平單軸在太陽能發電系統中的前景

摘 要：在整個光伏發電項目的投資建設中，支架的成本的投入也是占據了半壁江山，因此光伏支架的結構、以及成本的支出以及使用年限成為了每個光伏支架企業的重點研究對象。本課題基于如何提高太陽能發電效率、降低成本的問題進行討論。平單軸跟蹤系統的出現相對傳統的光伏發電裝置控制系統，它的效率高、價格適中，在市場中將會有較強的競爭實力。

關鍵詞：平單軸；光伏發電；競爭實力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.186

1 緒論

1.1 課題背景

隨著科技的發展靠傳統的礦石燃料發電量已經滿足不了人類的需求，外加在全球的礦石燃料存儲量日益減少，以及人們的生活環境變得更加惡劣，全球的能源問題也越來越得到人們的重視。太陽能相對于傳統的礦石燃料具有四個特點，分別是無窮性、普遍性、清潔性以及經濟性，所以對太陽能的高效率開發是解決全球能源問題的有效方式之一。

在能源的分類中，二次能源的存儲量為99.44%，而其他的可再生能源占據不到1%，所以人類在未來利用的能源，終究還是依附太陽能為主。依據DNV GL的報道，我們可以了解到未來能源的發展方向，報道稱主要發展還是電力，全球的電力必須達到現在電力產量的2.5倍才能滿足人類發展的需求。太陽能發電系統的裝機容量，在21世紀中期將達到頂峰，預計是當前全球裝機容量的65倍。依靠太陽能系統發電的發電量將達到全球電力產能的半壁江山，每年的電力產能達到全球的40%，大概每年19TW左右。依托一次能源發電量將逐漸縮小，容量大概是現在的一半。將太陽能轉換成人類所需要的電能的高端產品，在經濟高速發展的社會環境刺激下，高端技術也在不斷的突破，太陽能發電有望在2030年成為重要的電力能源。

光伏發電技術在理論基礎已經達到成熟且該技術在世界上廣泛應用，在高端技術不斷的突破下，對光伏支架的投入大幅度的降低，各國對清潔能源資金及政策的投入也將太陽能發電技術推向了頂峰。根據2018年2月光伏產業生產運營情況報道顯示，全國24家光伏企業1-2月的產量共計4.77萬噸，與去年同期的產量向相比增長27.1%。光伏行業每年的產能利用率大概在65%，對外出口金額與同期相比增長28.1%。像多晶硅的市場報價來看，目前產品價格為124元/kg比1月份的產品價格下跌17.3%。單晶組件產品價格也下跌了5%左右。

2 研究現狀及發展趨勢

2.1 跟蹤系統在國內外研究現狀

在國外是最早興起對太陽能跟蹤裝置研究的起源地，它是隨著人類的電能夠需求以及科學的發展逐漸興起的一個新興領域。在1994年的格魯斯堡首次采用該跟蹤系統建成全球第一個采用跟蹤系統的廚房，為后續改良太陽能跟蹤系統提供了理論實踐經驗。2年后在塞浦路斯人們就研究出了一種通過直流電機帶動減速器驅動軸的太陽能跟蹤系統，它的原理是采用3塊感光電阻器隨著太陽的自動跟蹤，3塊電阻器分別測試采光、云層覆蓋以及白天或黑夜，將信號輸送到電子控制系統來控制太陽能光伏板的轉動。2002年子美國加州研究出一種采用鋁型材為原材料通過控制電機太陽跟蹤系統，2004年由智利與巴西的兩位研究人員研制出一種由閉環伺服系統控制跟蹤裝置。2008年中國研制出一種通過計算機控制的太陽能跟蹤系統，它是集光、機、電為一體的新型跟蹤系統，能實現24小時跟蹤。冗余平單軸是我國在光伏跟蹤系統上改良的一款新型跟蹤技術，在國際上也是首次出現冗余設計，對我國光伏產業的發展取得巨大突破。冗余平單軸跟蹤系統對關鍵部件采取雙向備份，分別是控制系統備份以及傳動電機備份。一旦跟蹤系統出現運行系統故障時，系統會及時向控制室發出故障信號，同時將系統切換到備份部件上。冗余設計不僅能夠降低系統的運營維護成本，而且在系統發生故障時對光伏發電量以及系統的跟蹤運轉不會產生影響。

