光伏電站使用跟蹤支架趨勢分析

王展 王廣順

[摘? ? 要 ]通過不斷提高光伏電池效率和降低組件材料成本，光伏發電終于迎來平價上網的新時代。為了贏得市場，讓客戶得到更高的投資回報率，各家企業都在尋找新的突破口。跟蹤支架不僅能提高發電量，同時也是智能光伏電站運維與MPPT最大功率點追蹤自適應控制的硬件保證本。本文通過分析使用不同支架的優勢和劣勢，最終得出使用跟蹤支架將作為未來電站建設方向的結論。

[關鍵詞]光伏電站;MPPT;自適應控制

[中圖分類號]TM615[文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–00–02

Trend Analysis of Tracking Brackets Used in Photovoltaic Power Plants

Wang Zhan， Wang Guang-shun

[Abstract]By continuously improving the efficiency of photovoltaic cells and reducing the cost of component materials， photovoltaic power generation has finally ushered in a new era of parity. In order to win the market and allow customers to get a higher return on investment， all companies are looking for new breakthroughs. Tracking bracket can not only increase the power generation， but also the hardware guarantee cost of smart photovoltaic power station operation and maintenance and MPPT maximum power point tracking adaptive control. This paper analyzes the advantages and disadvantages of using different brackets， and finally draws the conclusion that the use of tracking brackets will be the direction of future power station construction.

[Keywords]photovoltaic power station; MPPT; adaptive control

1 背景

（1）光伏的發展從歐美國家開始。自1969年法國建成世界第一座光伏發電站，光伏電站建設開始產業化。2005年德國“百萬屋頂計劃”，政府對光伏大規模補貼，中國光伏制造發展井噴，一躍成為全球第一。截至2020年，全球太陽能裝機容量已累計超過600GW，超過70%比重的光伏產品由中國制造商提供。圖1為權威機構DNV-GL預計能源結構，預計2030年光伏成為主流能源之一。中國政府多次出臺政策鼓勵光伏產業規范發展，2019年5月30日，國家能源局出臺《2019年光伏發電項目建設工作方案》，標志著我國光伏行業的發展獲得了明確的政策支持。同時，近年政府又把光伏行業視作精準扶貧項目之一，發展分布式光伏，加快農村貧困地區、貧困人口的脫貧步伐。

（2）光伏發電最初成本高昂，只是發達國家為了實現能源和環境的可持續發展的產物。經過十多年發展，光伏組件價格綜合下降了超過75%，現如今光伏電站已成為投資熱點，且投資回報率可觀。整個過程主要是通過降低封裝成本，提高電池效率降低“平準化度電成本”（LCOE）。因為封裝成本壓縮空間很有限，且晶體硅電池效率基本達到效率極限，權威機構預測2024年晶硅電池最高效率會達到26.95%。近期，蘇州騰暉光伏電池研發發布的單晶PERC電池量產效率突已破23.50%，繼續提效降本的空間不大。

（3）已知的光伏多軸跟蹤支架最高能提高40%的發電量，跟蹤支架或許成為光伏產業今后發展的新突破點。

2 各種類型光伏支架的介紹

2.1 最佳傾角固定式支架

在近赤道區域，最佳傾角較小，此種支架提高的發電量很少。但是在高緯度地區時，采用此種支架安裝，會比水平安裝的發電量明顯提高。目前此種支架安裝最為常見，材料成本和安裝成本最低。

2.2 平單軸跟蹤式支架

平單軸跟蹤方式支架結構簡單，自耗電小，可靠性高。在緯度低于30°的區域使用效果最佳。因為最佳傾角較小，此種支架能更好地跟蹤太陽入射角。相比最佳傾角固定式支架，此種支架在低緯度地區最大能提高30%的發電量，即使在高緯度地區最大也能提高20%的發電量。

2.3 斜單軸跟蹤式支架

斜單軸跟蹤方式是平單軸跟蹤方式加上一個合理的傾角，更適合在高緯度地區使用。

2.4 雙軸跟蹤式支架

雙軸跟蹤方式支架可以在太陽的方位角，以及高度角上同時跟蹤太陽，從而達到組件保持垂直于太陽光線，對發電量的提高最為明顯。由于電控系統和機械結構都較為復雜，精度要求高，自耗電量大，容易發生故障。

