跟踪式光伏发电阵列间距的优化设计探究

杨雅媛

[摘    要]科学技术的快速进步促进了太阳能光伏发电行业的迅猛发展，光伏发电属于我国新能源领域的重要产业，和国民生活息息相关。为了提高太阳能光伏发电设备的发电效率，进一步强化我国的能源产业竞争力，研究人员设计出了跟踪式光伏发电系统。本文首先对我国跟踪式光伏发电系统的发展现状进行了总结介绍，接着阐述了优化发电系统阵列间距的必要性及其当前发展的不足，最后分析介绍了优化跟踪式光伏发电阵列间距设计的几点措施。

[关键词]跟踪式光伏发电;阵列间距;优化设计

[中图分类号]TM615 [文献标志码]A [文章编号]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世紀初，能源消耗和环境污染问题对世界各国经济发展的影响愈加严重，开发新能源来替代传统的化石能源受到了空前的关注。太阳能被认为是无限能源，是目前较为理想的可替代能源。光伏发电系统由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成，可以将太阳光能转换成电能，实现太阳能的有效利用[1]。

1 我国跟踪式光伏发电发展现状

为了促进能源的节约利用和环境的良性保护，我国于20世纪末期开始太阳能光伏发电技术的研发。传统的太阳能光伏发电以固定式发电系统为主，但固定式光伏发电系统存在受光能力差、发电效率低以及影响生态环境等弊端。为了提高光伏发电产能，跟踪式光伏发电系统逐渐代替了固定式光伏发电系统的应用，它与固定式发电设备相比，发电系统的受光能力得到大幅度上升，可有效提高发电量30 %左右[2]。无论是固定式还是跟踪式光伏发电，其研究目标都要聚焦于对太阳位置的计算，太阳光直射的角度是持续变化的，并且光照强度受天气、环境以及地理位置等因素的影响较大。特别对于跟踪式系统，光伏发电跟踪器立柱的阵列间距直接决定了受光能力和发电效率。

光伏发电系统由太阳电池、蓄电池、控制器和逆变器组成，可以将太阳光能转换成电能。系统可靠性高，使用寿命长，不污染环境，能独立发电又能并网运行。对于大型光伏阵列，电能输出具有非线性特征，与外界温度、光照条件和用电负载有关，太阳能电池很难一直工作在最大功率点处。因此，为了使光伏发电效率高，需要采用最大功率点跟踪技术（MPPT），该技术可以预测和跟踪最大功率点，使光伏系统在最大功率点工作[3]，对光伏发电阵列间距的优化具有重大意义（见图1）。

2 优化光伏发电阵列间距设计的必要性

2.1 缓解能源危机

近几十年来，随着第三次工业革命的进行，科技的进步与完善，高能耗的产业数量急剧上升，比如：供暖、交通、城市建设以及通信行业等，资源消耗日益加剧。化石燃料作为人类社会的主要能源，如今已经被开采过度，剩余的储量不能满足人类的长期发展需求，尽管许多国家已经加大了低能耗产业的发展力度，但目前的全球能源消耗仍以化石燃料为主。面对化石燃料资源的急剧缩减，发展新能源产业已经成为必须要走的道路，太阳能是取之不尽用之不竭的自然资源，光伏发电系统可以把太阳能转化为电能储存使用，符合人类可持续发展理念[4]。因此，优化跟踪式光伏发电阵列间距，提高太阳能的能量转化率有利于为缓解世界能源危机做出贡献。

2.2 保护生态环境

当前，世界上的主要能源消耗仍然以化石燃料为主，但化石燃料的利用给环境造成了严重的破坏，化石燃料燃烧的转化率低，燃烧时可生成CO2、SO2、NO2以及CO等气体，造成了温室效应和酸雨等一系列严重的环境问题。太阳能是一种环境友好型的自然资源能源，光伏发电是将太阳的光能转换为了电能供给用电器使用，不会产生上述有害气体，可以有效加强环境保护。大力发展光伏产业符合科学发展观，符合人类可持续发展理念，有希望为环境保护做出重大贡献。因此，为提高太阳能利用率，加快光伏产业发展，必须优化跟踪式光伏发电阵列间距，以保护人类赖以生存的地球家园。

