跟蹤式光伏發電陣列間距的優化設計探究

楊雅媛

[摘? ? 要]科學技術的快速進步促進了太陽能光伏發電行業的迅猛發展，光伏發電屬于我國新能源領域的重要產業，和國民生活息息相關。為了提高太陽能光伏發電設備的發電效率，進一步強化我國的能源產業競爭力，研究人員設計出了跟蹤式光伏發電系統。本文首先對我國跟蹤式光伏發電系統的發展現狀進行了總結介紹，接著闡述了優化發電系統陣列間距的必要性及其當前發展的不足，最后分析介紹了優化跟蹤式光伏發電陣列間距設計的幾點措施。

[關鍵詞]跟蹤式光伏發電;陣列間距;優化設計

[中圖分類號]TM615 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–0–03

Research on Optimal Design of Tracking Photovoltaic Array Spacing

Yang Ya-yuan

[Abstract]The rapid progress of science and technology has promoted the rapid development of solar photovoltaic power generation industry. Photovoltaic power generation is an important industry in China's new energy field and is closely related to national life. In order to improve the power generation efficiency of solar photovoltaic power generation equipment and further strengthen the competitiveness of China's energy industry， researchers designed a tracking photovoltaic power generation system. Firstly， this paper summarizes and introduces the development status of tracking photovoltaic power generation system in China， then expounds the necessity and shortcomings of optimizing the array spacing of power generation system， and finally analyzes and introduces several measures to optimize the design of tracking photovoltaic array spacing.

[Keywords]tracking photovoltaic power generation; array spacing; optimal design

21世紀初，能源消耗和環境污染問題對世界各國經濟發展的影響愈加嚴重，開發新能源來替代傳統的化石能源受到了空前的關注。太陽能被認為是無限能源，是目前較為理想的可替代能源。光伏發電系統由太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器組成，可以將太陽光能轉換成電能，實現太陽能的有效利用[1]。

1 我國跟蹤式光伏發電發展現狀

為了促進能源的節約利用和環境的良性保護，我國于20世紀末期開始太陽能光伏發電技術的研發。傳統的太陽能光伏發電以固定式發電系統為主，但固定式光伏發電系統存在受光能力差、發電效率低以及影響生態環境等弊端。為了提高光伏發電產能，跟蹤式光伏發電系統逐漸代替了固定式光伏發電系統的應用，它與固定式發電設備相比，發電系統的受光能力得到大幅度上升，可有效提高發電量30 %左右[2]。無論是固定式還是跟蹤式光伏發電，其研究目標都要聚焦于對太陽位置的計算，太陽光直射的角度是持續變化的，并且光照強度受天氣、環境以及地理位置等因素的影響較大。特別對于跟蹤式系統，光伏發電跟蹤器立柱的陣列間距直接決定了受光能力和發電效率。

光伏發電系統由太陽電池、蓄電池、控制器和逆變器組成，可以將太陽光能轉換成電能。系統可靠性高，使用壽命長，不污染環境，能獨立發電又能并網運行。對于大型光伏陣列，電能輸出具有非線性特征，與外界溫度、光照條件和用電負載有關，太陽能電池很難一直工作在最大功率點處。因此，為了使光伏發電效率高，需要采用最大功率點跟蹤技術（MPPT），該技術可以預測和跟蹤最大功率點，使光伏系統在最大功率點工作[3]，對光伏發電陣列間距的優化具有重大意義（見圖1）。

2 優化光伏發電陣列間距設計的必要性

2.1 緩解能源危機

近幾十年來，隨著第三次工業革命的進行，科技的進步與完善，高能耗的產業數量急劇上升，比如：供暖、交通、城市建設以及通信行業等，資源消耗日益加劇。化石燃料作為人類社會的主要能源，如今已經被開采過度，剩余的儲量不能滿足人類的長期發展需求，盡管許多國家已經加大了低能耗產業的發展力度，但目前的全球能源消耗仍以化石燃料為主。面對化石燃料資源的急劇縮減，發展新能源產業已經成為必須要走的道路，太陽能是取之不盡用之不竭的自然資源，光伏發電系統可以把太陽能轉化為電能儲存使用，符合人類可持續發展理念[4]。因此，優化跟蹤式光伏發電陣列間距，提高太陽能的能量轉化率有利于為緩解世界能源危機做出貢獻。