2.2 跟蹤系統發展趨勢

根據各國的研究狀況來看，單軸跟蹤系統裝置的結構裝置相對簡單，前期投資相對較少，是一種性價比適中的跟蹤方式；雙軸跟蹤系統裝置的結構復雜多樣因此跟蹤方式也多種多樣，且能夠大幅度提高太陽光的利用。科技的發展促使著技術的發展，技術的發展促使著產品的創新，太陽能跟蹤系統正逐漸向平單軸發展，平單軸光伏發電裝置結構簡單且能全方位跟蹤太陽光，根據天文算法在PLC內部系統中計算太陽的位置，從而控制平單軸全自動跟蹤太陽，極大的提高了光照時間從而提高太陽光的接收效率。

3 研究意義

在中國夢的偉大復興道路上，傳統的化石燃料以及新能源構成了復興之路的動力支撐角色，從某種角度來說能源是決定中國夢的主要因素，因此我國長期的能源利用率低下以及日漸突出的環境問題對我國的中國夢提出了一項重大考驗。單一的跟蹤系統已經滿足不了高速發展的光電技術的要求了，全自動、智能化已成為光電技術發展的新要求。平單軸跟蹤系統可以全方位進行跟蹤太陽，提高對太陽光垂直照射的接收時間，從而高效率的利用太陽光，使太陽能電池板達到最大的發電效益。傳統的化石燃料、石油等資源的存儲量日益減少，如何提高可再生能源發電效率的問題日益突出，而太陽能的存儲量是相當豐富的。根據能源局調查統計，地球每年接收到的太陽能量，是全球利用各種能源一年產生的能量上萬倍。

在現有的太陽能發電裝置中，很多因為裝置的結構剛強度不是特別高，導致在施工及后期運營過程中很容易產生變形，使整個發電系統對太陽能的轉換效率低下。同時自然條件也是對光伏發電系統裝置也是一種考驗，如何做到在大風等惡劣天氣中裝置不發生破壞以及變形，這就要求著光伏發電裝置的結構設計應具有很強的抗風能力。平單軸的出現輕松的解決了這一系列問題，平單軸具有結構緊湊、抗風能力強、能全自動跟蹤等特點，將平單軸跟蹤系統的推廣，是光伏發電產業的偉大復興，將推動太陽能的利用領域，具有劃時代的意義。

4 發電原理

4.1 平單軸跟蹤系統發電原理

硅作為光伏組件的原材料，其電子學特性決定了硅具有將光能轉換成電能的能力，即PV轉換。因此在無電力地區太陽能發電能夠實現基本的生活用電，而在一些光伏技術發達的國家，能夠實現與其他發電系統互補為區域地區輸送穩定電能。光電效應是指不均勻半導體和金屬結合的不同部位在太陽光照射下構成的半導體上產生電位差的現象，由于半導體內有電位差的存在PN結中會產生電場力，分別將空穴向P區、電子向N區聚攏，此時在PN結兩端加上正向電流，空間電荷區會逐漸變窄直到PN結導通。在PV轉換中起到主導作用的還是依靠本征激發的少數載流子，載流子通俗的叫法就是電子-空穴對。P區和N區產生空穴及電子，由于PN結中有存在耗盡層對兩區多子的阻撓而不能通過PN結。當兩區的少子漂移到結電場附近，內在電場能將電子-空穴分別拉向N區和P區，形成光生電場。光生電場方向與內場方向相反的，它可以將勢壘導通產生電勢差，此時開路電壓為0.5V左右。

平單軸跟蹤系統通過光電管來調節太陽能光伏板的位置來跟蹤太陽，太陽的高度角發生變化，太陽能光伏板不能垂直接收太陽光照，光電管產生電流偏差信號，通過功率放大器將信號反饋給PLC，PLC控制步進電機調整傾角，重新校準太陽角度對準太陽采集陽光。采用光電傳感器的跟蹤系統，具備構造簡單、靈敏度高等特點，但容易受到天氣的影響其發電效率，連續的陰雨天氣容易導致跟蹤裝置出現跟蹤錯誤，因在此基礎上，平單軸又增加了全球定位系統，從而解決此類的問題發生。