2.3 保障国家稳定

从世界资源的发展趋势来说，目前石油资源供应已经开始出现短缺，这一情况在上文中已有叙述，未来的国家发展必然需要依靠新型清洁能源，才能保证国家能源供应充足。我国是一个人口数量巨大的发展中国家，人均资源占有率低，开发太阳能等新能源势在必行，从而保障我国国家稳定、社会发展稳定以及经济水平的稳定。光伏发电是我国目前大力发展的重要产业，也是我国未来能源开发的主要支撑点，与我国国民经济发展息息相关。我国光伏企业的发展与其他西方国家差距巨大，能源产量占比小，因此，加快光伏产业发展步伐，开发并优化跟踪式光伏发电阵列间距设计对我国经济水平的稳定和国家未来发展至关重要。

3 跟踪式光伏发电阵列间距设计难点

跟踪式光伏发电系统有两种类型：双轴跟踪系统和单轴跟踪系统。其中，双轴跟踪系统又包含跟踪系统（ω，δ）和跟踪系统（γ，α），单轴跟踪系统又划分为旋转轴垂直水平面型和旋转轴平行系统平面型两种类型，而每种类型的系统又可按照匀速跟踪和角度跟踪分为两种，对于每种系统都有不同的设计方式，但主要的设计问题主要聚焦于以下几个方面。

3.1 光伏设备间距

不管是固定式光伏设备还是跟踪式光伏设备，都需要对多个个体设备进行阵列间距的安装设计，也就是计算出合理的个体设备安装距离，以保证设备的最优化运行。跟踪式光伏设备的间距计算主要考虑以下几个问题：①光伏设备面板前后的遮挡问题，若设备间电池面板遮挡面积太大，会导致面板受光率不足，影响设备能量转化效率;②光伏发电设备后期维修的通道问题，维护通道是必须保留的，可为设备后期的维修提供保证;③光伏发电设备运行状态中的通风散热通道问题，一定的散热空间可以延长设备的使用寿命;④光伏设备间距的设计和电池板面积有关，间距的设计问题要考虑到电池面板的面积和角度旋转因素，以保证电池面板在工作时间内得到充足的光照。

3.2 地理位置

我国地域面貌特征丰富，在同一时间，对于不同地区的光照角度差别比较明显，而且在不同的地域，光照强度也有所不同。光伏发电跟踪系统使光伏阵列随着太阳的运动而转动，从而使光伏阵列得到较大的辐照量。同时，由于跟踪式光伏发电系统种类丰富，设备安装的地域面貌不一，以及各地的光伏长期发电试验数据不足，类型不同的跟踪式发电系统，在不同地区能够达到的峰值发电量，一直都有待实验验证。跟踪式光伏发电系统以长期稳定的高电能转化率为目标，这是和其他类型追日系统的根本区别，跟踪式光伏发电系统的阵列间距设计既要解决跟踪不同步问题，同时也要解决跟踪过度，追求稳定的高发电量才是跟踪式光伏发电系统在不同地区的相同目的。

3.3 吸光材料耐温强度

光伏跟踪设备组件的工作效率除了受温度影响外，其与吸光材料的性能有着重要关系。对于光伏发电设备，若组件温度较高，则会导致光电转换效率降低、电流传输波动甚至影响电池寿命。在光伏发电系统中，发电设备直接置于外界，表面落尘落叶、鸟与虫的活动、积雪等遮挡会影响组件受光与温度变化，并且由于电池片材料性能存在差异，串联后单体电流的不同会导致整体电流损失，这就造成连接好的光伏设备输出总功率小于各光伏设备个体功率输出之和，这种情况称为太阳能电池的失配，该现象极易造成发电设备的损耗。