2.2 保護生態環境

當前，世界上的主要能源消耗仍然以化石燃料為主，但化石燃料的利用給環境造成了嚴重的破壞，化石燃料燃燒的轉化率低，燃燒時可生成CO2、SO2、NO2以及CO等氣體，造成了溫室效應和酸雨等一系列嚴重的環境問題。太陽能是一種環境友好型的自然資源能源，光伏發電是將太陽的光能轉換為了電能供給用電器使用，不會產生上述有害氣體，可以有效加強環境保護。大力發展光伏產業符合科學發展觀，符合人類可持續發展理念，有希望為環境保護做出重大貢獻。因此，為提高太陽能利用率，加快光伏產業發展，必須優化跟蹤式光伏發電陣列間距，以保護人類賴以生存的地球家園。

2.3 保障國家穩定

從世界資源的發展趨勢來說，目前石油資源供應已經開始出現短缺，這一情況在上文中已有敘述，未來的國家發展必然需要依靠新型清潔能源，才能保證國家能源供應充足。我國是一個人口數量巨大的發展中國家，人均資源占有率低，開發太陽能等新能源勢在必行，從而保障我國國家穩定、社會發展穩定以及經濟水平的穩定。光伏發電是我國目前大力發展的重要產業，也是我國未來能源開發的主要支撐點，與我國國民經濟發展息息相關。我國光伏企業的發展與其他西方國家差距巨大，能源產量占比小，因此，加快光伏產業發展步伐，開發并優化跟蹤式光伏發電陣列間距設計對我國經濟水平的穩定和國家未來發展至關重要。

3 跟蹤式光伏發電陣列間距設計難點

跟蹤式光伏發電系統有兩種類型：雙軸跟蹤系統和單軸跟蹤系統。其中，雙軸跟蹤系統又包含跟蹤系統（ω，δ）和跟蹤系統（γ，α），單軸跟蹤系統又劃分為旋轉軸垂直水平面型和旋轉軸平行系統平面型兩種類型，而每種類型的系統又可按照勻速跟蹤和角度跟蹤分為兩種，對于每種系統都有不同的設計方式，但主要的設計問題主要聚焦于以下幾個方面。

3.1 光伏設備間距

不管是固定式光伏設備還是跟蹤式光伏設備，都需要對多個個體設備進行陣列間距的安裝設計，也就是計算出合理的個體設備安裝距離，以保證設備的最優化運行。跟蹤式光伏設備的間距計算主要考慮以下幾個問題：①光伏設備面板前后的遮擋問題，若設備間電池面板遮擋面積太大，會導致面板受光率不足，影響設備能量轉化效率;②光伏發電設備后期維修的通道問題，維護通道是必須保留的，可為設備后期的維修提供保證;③光伏發電設備運行狀態中的通風散熱通道問題，一定的散熱空間可以延長設備的使用壽命;④光伏設備間距的設計和電池板面積有關，間距的設計問題要考慮到電池面板的面積和角度旋轉因素，以保證電池面板在工作時間內得到充足的光照。

3.2 地理位置

我國地域面貌特征豐富，在同一時間，對于不同地區的光照角度差別比較明顯，而且在不同的地域，光照強度也有所不同。光伏發電跟蹤系統使光伏陣列隨著太陽的運動而轉動，從而使光伏陣列得到較大的輻照量。同時，由于跟蹤式光伏發電系統種類豐富，設備安裝的地域面貌不一，以及各地的光伏長期發電試驗數據不足，類型不同的跟蹤式發電系統，在不同地區能夠達到的峰值發電量，一直都有待實驗驗證。跟蹤式光伏發電系統以長期穩定的高電能轉化率為目標，這是和其他類型追日系統的根本區別，跟蹤式光伏發電系統的陣列間距設計既要解決跟蹤不同步問題，同時也要解決跟蹤過度，追求穩定的高發電量才是跟蹤式光伏發電系統在不同地區的相同目的。

3.3 吸光材料耐溫強度

光伏跟蹤設備組件的工作效率除了受溫度影響外，其與吸光材料的性能有著重要關系。對于光伏發電設備，若組件溫度較高，則會導致光電轉換效率降低、電流傳輸波動甚至影響電池壽命。在光伏發電系統中，發電設備直接置于外界，表面落塵落葉、鳥與蟲的活動、積雪等遮擋會影響組件受光與溫度變化，并且由于電池片材料性能存在差異，串聯后單體電流的不同會導致整體電流損失，這就造成連接好的光伏設備輸出總功率小于各光伏設備個體功率輸出之和，這種情況稱為太陽能電池的失配，該現象極易造成發電設備的損耗。

