跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距的優(yōu)化設(shè)計探究

楊雅媛

[摘? ? 要]科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步促進(jìn)了太陽能光伏發(fā)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電屬于我國新能源領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè)，和國民生活息息相關(guān)。為了提高太陽能光伏發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率，進(jìn)一步強化我國的能源產(chǎn)業(yè)競爭力，研究人員設(shè)計出了跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文首先對我國跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)介紹，接著闡述了優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)陣列間距的必要性及其當(dāng)前發(fā)展的不足，最后分析介紹了優(yōu)化跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距設(shè)計的幾點措施。

[關(guān)鍵詞]跟蹤式光伏發(fā)電;陣列間距;優(yōu)化設(shè)計

[中圖分類號]TM615 [文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)初，能源消耗和環(huán)境污染問題對世界各國經(jīng)濟發(fā)展的影響愈加嚴(yán)重，開發(fā)新能源來替代傳統(tǒng)的化石能源受到了空前的關(guān)注。太陽能被認(rèn)為是無限能源，是目前較為理想的可替代能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)太陽能的有效利用[1]。

1 我國跟蹤式光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

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

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電能。系統(tǒng)可靠性高，使用壽命長，不污染環(huán)境，能獨立發(fā)電又能并網(wǎng)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(fù)載有關(guān)，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(fā)電效率高，需要采用最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT），該技術(shù)可以預(yù)測和跟蹤最大功率點，使光伏系統(tǒng)在最大功率點工作[3]，對光伏發(fā)電陣列間距的優(yōu)化具有重大意義（見圖1）。

2 優(yōu)化光伏發(fā)電陣列間距設(shè)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(yè)革命的進(jìn)行，科技的進(jìn)步與完善，高能耗的產(chǎn)業(yè)數(shù)量急劇上升，比如：供暖、交通、城市建設(shè)以及通信行業(yè)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(jīng)被開采過度，剩余的儲量不能滿足人類的長期發(fā)展需求，盡管許多國家已經(jīng)加大了低能耗產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)已經(jīng)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(fā)電系統(tǒng)可以把太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存使用，符合人類可持續(xù)發(fā)展理念[4]。因此，優(yōu)化跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距，提高太陽能的能量轉(zhuǎn)化率有利于為緩解世界能源危機做出貢獻(xiàn)。

2.2 保護(hù)生態(tài)環(huán)境

當(dāng)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(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，化石燃料燃燒的轉(zhuǎn)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(yīng)和酸雨等一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題。太陽能是一種環(huán)境友好型的自然資源能源，光伏發(fā)電是將太陽的光能轉(zhuǎn)換為了電能供給用電器使用，不會產(chǎn)生上述有害氣體，可以有效加強環(huán)境保護(hù)。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)符合科學(xué)發(fā)展觀，符合人類可持續(xù)發(fā)展理念，有希望為環(huán)境保護(hù)做出重大貢獻(xiàn)。因此，為提高太陽能利用率，加快光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須優(yōu)化跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距，以保護(hù)人類賴以生存的地球家園。

2.3 保障國家穩(wěn)定

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

3 跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距設(shè)計難點

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

3.1 光伏設(shè)備間距

不管是固定式光伏設(shè)備還是跟蹤式光伏設(shè)備，都需要對多個個體設(shè)備進(jìn)行陣列間距的安裝設(shè)計，也就是計算出合理的個體設(shè)備安裝距離，以保證設(shè)備的最優(yōu)化運行。跟蹤式光伏設(shè)備的間距計算主要考慮以下幾個問題：①光伏設(shè)備面板前后的遮擋問題，若設(shè)備間電池面板遮擋面積太大，會導(dǎo)致面板受光率不足，影響設(shè)備能量轉(zhuǎn)化效率;②光伏發(fā)電設(shè)備后期維修的通道問題，維護(hù)通道是必須保留的，可為設(shè)備后期的維修提供保證;③光伏發(fā)電設(shè)備運行狀態(tài)中的通風(fēng)散熱通道問題，一定的散熱空間可以延長設(shè)備的使用壽命;④光伏設(shè)備間距的設(shè)計和電池板面積有關(guān)，間距的設(shè)計問題要考慮到電池面板的面積和角度旋轉(zhuǎn)因素，以保證電池面板在工作時間內(nèi)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(qū)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(fā)電跟蹤系統(tǒng)使光伏陣列隨著太陽的運動而轉(zhuǎn)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(fā)電系統(tǒng)種類豐富，設(shè)備安裝的地域面貌不一，以及各地的光伏長期發(fā)電試驗數(shù)據(jù)不足，類型不同的跟蹤式發(fā)電系統(tǒng)，在不同地區(qū)能夠達(dá)到的峰值發(fā)電量，一直都有待實驗驗證。跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)以長期穩(wěn)定的高電能轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)，這是和其他類型追日系統(tǒng)的根本區(qū)別，跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的陣列間距設(shè)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(wěn)定的高發(fā)電量才是跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同地區(qū)的相同目的。

