光伏系統安裝跟蹤裝置的優勢探討

孫佳 陶曄 徐國 昌丁海 峰楊楠

上海發電設備成套設計研究院有限責任公司

1 引言

社會的迅猛發展加大了對能源的需求。近年來太陽能、風能等可再生能源受到人們的青睞。國家出臺多種補貼及一些相關政策鼓勵可再生能源的發展。在清華大學建筑節能學術周公開論壇上，江億院士做了《對我國能源革命的思考》講座。江億院士認為：我國可以構建成可再生能源為主的能源結構。未來9萬億kWh的電能需求中光電預計有400%的增長空間，風電有230%的增長空間。可見，可再生能源發展前景廣闊[1]。

目前，太陽能的利用方式主要有光熱、光伏兩種。光熱技術是利用集熱器將太陽能的輻射熱能集中起來加熱介質產生蒸汽等做功。光伏技術是利用光伏板半導體材料的光伏效應將輻射能直接轉換為電能。由于某一時刻太陽輻射到地球單位面積上的輻射能是一定的，為了能夠盡大地獲取輻射能，光熱系統往往采用跟蹤對焦系統，將大面積內的輻射熱集中到面積較小的集熱器上。而光伏系統從原理上來說沒有必須采用跟蹤系統的要求，但有時為了提高發電效率及追求經濟效益，也采用了單軸跟蹤、雙軸跟蹤等系統。本文從直射輻射的大小探討光伏系統中安裝跟蹤系統的意義。

2 跟蹤系統

太陽能跟蹤系統是光熱和光伏發電過程中，更好地利用太陽輻射能，達到提高光電轉換效率的機械及電控單元系統。整套包括：電機、蝸輪蝸桿、傳感器系統等。太陽能跟蹤系統將保持太陽能電池板隨時正對太陽，讓太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板。采用太陽能跟蹤系統能提高太陽能光伏組件的發電效率。

目前，太陽能跟蹤系統主要分為單軸跟蹤系統（如圖1）及雙軸跟蹤系統。單軸跟蹤系統憑借著比固定軸更高的發電效率及土地利用率，以比雙軸跟蹤系統更穩定的結構、更經濟的造價及更低廉的維護成本等優勢，成為利用率較高的太陽能跟蹤系統。

圖1 單軸跟蹤裝置示意圖

為了使太陽能電池板能夠時刻跟蹤太陽位置，從而使發電效率達到最佳狀態，跟蹤系統一般通過建立太陽相對于地球運行軌跡的數學模型，將數學模型通過編程的方法集成于太陽能跟蹤控制器中，然后通過集成于控制器中的算法將轉動角度信息每隔一定時間下發于步進電機，從而實現太陽位置跟蹤。

3 與固定軸系統的比較

3.1 接收輻射量的大小

圖2 太陽與固定軸、水平跟蹤系統方位示意圖

A——固定軸斜面傾角

β——太陽方位角，計算公式參見文獻2

h——太陽高度角，計算公式參見文獻2

從圖2中可知，某一時刻，照射到固定軸斜面的太陽直射輻射分量為（以太陽直射輻射總量為1，下同）：

Rgd=cos h cosβsin A+sin h cos A (1)

同一時刻，照射到同一地點的水平跟蹤平面的太陽輻射分量為:為探究何時固定軸斜面的直射分量大于水平跟蹤平面的直射分量，即是求：Rgd＞Rgz。

令

由式1和式2，如果某一時刻，同一地點的Rgd＞Rgz，則固定面傾斜角需滿足如下條件：

π-arcsin C-X＞A＞acrsinC-X (5)

事實上，若某項目采用固定軸方案，當傾角A確定后，一年中滿足式(5)的時刻并不少。以上海為例，光伏板以固定傾角25°安裝，通過計算，一年之中，幾乎有一半時刻比同一地點采用水平單軸跟蹤系統占優（光伏系統每日運行時間 9∶00到 15∶00）。按式（1）和式(2)的計算結果，與實際搭建的試驗臺獲取的數據曲線也基本吻合，見圖3。

圖3 上海地區某日固定斜面與水平單軸跟蹤系統接收太陽輻射實測數據（斜面傾角25°）

由圖3可見，水平單軸跟蹤系統在上海等地區并不明顯比固定斜面系統占優。當然，如果采用同一傾角的斜面單軸跟蹤系統將明顯比固定斜面有優勢，但這又會牽涉到遮擋陰影問題。

3.2 跟蹤系統與遮擋陰影

為方便說明問題，光伏系統暫按單排布置考慮，跟蹤系統則采用水平單軸跟蹤系統。如果采用固定斜面安裝，板與板之間無需考慮間距。但若采用跟蹤系統，由于旋轉引起的高差，若不考慮單元旋轉陣列之間的間距，陣列之間將產生陰影，影響發電效率及設備壽命,見圖4。

圖4 跟蹤裝置導致太陽能接收器陰影示意圖（斜面傾角25°）

為了避免或減小陰影，應選取一個極端時刻來校核不產生陰影和光伏組件之間的距離（如圖5），一般選項目所在地冬至日上午9點作為校核時刻。最小距離可由太陽與組件的相對位置按下式求取：

D=W/cosα (6)

式中，W—光伏板垂直于旋轉軸方向的寬度；

α—光伏板在校核時刻的旋轉角度。

所以，W與D的比值可以用來表示單位面積利用率。

圖5 光伏板間距示意圖

跟蹤系統可以提高接收的輻射功率，有些實驗可提高達到30%～40%。所以，保守起見，對于一個項目是否安裝跟蹤系統，可按提高效率30%來考核安裝是否合適。當單位面積利用率比較小，如小于0.7時，可考慮加裝跟蹤系統或加裝光伏板來提高整個系統的輸出功率。表1是一些緯度以冬至日上午9點作為校核時刻的單位面積利用率。

由表1可見，對于水平單軸跟蹤系統，其單位面積利用率隨緯度增高而減小。因此，水平單軸跟蹤系統適合安裝在低緯度地區。而高緯度地區如果需安裝跟蹤裝置，則斜軸單軸跟蹤系統比較合適。實際上，高緯度地區的斜軸單軸跟蹤系統，相當于某低緯度（高緯度地區緯度與斜面傾角之差）地區的水平單軸跟蹤系統。

4 總結與建議

光伏系統安裝跟蹤裝置并不一定起到預期的較好效果，相反還增添了設備維護檢修的工作量。項目是否采用跟蹤裝置應結合所在地的緯度、日照等多種因素綜合考慮，以期使資源得到最大化利用。