摘 要：在整個光伏發(fā)電項(xiàng)目的投資建設(shè)中，支架的成本的投入也是占據(jù)了半壁江山，因此光伏支架的結(jié)構(gòu)、以及成本的支出以及使用年限成為了每個光伏支架企業(yè)的重點(diǎn)研究對象。本課題基于如何提高太陽能發(fā)電效率、降低成本的問題進(jìn)行討論。平單軸跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)相對傳統(tǒng)的光伏發(fā)電裝置控制系統(tǒng)，它的效率高、價格適中，在市場中將會有較強(qiáng)的競爭實(shí)力。

關(guān)鍵詞：平單軸；光伏發(fā)電；競爭實(shí)力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.186

1 緒論

1.1 課題背景

隨著科技的發(fā)展靠傳統(tǒng)的礦石燃料發(fā)電量已經(jīng)滿足不了人類的需求，外加在全球的礦石燃料存儲量日益減少，以及人們的生活環(huán)境變得更加惡劣，全球的能源問題也越來越得到人們的重視。太陽能相對于傳統(tǒng)的礦石燃料具有四個特點(diǎn)，分別是無窮性、普遍性、清潔性以及經(jīng)濟(jì)性，所以對太陽能的高效率開發(fā)是解決全球能源問題的有效方式之一。

在能源的分類中，二次能源的存儲量為99.44%，而其他的可再生能源占據(jù)不到1%，所以人類在未來利用的能源，終究還是依附太陽能為主。依據(jù)DNV GL的報道，我們可以了解到未來能源的發(fā)展方向，報道稱主要發(fā)展還是電力，全球的電力必須達(dá)到現(xiàn)在電力產(chǎn)量的2.5倍才能滿足人類發(fā)展的需求。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量，在21世紀(jì)中期將達(dá)到頂峰，預(yù)計是當(dāng)前全球裝機(jī)容量的65倍。依靠太陽能系統(tǒng)發(fā)電的發(fā)電量將達(dá)到全球電力產(chǎn)能的半壁江山，每年的電力產(chǎn)能達(dá)到全球的40%，大概每年19TW左右。依托一次能源發(fā)電量將逐漸縮小，容量大概是現(xiàn)在的一半。將太陽能轉(zhuǎn)換成人類所需要的電能的高端產(chǎn)品，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的社會環(huán)境刺激下，高端技術(shù)也在不斷的突破，太陽能發(fā)電有望在2030年成為重要的電力能源。

光伏發(fā)電技術(shù)在理論基礎(chǔ)已經(jīng)達(dá)到成熟且該技術(shù)在世界上廣泛應(yīng)用，在高端技術(shù)不斷的突破下，對光伏支架的投入大幅度的降低，各國對清潔能源資金及政策的投入也將太陽能發(fā)電技術(shù)推向了頂峰。根據(jù)2018年2月光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營情況報道顯示，全國24家光伏企業(yè)1-2月的產(chǎn)量共計4.77萬噸，與去年同期的產(chǎn)量向相比增長27.1%。光伏行業(yè)每年的產(chǎn)能利用率大概在65%，對外出口金額與同期相比增長28.1%。像多晶硅的市場報價來看，目前產(chǎn)品價格為124元/kg比1月份的產(chǎn)品價格下跌17.3%。單晶組件產(chǎn)品價格也下跌了5%左右。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 跟蹤系統(tǒng)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外是最早興起對太陽能跟蹤裝置研究的起源地，它是隨著人類的電能夠需求以及科學(xué)的發(fā)展逐漸興起的一個新興領(lǐng)域。在1994年的格魯斯堡首次采用該跟蹤系統(tǒng)建成全球第一個采用跟蹤系統(tǒng)的廚房，為后續(xù)改良太陽能跟蹤系統(tǒng)提供了理論實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。2年后在塞浦路斯人們就研究出了一種通過直流電機(jī)帶動減速器驅(qū)動軸的太陽能跟蹤系統(tǒng)，它的原理是采用3塊感光電阻器隨著太陽的自動跟蹤，3塊電阻器分別測試采光、云層覆蓋以及白天或黑夜，將信號輸送到電子控制系統(tǒng)來控制太陽能光伏板的轉(zhuǎn)動。2002年子美國加州研究出一種采用鋁型材為原材料通過控制電機(jī)太陽跟蹤系統(tǒng)，2004年由智利與巴西的兩位研究人員研制出一種由閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制跟蹤裝置。2008年中國研制出一種通過計算機(jī)控制的太陽能跟蹤系統(tǒng)，它是集光、機(jī)、電為一體的新型跟蹤系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)24小時跟蹤。冗余平單軸是我國在光伏跟蹤系統(tǒng)上改良的一款新型跟蹤技術(shù)，在國際上也是首次出現(xiàn)冗余設(shè)計，對我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得巨大突破。冗余平單軸跟蹤系統(tǒng)對關(guān)鍵部件采取雙向備份，分別是控制系統(tǒng)備份以及傳動電機(jī)備份。一旦跟蹤系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)會及時向控制室發(fā)出故障信號，同時將系統(tǒng)切換到備份部件上。冗余設(shè)計不僅能夠降低系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)成本，而且在系統(tǒng)發(fā)生故障時對光伏發(fā)電量以及系統(tǒng)的跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生影響。

