淺析一種風光儲一體化跟蹤器

陳創修，陳 亮

(浙江正泰新能源開發有限公司，杭州 310051)

0 引言

1 一體化跟蹤器的集成原理

1.1 工作原理

風荷載的大小對采用光伏跟蹤器的光伏發電項目的建設成本和可靠性影響較大。在光照資源和緯度相同的情況下，采用光伏跟蹤器的光伏發電項目在高風壓地區的建設成本遠大于其在低風壓地區建設時。但若將這些在光伏發電項目中需要防范的風能通過光伏跟蹤器轉化成電能，將降低光伏支架結構的設計荷載，提高結構的可靠性，進而降本增效。本文提出的一體化跟蹤器就具有這樣的功能。

一體化跟蹤器的工作原理圖如圖1所示。一體化跟蹤器通過機械結構來判斷風速：1)當風速低于限定值時，一體化跟蹤器正常跟蹤太陽，此時一體化跟蹤器的動力來源主要是儲能電池組。當儲能電池組的電量高于保護電量時，一體化跟蹤器由儲能電池組供電；儲能電池組的電量等于保護電量時，一體化跟蹤器由電網供電。2)當風速達到或高于限定值時，一體化跟蹤器停止追日，一體化跟蹤器的轉子在風能的作用下轉動，通過傳動使風力發電機的轉子轉動發電。當儲能電池組的電量不飽和時，風電給儲能電池組充電；當儲能電池組的電量飽和時，風電上傳到電網。

圖1 一體化跟蹤器的工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of integrated wind-PV-storage tracker

1.2 結構原理[1]

一體化跟蹤器根據平單軸光伏跟蹤器的運動特點，利用扭矩限制器實現對風荷載的機械反饋。當風荷載使一體化跟蹤器的轉子受到的扭矩超限時，扭矩限制器啟動，轉子與減速機之間的同軸傳動斷開，轉子在風荷載作用下自由轉動；此時一體化跟蹤器的支架不再像以往那樣硬抗風荷載，而是將風能轉化為轉子轉動的動能，如此一來，一體化跟蹤器的轉子只承受摩擦力和離心力，而扭矩也不再通過減速機傳遞到立柱和樁基，立柱和樁基只承受轉子的自重和離心力。以往立柱和樁基抵抗風荷載時承受的水平推力如今大幅減小，二者所受彎矩也大幅減小，從而使轉子的型材截面和立柱的截面都減小，并且樁基的設計承載力也相應減小。因此，支架和樁基成本將會大幅降低；同時，產生的風電還可以進行傳輸和使用。

1.3 電氣原理

一體化跟蹤器設計時需要選擇合適的風力發電機，其發出的電力無論是交流還是直流都可以，交流電可通過整流電路轉換為直流電，直流電經過Boost-Buck電路進行轉換，再通過調波之后和同樣經過Boost-Buck電路的光伏電流匯集，之后再經過逆變器轉換后進行輸送和供電。

儲能模塊由儲能電池組和控制器組成。控制器通過檢測儲能電池組內部電流或電壓來判斷是否充、放電，并由相應的電路來進行充、放電，實現對一體化跟蹤器電能的存儲和供電。該模塊除了可以直接使用光伏電力和風電對儲能電池組充電以外，還可以利用外部電網對其充電。儲能模塊設置有保護電量，具有過放保護功能。

同時，需要給由光伏和風力發電部分、儲能模塊、控制系統構成的整個微電網設置一個總的外部負載接口，用于協調風電、光伏發電和儲能的運行、優化供電配比，以及平抑風電和光伏發電的輸出波動；并設置供電安全裝置，防止一體化跟蹤器的電力對外部負載或電網造成沖擊和破壞。

3.綜上所述，提高濕地保護科學性，還要加大濕地保護投入，創新濕地保護載體，注重法制化的開展濕地保護相關工作，在標準化與規范化的原則下建立完善的濕地保護框架，從而系統化的解決濕地保護中的現實問題。

一體化跟蹤器的發電系統需處于監控之下，通過智能控制和云平臺大數據算法來提前進行用電預測和風險預警。通過對負載的大量用電數據進行分析，獲取用電負荷的典型曲線；通過分析風電、光伏發電時段特性曲線，合理調度不同能源的功率輸出比重，以供電成本最低、功率匹配狀況最佳、供電輸出功率平滑度最好為目標，進行電力的雙向匹配和調度。一體化跟蹤器的電氣原理圖如圖2所示。

圖2 一體化跟蹤器的電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic of integrated wind-PV-storage tracker

2 一體化跟蹤器模型

一體化跟蹤器的結構設計要點包括：

1) 一體化跟蹤器的轉子采用一段式，這樣便于通過控制系統實現復位和重新工作。若轉子為多段式，當風速達到或高于限定值時，一體化跟蹤器的轉子在風能的作用下轉動，此時一體化跟蹤器上組件的角度均不同；當風速下降到限定值以內時，組件無法調整到統一角度，此時，一體化跟蹤器的追日就失去了意義。