從目前光伏支架成本來看，平單軸支架的成本大概為0.785元/每瓦，固定支架成本不到平單軸支架成本的60%。平單軸及固定支架基礎成本具體數據如下表1。已寧夏某項目1MWp數據為根據，結合施工情況了解到，1MWp的平單軸占地面積比固定式占地面積雖多3畝地，但平單軸的管樁基礎大概只有固定式管樁的一半，而固定支架和平單軸跟蹤每瓦的總成本差價為0.196元。將項目所在地的氣象參數導入光伏仿真軟件中，經計算1MWp固定式每年的發電量大概為1440000，平單軸是固定式的1.22倍。

平單軸的增加投資資金回收年限公式以及增加收益公式如下：

平單軸增加投資回收年限公式：（平單軸跟蹤支架基礎總價-固定支架基礎總價）/（（平單軸跟蹤發電量-固定發電量）*當地上網價）

-固定發電量*組件衰減率*上網電價*（10-回收年限）

以當地實際收購電價及1MWp容量為基礎，經核算平單軸增加投資的資金大概在7個月的樣子就可以回收成本，并開始產生收益，符合我們高效率發電及多收益的初衷。收益情況如下：

年限：1-10年

（1756800-1440000）*0.94*0.85*（10-0.7）=2354045.76元

年限：11-15年

（1756800-1440000）*0.89*0.85*（15-10）=1198296元

年限：16-20年

（1756800-1440000）*0.86*0.85*（20-15）=1157904元

年限：21-25年

（1756800-1440000）*0.83*0.85*（25-20）=1117512元

結合實際與仿真情況，在光伏運行的25年期限里，平單軸每1MWp的收益比固定式的收益多出將近600萬。

4.2 平單軸跟蹤系統結構特點

（1）結構簡單。平單軸跟蹤系統具有光伏組件、箱逆變器、控制單元三大模塊，控制單元采用PLC控制，裝置整體結構精練輕巧靈活，一致協調性強。

（2）能耗低。平單軸跟蹤系統具有多級減速保護，減速效率非常高，電機傳動扭矩大、平穩性更強。每天系統的有效工作時間不超過40分鐘，驅動功率低于8W，每個驅動聯動的年消耗電量不超過10KW h，且不需要外接電源，驅動電源可以直接由組件供電。

（3）穩定性好。平單軸跟蹤系統都為熱鍍鋅件，鍍鋅厚度超過65μm，主要的支撐的橫梁以及驅動連桿，采用鍍鋅件的方管，保證裝置的抗折、抗扭曲性能達到規范要求。

（4）故障率低。平單軸跟蹤系統平常的運行養護等都是非常方便的，跟蹤裝置易損的零部件都采取了獨立安裝措施，方便后期維護時不需要將整個裝置拆除才能進行維護。

（5）其他特點。①平單軸跟蹤系統的管樁基礎高，離地空間大，最低點距離地面不少于2m，管樁基礎采取7m*6.3m的間距，陣區內通風條件好，光伏組件的表面溫度不會過熱而停止發電。②平單軸跟蹤系統的轉動角度大，而且自動校準角度跟蹤太陽，在同等條件的清洗頻率下，平單軸跟蹤系統表面的積塵相對于固定式支架少很多。③在冬季時，遇到大雪天氣，平單軸跟蹤裝置可以通過控制室，將跟蹤裝置調到保護角度防止積雪過厚，影響后期無降雪時光伏組件的發電效率。

5 總結

平單軸跟蹤系統是一種新型的跟蹤系統，它能提高對太陽能的利用率。平單軸跟蹤裝置在條件相同下，其每年的發電量是固定式的1.22倍，且平單軸的性價比比固定式高出很多，它的市場前景是非常廣闊的。平單軸跟蹤系統的出現相對傳統的光伏發電裝置控制系統，它的效率高、價格適中，在市場中將會有較強的競爭實力。

參考文獻：

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作者簡介：劉剛（1995-），男，江西萍鄉人，本科，主要研究方向：光伏、環保。