2.2 跟蹤系統(tǒng)發(fā)展趨勢

根據(jù)各國的研究狀況來看，單軸跟蹤系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)裝置相對簡單，前期投資相對較少，是一種性價比適中的跟蹤方式；雙軸跟蹤系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣因此跟蹤方式也多種多樣，且能夠大幅度提高太陽光的利用。科技的發(fā)展促使著技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展促使著產(chǎn)品的創(chuàng)新，太陽能跟蹤系統(tǒng)正逐漸向平單軸發(fā)展，平單軸光伏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單且能全方位跟蹤太陽光，根據(jù)天文算法在PLC內(nèi)部系統(tǒng)中計算太陽的位置，從而控制平單軸全自動跟蹤太陽，極大的提高了光照時間從而提高太陽光的接收效率。

3 研究意義

在中國夢的偉大復(fù)興道路上，傳統(tǒng)的化石燃料以及新能源構(gòu)成了復(fù)興之路的動力支撐角色，從某種角度來說能源是決定中國夢的主要因素，因此我國長期的能源利用率低下以及日漸突出的環(huán)境問題對我國的中國夢提出了一項(xiàng)重大考驗(yàn)。單一的跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了高速發(fā)展的光電技術(shù)的要求了，全自動、智能化已成為光電技術(shù)發(fā)展的新要求。平單軸跟蹤系統(tǒng)可以全方位進(jìn)行跟蹤太陽，提高對太陽光垂直照射的接收時間，從而高效率的利用太陽光，使太陽能電池板達(dá)到最大的發(fā)電效益。傳統(tǒng)的化石燃料、石油等資源的存儲量日益減少，如何提高可再生能源發(fā)電效率的問題日益突出，而太陽能的存儲量是相當(dāng)豐富的。根據(jù)能源局調(diào)查統(tǒng)計，地球每年接收到的太陽能量，是全球利用各種能源一年產(chǎn)生的能量上萬倍。

在現(xiàn)有的太陽能發(fā)電裝置中，很多因?yàn)檠b置的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度不是特別高，導(dǎo)致在施工及后期運(yùn)營過程中很容易產(chǎn)生變形，使整個發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的轉(zhuǎn)換效率低下。同時自然條件也是對光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置也是一種考驗(yàn)，如何做到在大風(fēng)等惡劣天氣中裝置不發(fā)生破壞以及變形，這就要求著光伏發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具有很強(qiáng)的抗風(fēng)能力。平單軸的出現(xiàn)輕松的解決了這一系列問題，平單軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗風(fēng)能力強(qiáng)、能全自動跟蹤等特點(diǎn)，將平單軸跟蹤系統(tǒng)的推廣，是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的偉大復(fù)興，將推動太陽能的利用領(lǐng)域，具有劃時代的意義。

