光伏电站使用跟踪支架趋势分析

王展 王广顺

[摘    要 ]通过不断提高光伏电池效率和降低组件材料成本，光伏发电终于迎来平价上网的新时代。为了赢得市场，让客户得到更高的投资回报率，各家企业都在寻找新的突破口。跟踪支架不仅能提高发电量，同时也是智能光伏电站运维与MPPT最大功率点追踪自适应控制的硬件保证本。本文通过分析使用不同支架的优势和劣势，最终得出使用跟踪支架将作为未来电站建设方向的结论。

[关键词]光伏电站;MPPT;自适应控制

[中图分类号]TM615[文献标志码]A [文章编号]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）光伏的發展从欧美国家开始。自1969年法国建成世界第一座光伏发电站，光伏电站建设开始产业化。2005年德国“百万屋顶计划”，政府对光伏大规模补贴，中国光伏制造发展井喷，一跃成为全球第一。截至2020年，全球太阳能装机容量已累计超过600GW，超过70%比重的光伏产品由中国制造商提供。图1为权威机构DNV-GL预计能源结构，预计2030年光伏成为主流能源之一。中国政府多次出台政策鼓励光伏产业规范发展，2019年5月30日，国家能源局出台《2019年光伏发电项目建设工作方案》，标志着我国光伏行业的发展获得了明确的政策支持。同时，近年政府又把光伏行业视作精准扶贫项目之一，发展分布式光伏，加快农村贫困地区、贫困人口的脱贫步伐。

（2）光伏发电最初成本高昂，只是发达国家为了实现能源和环境的可持续发展的产物。经过十多年发展，光伏组件价格综合下降了超过75%，现如今光伏电站已成为投资热点，且投资回报率可观。整个过程主要是通过降低封装成本，提高电池效率降低“平准化度电成本”（LCOE）。因为封装成本压缩空间很有限，且晶体硅电池效率基本达到效率极限，权威机构预测2024年晶硅电池最高效率会达到26.95%。近期，苏州腾晖光伏电池研发发布的单晶PERC电池量产效率突已破23.50%，继续提效降本的空间不大。

（3）已知的光伏多轴跟踪支架最高能提高40%的发电量，跟踪支架或许成为光伏产业今后发展的新突破点。

2 各种类型光伏支架的介绍

2.1 最佳倾角固定式支架

在近赤道区域，最佳倾角较小，此种支架提高的发电量很少。但是在高纬度地区时，采用此种支架安装，会比水平安装的发电量明显提高。目前此种支架安装最为常见，材料成本和安装成本最低。

2.2 平单轴跟踪式支架

平单轴跟踪方式支架结构简单，自耗电小，可靠性高。在纬度低于30°的区域使用效果最佳。因为最佳倾角较小，此种支架能更好地跟踪太阳入射角。相比最佳倾角固定式支架，此种支架在低纬度地区最大能提高30%的发电量，即使在高纬度地区最大也能提高20%的发电量。

2.3 斜单轴跟踪式支架

斜单轴跟踪方式是平单轴跟踪方式加上一个合理的倾角，更适合在高纬度地区使用。

2.4 双轴跟踪式支架

双轴跟踪方式支架可以在太阳的方位角，以及高度角上同时跟踪太阳，从而达到组件保持垂直于太阳光线，对发电量的提高最为明显。由于电控系统和机械结构都较为复杂，精度要求高，自耗电量大，容易发生故障。

3 不同类型光伏支架接收的辐照量差异

以甘肃省某电站实际监控的辐照量来看，如图2所示，最佳倾角的安装方式夏季的全年累计辐照量最小，造成了效率极大的浪费。平单轴跟踪安装和水平安装方式的曲线走势基本相同，但平单轴跟踪安装的辐照量高出许多，主要是一天中上午和下午的增益。而双轴跟踪安装和平单轴跟踪安装相比，又提高了春、秋、冬三季的发电量。

4 跟踪支架的优势

4.1 减少土地使用面积

（1）同等发电量为前提，部分地区采用跟踪支架可以有效减少土地使用的面积。光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离的计算公式，距离应不小于L：L=0.707H/tan[arcsin（0.648?-0.399sin?）]，式中，?为纬度（在北半球为正、南半球为负）;H为光伏方阵阵列或可能遮挡物高度。

（2）如表1所示，以转换效率22%的光伏组件为例，不同纬度不同安装方式下，光伏电站占地面积理论测算值不同hm2/万kW。以纬度50°地区为例，平单轴安装方式占地面积比固定最佳倾角安装方式多出3.86%，但是发电量会比固定最佳倾角安装方式提高20%。

4.2 减少清洗次数，降低运维成本

电站需要根据当地环境情况定期清洗的。如果没有定期清洗，组件表面的积灰影响发电量，严重的会减少30%以上。一般来说，一般的电站，每季度清洗≥1次。如今跟踪支架技术在发展，在夜间将组件调整为垂直状态，可以减少组件一半以上的积灰量，极大节约清洗费用。

4.3 光伏电站智能运维的硬件保证

光伏组件长期暴露于户外，受复杂气候环境影响极易出现故障。过去靠人工去现场实地确认，其效率和成本均不能满足要求。有了追踪支架，大雪冰雹恶劣天气，设置组件自动竖直角度调整，避免组件收到伤害的智能运维成为可能。

光伏电站的智能巡检常使用无人机搭载红外相机，电站与无人机之间建立通讯，对组件精准定位。同时设计算法调节拍摄角度，同样可以通过与电站串组联系控制关系调节电站倾角拍摄最佳红外图片。以便于准确侦测出发热异常组件，及时維修更换。

4.4 助力最大功率跟踪的实现

对电站MPPT最大功率跟踪主要依照设计控制方法，主要有间接控制法、直接控制法和智能控制法，还有使用硬件保证带有MPPT功能的直流变换器。使用追踪支架，并设计控制倾角与最大功率点追踪之间的控制关系，助力电站最大功率自适应控制跟踪的实现。

5 跟踪支架目前面临的主要问题

5.1 成本高

如表2所示，不同支架的成本比较，设计及支架材料费用及施工难度远大于固定支架系统。因此电站初期投资成本增加明显。

5.2 故障率高

相比固定支架，跟踪支架结构复杂，相对故障率高。例如，在我国西北地区，风沙对跟踪轴的损害很大。并且长期使用过程中，跟踪精度会和理论值产生偏差。最关键的是跟踪支架系统与组件使用寿命无法同步。

6 结束语

目前组件生产成本压缩和电池提效的研究已经接近瓶颈，只能通过其他手段提高电站的发电量来增加投资回报率。跟踪支架的应用能大大提高发电量，但是目前仍然存在很多问题。提高跟踪支架的可靠性、降低跟踪支架成本和跟踪支架智能化，必将成为光伏产业发展的另一个突破点。

参考文献

[1] 王欣欣.晶硅电池高效陷光结构及热特性的研究[D].锦州：渤海大学，2019.

[2] 光伏发电站设计规范：GB50797—2012[S].

[3] 周颖.光伏电站支架及基础设计[J].中国科技信息，2014（21）：87-88.

[4] 张勇成，田介花，贾艳刚.一种固定式光伏发电支架系统优化及参数化设计[J].太阳能，2012（11）：27-29.

[5] 周湘杰，袁小芳，阳领.光伏电站自适应光伏支架设计及仿真分析[J].热力发电，2020（6）：88-93.