孫佳 陶曄 徐國(guó) 昌丁海 峰楊楠

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

1 引言

社會(huì)的迅猛發(fā)展加大了對(duì)能源的需求。近年來(lái)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源受到人們的青睞。國(guó)家出臺(tái)多種補(bǔ)貼及一些相關(guān)政策鼓勵(lì)可再生能源的發(fā)展。在清華大學(xué)建筑節(jié)能學(xué)術(shù)周公開論壇上，江億院士做了《對(duì)我國(guó)能源革命的思考》講座。江億院士認(rèn)為：我國(guó)可以構(gòu)建成可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)。未來(lái)9萬(wàn)億kWh的電能需求中光電預(yù)計(jì)有400%的增長(zhǎng)空間，風(fēng)電有230%的增長(zhǎng)空間?？梢?，可再生能源發(fā)展前景廣闊[1]。

目前，太陽(yáng)能的利用方式主要有光熱、光伏兩種。光熱技術(shù)是利用集熱器將太陽(yáng)能的輻射熱能集中起來(lái)加熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等做功。光伏技術(shù)是利用光伏板半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能。由于某一時(shí)刻太陽(yáng)輻射到地球單位面積上的輻射能是一定的，為了能夠盡大地獲取輻射能，光熱系統(tǒng)往往采用跟蹤對(duì)焦系統(tǒng)，將大面積內(nèi)的輻射熱集中到面積較小的集熱器上。而光伏系統(tǒng)從原理上來(lái)說(shuō)沒有必須采用跟蹤系統(tǒng)的要求，但有時(shí)為了提高發(fā)電效率及追求經(jīng)濟(jì)效益，也采用了單軸跟蹤、雙軸跟蹤等系統(tǒng)。本文從直射輻射的大小探討光伏系統(tǒng)中安裝跟蹤系統(tǒng)的意義。

2 跟蹤系統(tǒng)

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)是光熱和光伏發(fā)電過(guò)程中，更好地利用太陽(yáng)輻射能，達(dá)到提高光電轉(zhuǎn)換效率的機(jī)械及電控單元系統(tǒng)。整套包括：電機(jī)、蝸輪蝸桿、傳感器系統(tǒng)等。太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)將保持太陽(yáng)能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，讓太陽(yáng)光的光線隨時(shí)垂直照射太陽(yáng)能電池板。采用太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能提高太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電效率。

目前，太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)主要分為單軸跟蹤系統(tǒng)（如圖1）及雙軸跟蹤系統(tǒng)。單軸跟蹤系統(tǒng)憑借著比固定軸更高的發(fā)電效率及土地利用率，以比雙軸跟蹤系統(tǒng)更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、更經(jīng)濟(jì)的造價(jià)及更低廉的維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)，成為利用率較高的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。

圖1 單軸跟蹤裝置示意圖

為了使太陽(yáng)能電池板能夠時(shí)刻跟蹤太陽(yáng)位置，從而使發(fā)電效率達(dá)到最佳狀態(tài)，跟蹤系統(tǒng)一般通過(guò)建立太陽(yáng)相對(duì)于地球運(yùn)行軌跡的數(shù)學(xué)模型，將數(shù)學(xué)模型通過(guò)編程的方法集成于太陽(yáng)能跟蹤控制器中，然后通過(guò)集成于控制器中的算法將轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息每隔一定時(shí)間下發(fā)于步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)位置跟蹤。

3 與固定軸系統(tǒng)的比較

3.1 接收輻射量的大小

圖2 太陽(yáng)與固定軸、水平跟蹤系統(tǒng)方位示意圖

A——固定軸斜面傾角

β——太陽(yáng)方位角，計(jì)算公式參見文獻(xiàn)2

h——太陽(yáng)高度角，計(jì)算公式參見文獻(xiàn)2

從圖2中可知，某一時(shí)刻，照射到固定軸斜面的太陽(yáng)直射輻射分量為（以太陽(yáng)直射輻射總量為1，下同）：

Rgd=cos h cosβsin A+sin h cos A (1)

同一時(shí)刻，照射到同一地點(diǎn)的水平跟蹤平面的太陽(yáng)輻射分量為:為探究何時(shí)固定軸斜面的直射分量大于水平跟蹤平面的直射分量，即是求：Rgd＞Rgz。

