輻射比重大，因而TPV系統在接收短波輻射輻射量大于固定式光伏系統的條件下，發電量明顯大于FPV系統；陰雨天氣，到達地面的太陽輻射中，短波輻射的比例大大減少反而長波輻射占據輻射中相當大的比重。因此TPV系統和FPV系統可以有足夠的產熱量，可以使兩系統維持一個比較低的溫度。而由圖7得出的結論可知，在溫度和輻射量較低的時候FPV組件發電效率大于TPV組件。此時由于輻射量較低，兩系統接收輻射量接近，因而TPV系統的發電量低于FPV系統。

3.4.2 應對策略淺析

陰雨天氣之所以TPV系統發電量低于FPV系統，主要在于太陽輻射中的長波輻射比重上升，使TPV系統內部發熱量大于FPV系統，因而使TPV系統的發電量低于FPV系統。

針對這種情況，提出如下運行策略：晴朗天氣維持各光伏系統的正常運行；當陰雨天氣來臨時，自動使TPV系統轉至正南方向（方位角為0°）且傾角為22°，并維持這種狀態不再變化，FPV系統仍然維持原有狀態。

因為陰雨天TPV系統發電量低于FPV系統，且TPV系統運行需要有運動部件實時控制偏轉角度，會消耗一定的功率。所以此時按常規狀態運行TPV系統是不經濟、不科學的，在陰雨天自動轉換運行模式是有必要且合理可行的。

4.結論

本文簡要的介紹了太陽能光伏系統發電量的計算，并對比實驗測試數據驗證了實驗的準確性。分析了太陽輻照度和光伏組件背板溫度對發電量的影響。根據可靠的實驗數據分析得出相對于TPV組件，背板溫度對FPV組件發電效率的影響程度更加明顯；上海地區全年運行條件下，TPV系統相比FPV系統月發電量平均高16%左右，且這一優勢在西北地區將進一步擴大；天氣晴朗狀態下TPV系統比FPV系統日發電量高12%～25%左右等結論。但同時也注意到陰雨天氣條件下TPV系統的日發電量要比FPV系統的日發電量低16～25%左右。針對這種情況，從光伏系統半導體發電原理上進行深度解析，找出了陰雨天氣下TPV系統效率低于FPV系統的原因。并進一步提出應對這種不良現象的策略。這種運行方式會提高TPV光伏系統的運行效果，減少不必要的能耗損失。研究成果對TPV系統的研究、使用、推廣提供了較重要的參考價值。

參考文獻

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【作者簡介】陳劍波（1962- ），男，教授，建筑環境與設備工程系主任，主要研究方向：暖通空調系統集成與節能技術。現在進行的研究項目有：環保制冷工質在熱泵空調熱水一體機中的替代研究、AOP循環冷卻水處理系統節能效果檢測與評估等。

【文章編號】1627-6868（2017）06-0001-04