2)扭矩限制器的一端和減速機輸出端同軸傳動，另一端與轉子的轉軸同軸傳動，這樣風速一旦超限，一體化跟蹤器就會瞬時接收到反饋并啟動扭矩限制器。

3)一體化跟蹤器的轉子貫穿減速機，而不是直接與減速機傳動。

4)組件轉動一周時不能與立柱互相干涉，并且組件固定方式要能抵抗一體化跟蹤器轉子的離心剪切力。

5)一體化跟蹤器轉子上可設計或加裝扭轉減振裝置，但是不需要額外的大風保護裝置。一體化跟蹤器的大風保護狀態就是扭矩限制器啟動后由單一的光伏發電切換到風能和光伏聯合發電。

6)扭矩限制器啟動后，一體化跟蹤器轉子會自動隨風調整，并調整到風荷載最小的狀態。

7)一體化跟蹤器最好有消除偏心扭矩的設計，以減少損耗并保證風力發電的穩定性。

上述一體化跟蹤器的結構設計要點雖然是以平單軸光伏跟蹤器為基礎的，但其原理同樣適用于斜單軸和雙軸光伏跟蹤器。一體化跟蹤器的模型立體圖如圖3所示。

圖3 一體化跟蹤器的模型立體圖Fig.3 3D view of integrated wind-PV-storage tracker model

一體化跟蹤器在設計時需注意的要點：

1)一體化跟蹤器轉子的主梁貫穿減速機，減速機的動力通過扭矩限制器傳輸到主梁上。扭矩限制器的扭矩極限值設置可從供電需求和平衡成本等多方面綜合考慮，極限值過大會降低發電機的經濟性，過小則會降低一體化跟蹤器的效益。當風荷載超界時，扭矩限制器生效，光伏跟蹤控制系統檢測到此風荷載超界后進入循環檢測狀態，只要限制器不觸發，且持續一定時間都未被觸發時，光伏跟蹤器就會啟動，并會根據實際情況進行繼續追蹤、復位或待機的操作。

滾珠式扭矩限制器的性價比高，制動響應及時，限定扭矩值大，可作為一體化跟蹤器的部件。

2)一體化跟蹤器轉子和發電機轉子可通過帶傳動、鏈傳動或其他方式來實現傳動；同時可根據發電機的參數和通過轉子計算的發電功率來進行等速或加、減速變換設計。

3)一體化跟蹤器的光伏跟蹤控制電路和儲能充、放電控制電路可以集成在控制箱內。

扭矩限制器所在節點的放大圖，如圖4所示。

圖4 扭矩限制器所在節點的放大圖Fig.4 Enlarged view of where the torque limiter is located

3 集成技術分析

雖然目前一體化跟蹤器只是一種設想，但該裝置所需的各部分關鍵構件和設備是已經存在的，本文是通過模擬和調研得到的各項數據與結論。

3.1 可靠性分析

在大風狀態下，相對于傳統光伏跟蹤器而言，一體化跟蹤器的支架不是硬抗風荷載，而是將風能轉化為電能，大幅提高了支架和樁基的可靠性；而且扭矩限制器和風力發電傳動裝置可滿足復雜的室外環境使用要求。

在電氣和控制方面，一體化跟蹤器新增的儲能控制裝置和電力轉換電路的可靠性取決于電子芯片的可靠性，目前電子芯片技術可滿足要求。

綜上，一體化跟蹤器在25年設計年限內能夠可靠地工作。

3.2 成本分析

選取1個單元的光伏陣列，將采用一體化跟蹤器和采用傳統光伏跟蹤器的成本進行比對，具體如表1所示。

表1 2種跟蹤器的成本對比Table 1 Cost comparison of two kinds of trackers

由表1可知，相對于傳統光伏跟蹤器，一體化跟蹤器的土地成本、傳動成本、控制箱成本、發電機成本、儲能成本及線纜成本雖較高，但其支架成本卻遠低于傳統光伏跟蹤器。若采用一體化跟蹤器就相當于將光伏支架的設計由高風壓情況下的設計轉變為低風壓情況下的設計，節約的這部分支架成本足以抵消發電機和儲能成本所帶來的成本提升。因此，在設計得當的情況下，一體化跟蹤器的成本會比傳統光伏跟蹤器的更低。

3.3 應用價值分析

一體化跟蹤器的應用場景包括：

1)高風壓和超高風壓這些不適合建設光伏電站的地區。采用一體化跟蹤器可在將風能轉化為電能的過程中降低支架的結構設計要求。

2)光照資源一般而風資源豐富的地區。通過風電和光伏發電互補可保證項目收益。

3)偏遠的山區、地廣人稀的草原、海上孤島等建設大規模電站不便，經濟效益低的地區。通過利用地形優勢和環境優勢，可協調調度風光儲聯合發電。

4)需要降低跟蹤支架成本的場景，比如建設物料運輸成本高、支架材料采購成本高的地區。可利用大數據技術進行光伏電站建設前的模擬和發電預測，均衡分配和調度光伏發電和風電的比例，使該地區的能源得到綜合利用，以推動光伏平價上網。

4 結論

本文提出了一種風光儲一體化跟蹤器的設想，對該裝置的結構和工作原理進行了介紹，并進行了成本分析。結果顯示，雖然一體化跟蹤器增加了發電機和儲能成本，但其節省了支架成本，并增加了風電方面的經濟效益，仍具有應用優勢。該技術有利于風光儲綜合應用的推廣，有助于推動光伏平價上網。