令

由式1和式2，如果某一時(shí)刻，同一地點(diǎn)的Rgd＞Rgz，則固定面傾斜角需滿足如下條件：

π-arcsin C-X＞A＞acrsinC-X (5)

事實(shí)上，若某項(xiàng)目采用固定軸方案，當(dāng)傾角A確定后，一年中滿足式(5)的時(shí)刻并不少。以上海為例，光伏板以固定傾角25°安裝，通過(guò)計(jì)算，一年之中，幾乎有一半時(shí)刻比同一地點(diǎn)采用水平單軸跟蹤系統(tǒng)占優(yōu)（光伏系統(tǒng)每日運(yùn)行時(shí)間 9∶00到 15∶00）。按式（1）和式(2)的計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際搭建的試驗(yàn)臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)曲線也基本吻合，見圖3。

圖3 上海地區(qū)某日固定斜面與水平單軸跟蹤系統(tǒng)接收太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（斜面傾角25°）

由圖3可見，水平單軸跟蹤系統(tǒng)在上海等地區(qū)并不明顯比固定斜面系統(tǒng)占優(yōu)。當(dāng)然，如果采用同一傾角的斜面單軸跟蹤系統(tǒng)將明顯比固定斜面有優(yōu)勢(shì)，但這又會(huì)牽涉到遮擋陰影問題。

3.2 跟蹤系統(tǒng)與遮擋陰影

為方便說(shuō)明問題，光伏系統(tǒng)暫按單排布置考慮，跟蹤系統(tǒng)則采用水平單軸跟蹤系統(tǒng)。如果采用固定斜面安裝，板與板之間無(wú)需考慮間距。但若采用跟蹤系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)引起的高差，若不考慮單元旋轉(zhuǎn)陣列之間的間距，陣列之間將產(chǎn)生陰影，影響發(fā)電效率及設(shè)備壽命,見圖4。

圖4 跟蹤裝置導(dǎo)致太陽(yáng)能接收器陰影示意圖（斜面傾角25°）

為了避免或減小陰影，應(yīng)選取一個(gè)極端時(shí)刻來(lái)校核不產(chǎn)生陰影和光伏組件之間的距離（如圖5），一般選項(xiàng)目所在地冬至日上午9點(diǎn)作為校核時(shí)刻。最小距離可由太陽(yáng)與組件的相對(duì)位置按下式求?。?/p>

D=W/cosα (6)

式中，W—光伏板垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的寬度；

α—光伏板在校核時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度。

所以，W與D的比值可以用來(lái)表示單位面積利用率。

圖5 光伏板間距示意圖

跟蹤系統(tǒng)可以提高接收的輻射功率，有些實(shí)驗(yàn)可提高達(dá)到30%～40%。所以，保守起見，對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目是否安裝跟蹤系統(tǒng)，可按提高效率30%來(lái)考核安裝是否合適。當(dāng)單位面積利用率比較小，如小于0.7時(shí)，可考慮加裝跟蹤系統(tǒng)或加裝光伏板來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率。表1是一些緯度以冬至日上午9點(diǎn)作為校核時(shí)刻的單位面積利用率。

由表1可見，對(duì)于水平單軸跟蹤系統(tǒng)，其單位面積利用率隨緯度增高而減小。因此，水平單軸跟蹤系統(tǒng)適合安裝在低緯度地區(qū)。而高緯度地區(qū)如果需安裝跟蹤裝置，則斜軸單軸跟蹤系統(tǒng)比較合適。實(shí)際上，高緯度地區(qū)的斜軸單軸跟蹤系統(tǒng)，相當(dāng)于某低緯度（高緯度地區(qū)緯度與斜面傾角之差）地區(qū)的水平單軸跟蹤系統(tǒng)。

4 總結(jié)與建議

光伏系統(tǒng)安裝跟蹤裝置并不一定起到預(yù)期的較好效果，相反還增添了設(shè)備維護(hù)檢修的工作量。項(xiàng)目是否采用跟蹤裝置應(yīng)結(jié)合所在地的緯度、日照等多種因素綜合考慮，以期使資源得到最大化利用。