光伏自動追蹤技術與應用

杜建

上海善能生態工程設計研究有限公司 上海 200000

當前世界范圍內存在著越來越嚴重的能源危機，而如何有效解決能源應用問題成為了各國亟需解決與攻克的難關。光伏作為一種高效的清潔能源已經得到高度的重視以及大范圍的應用，因此如何有效進一步提高光伏發電效率成為了此領域的核心話題。

1 光伏追蹤系統介紹

光伏發電傳統采用固定式支架安裝，這種方式使光伏組件或方陣的朝向固定，不能隨著太陽位置的變化而轉動，無法達到提高光伏系統發電效率的效果。因此為進一步提高發電效率以達到提高電池組件的有效發電量為出發點，太陽能自動追蹤系統得到了快速的發展并在國內外光伏發電系統中得到推廣與應用。與固定式系統相比較，太陽能自動追蹤系統可以使電池組件與太陽光線始終保持最佳朝向，使光伏組件得到更多的光能，從而提高發電量。通過自動追蹤，可以提高太陽輻射能的利用率，提高轉換效率[1]。

2 追蹤系統的分類與適用范圍

目前工程中使用較為廣泛的自動追蹤系統主要分為單軸追蹤、雙軸追蹤及準雙軸追蹤系統（季節性追蹤），顧名思義單軸追蹤僅有一個旋轉自由度，雙軸追蹤存在兩個旋轉自由度。單軸追蹤因其旋轉方向的不同細分為水平單軸、垂直單軸及斜單軸。

結合工程運行經驗，水平單軸系統為使用過程中光伏組件隨時間沿南北方向軸旋轉進行東西方向傾斜調整，此種調節方式可有效提高早晨與晚上的發電量，此系統在中午期間組件為水平布置，因此較多應用于低緯度地區。斜單軸系統與水平單軸相似，組件隨時間沿南北方向軸做傾斜調整以達到提高早晚系統發電量，與水平單軸不同在于中午期間組件為南北傾斜狀態，也正是因為此特點斜單軸較多應用于高緯度地區。雙軸系統在方向調節方面較單軸調節更加靈活，可實現兩個自由度的調整，因此在中高緯度均可適用[2]。

在了解各追蹤系統適用范圍的同時，我們也需要正視各系統存在的優點與不足之處：

水平單軸系統具有追蹤范圍大且結構簡單、易于后期系統容量擴展的優點，與此同時在大容量系統使用時投資較低，抗風能力較強，經濟性明顯，結合其追蹤形式特點適用于低緯度且地勢平坦地區；斜單軸系統安裝容量與追蹤范圍較水平單軸相比較會受到環境與追蹤調節電機的行程所約束，系統擴展性不如水平單軸，抗風能力較好，安裝工藝較簡單，經濟性較明顯，結合其追蹤形式特點安裝于高緯度斜坡區域優勢明顯；雙軸追蹤系統具有追蹤范圍大的優點但占地面積較另外兩種大，系統容量受區域環境影響，安裝工藝相對復雜且抗風能力一般，前期投資較多，因此在光伏組件市場價格高時有一定優勢，但在組件市場價格低時投資回報率一般[3]。

3 追蹤系統數字化電路設計

太陽能追蹤系統技術主要分為光控、時控與復合控制三種方式。

光控追蹤：光控追蹤技術是利用太陽光制導，通過光敏原件傳感器采集光源信息，將光源信息轉換為電信號經電子回路發送至傳動單元，通過控制器處理調整組件朝向。光控太陽能追蹤技術具有探測范圍廣與調整精度高的優點，但此方法完全依賴太陽光，當出現陰雨天的情況，系統便無法實現追蹤，一旦天氣忽陰忽晴，系統會忽跟忽停特別是當發生上午陰天時，系統將出現不追蹤，下午晴天時，對于采用追蹤范圍較廣的系統會由于傳動系數比較大，調整周期很長，而對于探測范圍較窄的系統會因探測不到而無法追蹤。

時控追蹤：時控追蹤技術是利用數字化單片機技術，通過時間控制電路定時追蹤，這種追蹤方法技術可靠、性能穩定，追蹤精度可達0.5°。其優點是不受陰雨天影響，追蹤可靠、性能穩定；缺點是沒有光控追蹤方法的追蹤精度高。

復合追蹤：為解決光控追蹤技術在天氣忽陰忽晴放棄追蹤以及時控追蹤精度低的弊端，行業內推出光控和時控復合追蹤技術。當天空有太陽時，系統會采用光控追蹤模式，追蹤精度較高;當天空陰天時，追蹤系統自動轉入時控追蹤，這樣便大大縮短了系統追蹤到位所需的時間，最大限度的提高了太陽能的采集效率。