3.4 生態環境

雖然光伏發電技術屬于新能源領域的創新應用，但其并非百利而無一害。為了盡可能接收更多量的太陽輻射，光伏設備的安裝往往會覆蓋較大的土地面積，這一行為對土壤理化性質和植物群落的影響巨大，有外國學者對安裝有光伏發電設備的草原上相應位置的植物生物量及物種多樣性進行了研究[5]，結果發現設備下方區域的植物生物量以及物種多樣性相對較低，其原因是該區域的小氣候和植被管理發生了變化，造成這一現象的原因就是因為光伏設備的安裝改變了原有的下墊面，減少了植被受光率。另外，光伏設備的大面積安裝也有可能導致相應地區太陽輻射的減少，進一步影響地區的溫度、降水和局部氣候等。考慮到上述因素，必須合理調控跟蹤式光伏發電陣列間距設計，在能源開發的基礎上保證生態的穩定。

4 跟蹤式光伏發電陣列間距優化措施

形成電池陰影的因素最少要包含有物體、投影面、光線三部分，當光線照射到物體，由于受到物體遮擋，將會形成投影面。按照這個特點，綜合3個要素使用三維圖形變換原理完成電池板面陰影測算模型構建。以天球理論為依據描述地平坐標系，利用方向角和高度角確定太陽位置。轉換方位角和高度角為矢量形式方向量角后，將其帶入計算公式實施計算。假設太陽方向向量是直角坐標系與球面坐標系轉化，再將其做歸一化處理。跟蹤式光伏設備電池面板在旋轉時需按照支架端點位置開始轉動，圍繞X軸、Y軸和Z軸旋轉得到的變換矩陣乘積可以對空間中的任何復雜變換矩陣做出表示。電池面板是拼接多塊矩陣光伏電池組件而成，呈現出多邊形狀態，所以要將電池面板的所有邊界角點進行陰影投射轉換或者旋轉處理，獲得跟蹤過程中的投射點。在此之后，利用直線連接起相近的投射點，完成陰影形狀和位置繪制。電池面板陰影測算模型如式（1）：

V'=MRV （1）

若是設備相近而產生陰影重疊，則表明電池面板被遮擋。在一年時間內，跟蹤電池面板陰影，判斷是否位于邊界角點最外側位置的投影軌跡范圍內，繪制完成邊界角點全年陰影軌跡運動線路，對跟蹤式光伏設備陣列式排布最小的距離做出簡單的測算。設計與優化光伏設備陣列排布間距，可以將其簡單地看作測算一臺設備投影軌跡線路。東西方向相近的兩個設備之間最小排布距離是單臺光伏設備電池面板東西方向最外側陰影運動軌跡之差。南北方向相近的兩個設備之間最小排布距離是單臺光伏設備電池面板南北方向最頂端陰影運動軌跡之差。

5 結束語

光伏發電技術是新能源開發的重點領域，跟蹤式發電技術的應用是目前光伏發電的重要發展方向。光伏發電受時空特性和氣象因素的影響，對不同時間尺度、地理環境、天氣類型、輻照等進行合理分析是跟蹤式光伏布點定容、發電運行的基礎。政策導向、經濟發展、光伏企業數量與光伏發電集中度息息相關。由于地理位置不同，溫度、氣候以及生態環境等方面的差異，陣列間距的設計不能一以貫之，要根據不同地區的不同特征采取相應措施，以達到最優和最高的發電效率，從而推動我國光伏發電技術的快速發展和可持續發展。

參考文獻

[1] 靳肖林.光伏發電系統最大功率點跟蹤技術綜述[J].電源技術，2019（3）：178-181.

[2] 劉耀武.跟蹤式光伏發電系統中太陽位置算法的研究[J].寧夏師范學院學報，2017（3）：29-35.

[3] 宋子昊.分布式光伏發電影響因素綜述[J].河南科技，2020（32）：140-143.

[4] 許芷毓.自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電系統[J].電子技術與軟件工程，2020（1）：206-207.

[5] 李培都.光伏電站對生態環境氣候的影響綜述[J].高原氣象，2021（3）：702-710.