光伏自动追踪技术与应用

杜建

上海善能生态工程设计研究有限公司 上海 200000

当前世界范围内存在着越来越严重的能源危机，而如何有效解决能源应用问题成为了各国亟需解决与攻克的难关。光伏作为一种高效的清洁能源已经得到高度的重视以及大范围的应用，因此如何有效进一步提高光伏发电效率成为了此领域的核心话题。

1 光伏追踪系统介绍

光伏发电传统采用固定式支架安装，这种方式使光伏组件或方阵的朝向固定，不能随着太阳位置的变化而转动，无法达到提高光伏系统发电效率的效果。因此为进一步提高发电效率以达到提高电池组件的有效发电量为出发点，太阳能自动追踪系统得到了快速的发展并在国内外光伏发电系统中得到推广与应用。与固定式系统相比较，太阳能自动追踪系统可以使电池组件与太阳光线始终保持最佳朝向，使光伏组件得到更多的光能，从而提高发电量。通过自动追踪，可以提高太阳辐射能的利用率，提高转换效率[1]。

2 追踪系统的分类与适用范围

目前工程中使用较为广泛的自动追踪系统主要分为单轴追踪、双轴追踪及准双轴追踪系统（季节性追踪），顾名思义单轴追踪仅有一个旋转自由度，双轴追踪存在两个旋转自由度。单轴追踪因其旋转方向的不同细分为水平单轴、垂直单轴及斜单轴。

结合工程运行经验，水平单轴系统为使用过程中光伏组件随时间沿南北方向轴旋转进行东西方向倾斜调整，此种调节方式可有效提高早晨与晚上的发电量，此系统在中午期间组件为水平布置，因此较多应用于低纬度地区。斜单轴系统与水平单轴相似，组件随时间沿南北方向轴做倾斜调整以达到提高早晚系统发电量，与水平单轴不同在于中午期间组件为南北倾斜状态，也正是因为此特点斜单轴较多应用于高纬度地区。双轴系统在方向调节方面较单轴调节更加灵活，可实现两个自由度的调整，因此在中高纬度均可适用[2]。

在了解各追踪系统适用范围的同时，我们也需要正视各系统存在的优点与不足之处：

水平单轴系统具有追踪范围大且结构简单、易于后期系统容量扩展的优点，与此同时在大容量系统使用时投资较低，抗风能力较强，经济性明显，结合其追踪形式特点适用于低纬度且地势平坦地区；斜单轴系统安装容量与追踪范围较水平单轴相比较会受到环境与追踪调节电机的行程所约束，系统扩展性不如水平单轴，抗风能力较好，安装工艺较简单，经济性较明显，结合其追踪形式特点安装于高纬度斜坡区域优势明显；双轴追踪系统具有追踪范围大的优点但占地面积较另外两种大，系统容量受区域环境影响，安装工艺相对复杂且抗风能力一般，前期投资较多，因此在光伏组件市场价格高时有一定优势，但在组件市场价格低时投资回报率一般[3]。

3 追踪系统数字化电路设计

太阳能追踪系统技术主要分为光控、时控与复合控制三种方式。

光控追踪：光控追踪技术是利用太阳光制导，通过光敏原件传感器采集光源信息，将光源信息转换为电信号经电子回路发送至传动单元，通过控制器处理调整组件朝向。光控太阳能追踪技术具有探测范围广与调整精度高的优点，但此方法完全依赖太阳光，当出现阴雨天的情况，系统便无法实现追踪，一旦天气忽阴忽晴，系统会忽跟忽停特别是当发生上午阴天时，系统将出现不追踪，下午晴天时，对于采用追踪范围较广的系统会由于传动系数比较大，调整周期很长，而对于探测范围较窄的系统会因探测不到而无法追踪。

时控追踪：时控追踪技术是利用数字化单片机技术，通过时间控制电路定时追踪，这种追踪方法技术可靠、性能稳定，追踪精度可达0.5°。其优点是不受阴雨天影响，追踪可靠、性能稳定；缺点是没有光控追踪方法的追踪精度高。

复合追踪：为解决光控追踪技术在天气忽阴忽晴放弃追踪以及时控追踪精度低的弊端，行业内推出光控和时控复合追踪技术。当天空有太阳时，系统会采用光控追踪模式，追踪精度较高;当天空阴天时，追踪系统自动转入时控追踪，这样便大大缩短了系统追踪到位所需的时间，最大限度的提高了太阳能的采集效率。