3.3 吸光材料耐溫強度

光伏跟蹤設(shè)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(guān)系。對于光伏發(fā)電設(shè)備，若組件溫度較高，則會導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低、電流傳輸波動甚至影響電池壽命。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電設(shè)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(lián)后單體電流的不同會導(dǎo)致整體電流損失，這就造成連接好的光伏設(shè)備輸出總功率小于各光伏設(shè)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(xiàn)象極易造成發(fā)電設(shè)備的損耗。

3.4 生態(tài)環(huán)境

雖然光伏發(fā)電技術(shù)屬于新能源領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)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(shè)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(zhì)和植物群落的影響巨大，有外國學(xué)者對安裝有光伏發(fā)電設(shè)備的草原上相應(yīng)位置的植物生物量及物種多樣性進(jìn)行了研究[5]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)備下方區(qū)域的植物生物量以及物種多樣性相對較低，其原因是該區(qū)域的小氣候和植被管理發(fā)生了變化，造成這一現(xiàn)象的原因就是因為光伏設(shè)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(shè)備的大面積安裝也有可能導(dǎo)致相應(yīng)地區(qū)太陽輻射的減少，進(jìn)一步影響地區(qū)的溫度、降水和局部氣候等。考慮到上述因素，必須合理調(diào)控跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距設(shè)計，在能源開發(fā)的基礎(chǔ)上保證生態(tài)的穩(wěn)定。

4 跟蹤式光伏發(fā)電陣列間距優(yōu)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(dāng)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(gòu)建。以天球理論為依據(jù)描述地平坐標(biāo)系，利用方向角和高度角確定太陽位置。轉(zhuǎn)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(shè)太陽方向向量是直角坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，再將其做歸一化處理。跟蹤式光伏設(shè)備電池面板在旋轉(zhuǎn)時需按照支架端點位置開始轉(zhuǎn)動，圍繞X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)得到的變換矩陣乘積可以對空間中的任何復(fù)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(xiàn)出多邊形狀態(tài)，所以要將電池面板的所有邊界角點進(jìn)行陰影投射轉(zhuǎn)換或者旋轉(zhuǎn)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(shè)備相近而產(chǎn)生陰影重疊，則表明電池面板被遮擋。在一年時間內(nèi)，跟蹤電池面板陰影，判斷是否位于邊界角點最外側(cè)位置的投影軌跡范圍內(nèi)，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(shè)備陣列式排布最小的距離做出簡單的測算。設(shè)計與優(yōu)化光伏設(shè)備陣列排布間距，可以將其簡單地看作測算一臺設(shè)備投影軌跡線路。東西方向相近的兩個設(shè)備之間最小排布距離是單臺光伏設(shè)備電池面板東西方向最外側(cè)陰影運動軌跡之差。南北方向相近的兩個設(shè)備之間最小排布距離是單臺光伏設(shè)備電池面板南北方向最頂端陰影運動軌跡之差。

5 結(jié)束語

光伏發(fā)電技術(shù)是新能源開發(fā)的重點領(lǐng)域，跟蹤式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用是目前光伏發(fā)電的重要發(fā)展方向。光伏發(fā)電受時空特性和氣象因素的影響，對不同時間尺度、地理環(huán)境、天氣類型、輻照等進(jìn)行合理分析是跟蹤式光伏布點定容、發(fā)電運行的基礎(chǔ)。政策導(dǎo)向、經(jīng)濟發(fā)展、光伏企業(yè)數(shù)量與光伏發(fā)電集中度息息相關(guān)。由于地理位置不同，溫度、氣候以及生態(tài)環(huán)境等方面的差異，陣列間距的設(shè)計不能一以貫之，要根據(jù)不同地區(qū)的不同特征采取相應(yīng)措施，以達(dá)到最優(yōu)和最高的發(fā)電效率，從而推動我國光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

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