光伏系统安装跟踪装置的优势探讨

孙佳 陶晔 徐国 昌丁海 峰杨楠

上海发电设备成套设计研究院有限责任公司

1 引言

社会的迅猛发展加大了对能源的需求。近年来太阳能、风能等可再生能源受到人们的青睐。国家出台多种补贴及一些相关政策鼓励可再生能源的发展。在清华大学建筑节能学术周公开论坛上，江亿院士做了《对我国能源革命的思考》讲座。江亿院士认为：我国可以构建成可再生能源为主的能源结构。未来9万亿kWh的电能需求中光电预计有400%的增长空间，风电有230%的增长空间。可见，可再生能源发展前景广阔[1]。

目前，太阳能的利用方式主要有光热、光伏两种。光热技术是利用集热器将太阳能的辐射热能集中起来加热介质产生蒸汽等做功。光伏技术是利用光伏板半导体材料的光伏效应将辐射能直接转换为电能。由于某一时刻太阳辐射到地球单位面积上的辐射能是一定的，为了能够尽大地获取辐射能，光热系统往往采用跟踪对焦系统，将大面积内的辐射热集中到面积较小的集热器上。而光伏系统从原理上来说没有必须采用跟踪系统的要求，但有时为了提高发电效率及追求经济效益，也采用了单轴跟踪、双轴跟踪等系统。本文从直射辐射的大小探讨光伏系统中安装跟踪系统的意义。

2 跟踪系统

太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中，更好地利用太阳辐射能，达到提高光电转换效率的机械及电控单元系统。整套包括：电机、蜗轮蜗杆、传感器系统等。太阳能跟踪系统将保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板。采用太阳能跟踪系统能提高太阳能光伏组件的发电效率。

目前，太阳能跟踪系统主要分为单轴跟踪系统（如图1）及双轴跟踪系统。单轴跟踪系统凭借着比固定轴更高的发电效率及土地利用率，以比双轴跟踪系统更稳定的结构、更经济的造价及更低廉的维护成本等优势，成为利用率较高的太阳能跟踪系统。

图1 单轴跟踪装置示意图

为了使太阳能电池板能够时刻跟踪太阳位置，从而使发电效率达到最佳状态，跟踪系统一般通过建立太阳相对于地球运行轨迹的数学模型，将数学模型通过编程的方法集成于太阳能跟踪控制器中，然后通过集成于控制器中的算法将转动角度信息每隔一定时间下发于步进电机，从而实现太阳位置跟踪。

3 与固定轴系统的比较

3.1 接收辐射量的大小

图2 太阳与固定轴、水平跟踪系统方位示意图

A——固定轴斜面倾角

β——太阳方位角，计算公式参见文献2

h——太阳高度角，计算公式参见文献2

从图2中可知，某一时刻，照射到固定轴斜面的太阳直射辐射分量为（以太阳直射辐射总量为1，下同）：

Rgd=cos h cosβsin A+sin h cos A (1)

同一时刻，照射到同一地点的水平跟踪平面的太阳辐射分量为:为探究何时固定轴斜面的直射分量大于水平跟踪平面的直射分量，即是求：Rgd＞Rgz。

令

由式1和式2，如果某一时刻，同一地点的Rgd＞Rgz，则固定面倾斜角需满足如下条件：

π-arcsin C-X＞A＞acrsinC-X (5)

事实上，若某项目采用固定轴方案，当倾角A确定后，一年中满足式(5)的时刻并不少。以上海为例，光伏板以固定倾角25°安装，通过计算，一年之中，几乎有一半时刻比同一地点采用水平单轴跟踪系统占优（光伏系统每日运行时间 9∶00到 15∶00）。按式（1）和式(2)的计算结果，与实际搭建的试验台获取的数据曲线也基本吻合，见图3。

图3 上海地区某日固定斜面与水平单轴跟踪系统接收太阳辐射实测数据（斜面倾角25°）

由图3可见，水平单轴跟踪系统在上海等地区并不明显比固定斜面系统占优。当然，如果采用同一倾角的斜面单轴跟踪系统将明显比固定斜面有优势，但这又会牵涉到遮挡阴影问题。

3.2 跟踪系统与遮挡阴影

为方便说明问题，光伏系统暂按单排布置考虑，跟踪系统则采用水平单轴跟踪系统。如果采用固定斜面安装，板与板之间无需考虑间距。但若采用跟踪系统，由于旋转引起的高差，若不考虑单元旋转阵列之间的间距，阵列之间将产生阴影，影响发电效率及设备寿命,见图4。

图4 跟踪装置导致太阳能接收器阴影示意图（斜面倾角25°）

为了避免或减小阴影，应选取一个极端时刻来校核不产生阴影和光伏组件之间的距离（如图5），一般选项目所在地冬至日上午9点作为校核时刻。最小距离可由太阳与组件的相对位置按下式求取：

D=W/cosα (6)

式中，W—光伏板垂直于旋转轴方向的宽度；

α—光伏板在校核时刻的旋转角度。

所以，W与D的比值可以用来表示单位面积利用率。

图5 光伏板间距示意图

跟踪系统可以提高接收的辐射功率，有些实验可提高达到30%～40%。所以，保守起见，对于一个项目是否安装跟踪系统，可按提高效率30%来考核安装是否合适。当单位面积利用率比较小，如小于0.7时，可考虑加装跟踪系统或加装光伏板来提高整个系统的输出功率。表1是一些纬度以冬至日上午9点作为校核时刻的单位面积利用率。

由表1可见，对于水平单轴跟踪系统，其单位面积利用率随纬度增高而减小。因此，水平单轴跟踪系统适合安装在低纬度地区。而高纬度地区如果需安装跟踪装置，则斜轴单轴跟踪系统比较合适。实际上，高纬度地区的斜轴单轴跟踪系统，相当于某低纬度（高纬度地区纬度与斜面倾角之差）地区的水平单轴跟踪系统。

4 总结与建议

光伏系统安装跟踪装置并不一定起到预期的较好效果，相反还增添了设备维护检修的工作量。项目是否采用跟踪装置应结合所在地的纬度、日照等多种因素综合考虑，以期使资源得到最大化利用。