追蹤系統數字化電路見圖1-自動追蹤系統控制回路原理圖，此系統通過單片機作為數據處理核心器件，通過數模轉換芯片對單片機所發出數字信號轉換為模擬信號，輸送給由三極管組成橋式驅動電路，限位開關可有效防止驅動電機轉動超過行程區間。

圖1 自動追蹤系統控制回路原理圖

4 投資效益分析

光伏組件接受光照輻射量及發電效率受傾斜角度影響，根據實驗數據整理繪制各傾角下光伏組件全年光照輻射接收量關系詳見圖2，由關系圖可知當傾角由零度逐漸增加時，組件接受輻射量先逐漸增加至最大值后將出現減小趨勢，當輻射量達到峰值時組件傾角即為所在區域最佳傾角，最佳傾角因所處區域緯度不同而不同，實驗所在區域位于北緯31°，最佳傾斜角度約為35°[4]。根據統計數據可繪制斜單軸各月份發電效率較固定軸系統提高百分比關系詳見圖3，圖中造成各月份發電量提高比例不同的原因為組件傾角與太陽各月份所在緯度關系及日照時長所致。

圖2 組件傾角與全年接受輻射量關系圖

圖3 各月份斜單軸系統發電量提高比例關系圖

追蹤系統在發電量表現上較固定式系統有著明顯的優勢，根據數據統計簡述各追蹤系統在發電量提高及成本增加方面的表現，詳見表1。

表1 追蹤系統效益增加關系

以某工程為例進行投資回報收益分析如下：

追蹤系統在提高效率的同時支架投資、占地面積也相應有所增長，根據工程數據統計單軸追蹤系統與固定系統支架投資對比詳見表2。

表2 追蹤系統投資對比

根據工程所在地環境不同，占地面積有所差異，此工程項目，采用固定式系統安裝光伏組件支架占地面積約為21.3畝，追蹤系統安裝光伏組件支架占地面積約為24.5畝，結合上表，追蹤系統較固定系統綜合總價高0.09元/W，成本增加約為5.5%。

根據數據測算，固定式系統1MWp年預計發電量約為1092163度，單軸追蹤系統1MWp年預計發電量約為1200121度，并網電價0.75元。

追蹤系統較固定式系統增加投資回收年限為：（追蹤系統基礎總價—固定系統基礎總價）/[（追蹤系統發電量-固定系統發電量）×電價]=[（1.74-1.65）×106]/[（1200121-1092163）×0.75]=1.1。即所增加投資額回收年限約為1.1年。

增加收益分析。

情況一：不考慮土地占用影響，即建設規模確定，土地持有充足

增加收益=（追蹤系統發電量—固定系統發電量）×光伏組件衰減率×電價×（使用年限—回收年限）

年限1～10年增加收益=（1200121-1092163）×0.96×0.75×（10-1.1）≈69.2萬元

年限11～15年增加收益=（1200121-1092163）×0.89×0.75×（15-10）≈36.1萬元

年限16～20年增加收益=（1200121-1092163）×0.85×0.75×（20-15）≈34.4萬元

年限21～25年增加收益=（1200121-1092163）×0.81×0.75×（25-20）≈32.8萬元

情況二：考慮土地占用影響，即土地持有緊張，建設規模在批準范圍以內

增加收益=（追蹤系統發電量—固定系統發電量）×光伏組件衰減率×土地占用系數×電價×（使用年限—回收年限）

年限1～10年增加收益=（1200121-1092163）×0.96×0.87×0.75×（10-1.1）≈60.2萬元

年限11～15年增加收益=（1200121-1092163）×0.89×0.87×0.75×（15-10）≈31.4萬元

年限16～20年增加收益=（1200121-1092163）×0.85×0.87×0.75×（20-15）≈29.9萬元

年限21～25年增加收益=（1200121-1092163）×0.81×0.87×0.75×（25-20）≈28.5萬元

綜上，此光伏電站以運行25年計算，1MWp容量追蹤系統較固定系統在土地充足審批規模確定的情況下收益增加總額約為172.5萬元；在土地持有緊張，投資規模在批準范圍以內情況下收益增加總額約為150萬元。

5 結語

在光伏電站設計過程中，采用何種追蹤技術應結合地區緯度、地質情況、環境因素及投資回報效益等多種因素，隨著追蹤技術的發展，控制精度有著顯著提高，投資成本也隨之下降，結合追蹤系統控制下的光伏發電效率的提高，是值得探索的促進平價上網的光伏集成技術。