3.4 生态环境

虽然光伏发电技术属于新能源领域的创新应用，但其并非百利而无一害。为了尽可能接收更多量的太阳辐射，光伏设备的安装往往会覆盖较大的土地面积，这一行为对土壤理化性质和植物群落的影响巨大，有外国学者对安装有光伏发电设备的草原上相应位置的植物生物量及物种多样性进行了研究[5]，结果发现设备下方区域的植物生物量以及物种多样性相对较低，其原因是该区域的小气候和植被管理发生了变化，造成这一现象的原因就是因为光伏设备的安装改变了原有的下垫面，减少了植被受光率。另外，光伏设备的大面积安装也有可能导致相应地区太阳辐射的减少，进一步影响地区的温度、降水和局部气候等。考虑到上述因素，必须合理调控跟踪式光伏发电阵列间距设计，在能源开发的基础上保证生态的稳定。

4 跟踪式光伏发电阵列间距优化措施

形成电池阴影的因素最少要包含有物体、投影面、光线三部分，当光线照射到物体，由于受到物体遮挡，将会形成投影面。按照这个特点，综合3个要素使用三维图形变换原理完成电池板面阴影测算模型构建。以天球理论为依据描述地平坐标系，利用方向角和高度角确定太阳位置。转换方位角和高度角为矢量形式方向量角后，将其带入计算公式实施计算。假设太阳方向向量是直角坐标系与球面坐标系转化，再将其做归一化处理。跟踪式光伏设备电池面板在旋转时需按照支架端点位置开始转动，围绕X轴、Y轴和Z轴旋转得到的变换矩阵乘积可以对空间中的任何复杂变换矩阵做出表示。电池面板是拼接多块矩阵光伏电池组件而成，呈现出多边形状态，所以要将电池面板的所有边界角点进行阴影投射转换或者旋转处理，获得跟踪过程中的投射点。在此之后，利用直线连接起相近的投射点，完成阴影形状和位置绘制。电池面板阴影测算模型如式（1）：

V'=MRV （1）

若是设备相近而产生阴影重叠，则表明电池面板被遮挡。在一年时间内，跟踪电池面板阴影，判断是否位于边界角点最外侧位置的投影轨迹范围内，绘制完成边界角点全年阴影轨迹运动线路，对跟踪式光伏设备阵列式排布最小的距离做出简单的测算。设计与优化光伏设备阵列排布间距，可以将其简单地看作测算一台设备投影轨迹线路。东西方向相近的两个设备之间最小排布距离是单台光伏设备电池面板东西方向最外侧阴影运动轨迹之差。南北方向相近的两个设备之间最小排布距离是单台光伏设备电池面板南北方向最顶端阴影运动轨迹之差。

5 结束语

光伏发电技术是新能源开发的重点领域，跟踪式发电技术的应用是目前光伏发电的重要发展方向。光伏发电受时空特性和气象因素的影响，对不同时间尺度、地理环境、天气类型、辐照等进行合理分析是跟踪式光伏布点定容、发电运行的基础。政策导向、经济发展、光伏企业数量与光伏发电集中度息息相关。由于地理位置不同，温度、气候以及生态环境等方面的差异，阵列间距的设计不能一以贯之，要根据不同地区的不同特征采取相应措施，以达到最优和最高的发电效率，从而推动我国光伏发电技术的快速发展和可持续发展。

参考文献

[1] 靳肖林.光伏发电系统最大功率点跟踪技术综述[J].电源技术，2019（3）：178-181.

[2] 刘耀武.跟踪式光伏发电系统中太阳位置算法的研究[J].宁夏师范学院学报，2017（3）：29-35.

[3] 宋子昊.分布式光伏发电影响因素综述[J].河南科技，2020（32）：140-143.

[4] 許芷毓.自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统[J].电子技术与软件工程，2020（1）：206-207.

[5] 李培都.光伏电站对生态环境气候的影响综述[J].高原气象，2021（3）：702-710.