追踪系统数字化电路见图1-自动追踪系统控制回路原理图，此系统通过单片机作为数据处理核心器件，通过数模转换芯片对单片机所发出数字信号转换为模拟信号，输送给由三极管组成桥式驱动电路，限位开关可有效防止驱动电机转动超过行程区间。

图1 自动追踪系统控制回路原理图

4 投资效益分析

光伏组件接受光照辐射量及发电效率受倾斜角度影响，根据实验数据整理绘制各倾角下光伏组件全年光照辐射接收量关系详见图2，由关系图可知当倾角由零度逐渐增加时，组件接受辐射量先逐渐增加至最大值后将出现减小趋势，当辐射量达到峰值时组件倾角即为所在区域最佳倾角，最佳倾角因所处区域纬度不同而不同，实验所在区域位于北纬31°，最佳倾斜角度约为35°[4]。根据统计数据可绘制斜单轴各月份发电效率较固定轴系统提高百分比关系详见图3，图中造成各月份发电量提高比例不同的原因为组件倾角与太阳各月份所在纬度关系及日照时长所致。

图2 组件倾角与全年接受辐射量关系图

图3 各月份斜单轴系统发电量提高比例关系图

追踪系统在发电量表现上较固定式系统有着明显的优势，根据数据统计简述各追踪系统在发电量提高及成本增加方面的表现，详见表1。

表1 追踪系统效益增加关系

以某工程为例进行投资回报收益分析如下：

追踪系统在提高效率的同时支架投资、占地面积也相应有所增长，根据工程数据统计单轴追踪系统与固定系统支架投资对比详见表2。

表2 追踪系统投资对比

根据工程所在地环境不同，占地面积有所差异，此工程项目，采用固定式系统安装光伏组件支架占地面积约为21.3亩，追踪系统安装光伏组件支架占地面积约为24.5亩，结合上表，追踪系统较固定系统综合总价高0.09元/W，成本增加约为5.5%。

根据数据测算，固定式系统1MWp年预计发电量约为1092163度，单轴追踪系统1MWp年预计发电量约为1200121度，并网电价0.75元。

追踪系统较固定式系统增加投资回收年限为：（追踪系统基础总价—固定系统基础总价）/[（追踪系统发电量-固定系统发电量）×电价]=[（1.74-1.65）×106]/[（1200121-1092163）×0.75]=1.1。即所增加投资额回收年限约为1.1年。

增加收益分析。

情况一：不考虑土地占用影响，即建设规模确定，土地持有充足

增加收益=（追踪系统发电量—固定系统发电量）×光伏组件衰减率×电价×（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）≈69.2万元

年限11～15年增加收益=（1200121-1092163）×0.89×0.75×（15-10）≈36.1万元

年限16～20年增加收益=（1200121-1092163）×0.85×0.75×（20-15）≈34.4万元

年限21～25年增加收益=（1200121-1092163）×0.81×0.75×（25-20）≈32.8万元

情况二：考虑土地占用影响，即土地持有紧张，建设规模在批准范围以内

增加收益=（追踪系统发电量—固定系统发电量）×光伏组件衰减率×土地占用系数×电价×（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）≈60.2万元

年限11～15年增加收益=（1200121-1092163）×0.89×0.87×0.75×（15-10）≈31.4万元

年限16～20年增加收益=（1200121-1092163）×0.85×0.87×0.75×（20-15）≈29.9万元

年限21～25年增加收益=（1200121-1092163）×0.81×0.87×0.75×（25-20）≈28.5万元

综上，此光伏电站以运行25年计算，1MWp容量追踪系统较固定系统在土地充足审批规模确定的情况下收益增加总额约为172.5万元；在土地持有紧张，投资规模在批准范围以内情况下收益增加总额约为150万元。

5 结语

在光伏电站设计过程中，采用何种追踪技术应结合地区纬度、地质情况、环境因素及投资回报效益等多种因素，随着追踪技术的发展，控制精度有着显著提高，投资成本也随之下降，结合追踪系统控制下的光伏发电效率的提高，是值得探索的促进平价上网的光伏集成技术。