3 不同類型光伏支架接收的輻照量差異

以甘肅省某電站實際監控的輻照量來看，如圖2所示，最佳傾角的安裝方式夏季的全年累計輻照量最小，造成了效率極大的浪費。平單軸跟蹤安裝和水平安裝方式的曲線走勢基本相同，但平單軸跟蹤安裝的輻照量高出許多，主要是一天中上午和下午的增益。而雙軸跟蹤安裝和平單軸跟蹤安裝相比，又提高了春、秋、冬三季的發電量。

4 跟蹤支架的優勢

4.1 減少土地使用面積

（1）同等發電量為前提，部分地區采用跟蹤支架可以有效減少土地使用的面積。光伏方陣陣列間距或可能遮擋物與方陣底邊垂直距離的計算公式，距離應不小于L：L=0.707H/tan[arcsin（0.648?-0.399sin?）]，式中，?為緯度（在北半球為正、南半球為負）;H為光伏方陣陣列或可能遮擋物高度。

（2）如表1所示，以轉換效率22%的光伏組件為例，不同緯度不同安裝方式下，光伏電站占地面積理論測算值不同hm2/萬kW。以緯度50°地區為例，平單軸安裝方式占地面積比固定最佳傾角安裝方式多出3.86%，但是發電量會比固定最佳傾角安裝方式提高20%。

4.2 減少清洗次數，降低運維成本

電站需要根據當地環境情況定期清洗的。如果沒有定期清洗，組件表面的積灰影響發電量，嚴重的會減少30%以上。一般來說，一般的電站，每季度清洗≥1次。如今跟蹤支架技術在發展，在夜間將組件調整為垂直狀態，可以減少組件一半以上的積灰量，極大節約清洗費用。

4.3 光伏電站智能運維的硬件保證

光伏組件長期暴露于戶外，受復雜氣候環境影響極易出現故障。過去靠人工去現場實地確認，其效率和成本均不能滿足要求。有了追蹤支架，大雪冰雹惡劣天氣，設置組件自動豎直角度調整，避免組件收到傷害的智能運維成為可能。

光伏電站的智能巡檢常使用無人機搭載紅外相機，電站與無人機之間建立通訊，對組件精準定位。同時設計算法調節拍攝角度，同樣可以通過與電站串組聯系控制關系調節電站傾角拍攝最佳紅外圖片。以便于準確偵測出發熱異常組件，及時維修更換。

4.4 助力最大功率跟蹤的實現

對電站MPPT最大功率跟蹤主要依照設計控制方法，主要有間接控制法、直接控制法和智能控制法，還有使用硬件保證帶有MPPT功能的直流變換器。使用追蹤支架，并設計控制傾角與最大功率點追蹤之間的控制關系，助力電站最大功率自適應控制跟蹤的實現。

5 跟蹤支架目前面臨的主要問題

5.1 成本高

如表2所示，不同支架的成本比較，設計及支架材料費用及施工難度遠大于固定支架系統。因此電站初期投資成本增加明顯。

5.2 故障率高

相比固定支架，跟蹤支架結構復雜，相對故障率高。例如，在我國西北地區，風沙對跟蹤軸的損害很大。并且長期使用過程中，跟蹤精度會和理論值產生偏差。最關鍵的是跟蹤支架系統與組件使用壽命無法同步。

6 結束語

目前組件生產成本壓縮和電池提效的研究已經接近瓶頸，只能通過其他手段提高電站的發電量來增加投資回報率。跟蹤支架的應用能大大提高發電量，但是目前仍然存在很多問題。提高跟蹤支架的可靠性、降低跟蹤支架成本和跟蹤支架智能化，必將成為光伏產業發展的另一個突破點。

參考文獻

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[2] 光伏發電站設計規范：GB50797—2012[S].

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[5] 周湘杰，袁小芳，陽領.光伏電站自適應光伏支架設計及仿真分析[J].熱力發電，2020（6）：88-93.