4 發(fā)電原理

4.1 平單軸跟蹤系統(tǒng)發(fā)電原理

硅作為光伏組件的原材料，其電子學(xué)特性決定了硅具有將光能轉(zhuǎn)換成電能的能力，即PV轉(zhuǎn)換。因此在無電力地區(qū)太陽能發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)基本的生活用電，而在一些光伏技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，能夠?qū)崿F(xiàn)與其他發(fā)電系統(tǒng)互補(bǔ)為區(qū)域地區(qū)輸送穩(wěn)定電能。光電效應(yīng)是指不均勻半導(dǎo)體和金屬結(jié)合的不同部位在太陽光照射下構(gòu)成的半導(dǎo)體上產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，由于半導(dǎo)體內(nèi)有電位差的存在PN結(jié)中會產(chǎn)生電場力，分別將空穴向P區(qū)、電子向N區(qū)聚攏，此時在PN結(jié)兩端加上正向電流，空間電荷區(qū)會逐漸變窄直到PN結(jié)導(dǎo)通。在PV轉(zhuǎn)換中起到主導(dǎo)作用的還是依靠本征激發(fā)的少數(shù)載流子，載流子通俗的叫法就是電子-空穴對。P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生空穴及電子，由于PN結(jié)中有存在耗盡層對兩區(qū)多子的阻撓而不能通過PN結(jié)。當(dāng)兩區(qū)的少子漂移到結(jié)電場附近，內(nèi)在電場能將電子-空穴分別拉向N區(qū)和P區(qū)，形成光生電場。光生電場方向與內(nèi)場方向相反的，它可以將勢壘導(dǎo)通產(chǎn)生電勢差，此時開路電壓為0.5V左右。

平單軸跟蹤系統(tǒng)通過光電管來調(diào)節(jié)太陽能光伏板的位置來跟蹤太陽，太陽的高度角發(fā)生變化，太陽能光伏板不能垂直接收太陽光照，光電管產(chǎn)生電流偏差信號，通過功率放大器將信號反饋給PLC，PLC控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整傾角，重新校準(zhǔn)太陽角度對準(zhǔn)太陽采集陽光。采用光電傳感器的跟蹤系統(tǒng)，具備構(gòu)造簡單、靈敏度高等特點(diǎn)，但容易受到天氣的影響其發(fā)電效率，連續(xù)的陰雨天氣容易導(dǎo)致跟蹤裝置出現(xiàn)跟蹤錯誤，因在此基礎(chǔ)上，平單軸又增加了全球定位系統(tǒng)，從而解決此類的問題發(fā)生。

從目前光伏支架成本來看，平單軸支架的成本大概為0.785元/每瓦，固定支架成本不到平單軸支架成本的60%。平單軸及固定支架基礎(chǔ)成本具體數(shù)據(jù)如下表1。已寧夏某項(xiàng)目1MWp數(shù)據(jù)為根據(jù)，結(jié)合施工情況了解到，1MWp的平單軸占地面積比固定式占地面積雖多3畝地，但平單軸的管樁基礎(chǔ)大概只有固定式管樁的一半，而固定支架和平單軸跟蹤每瓦的總成本差價為0.196元。將項(xiàng)目所在地的氣象參數(shù)導(dǎo)入光伏仿真軟件中，經(jīng)計算1MWp固定式每年的發(fā)電量大概為1440000，平單軸是固定式的1.22倍。

平單軸的增加投資資金回收年限公式以及增加收益公式如下：

平單軸增加投資回收年限公式：（平單軸跟蹤支架基礎(chǔ)總價-固定支架基礎(chǔ)總價）/（（平單軸跟蹤發(fā)電量-固定發(fā)電量）*當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)價）

-固定發(fā)電量*組件衰減率*上網(wǎng)電價*（10-回收年限）

以當(dāng)?shù)貙?shí)際收購電價及1MWp容量為基礎(chǔ)，經(jīng)核算平單軸增加投資的資金大概在7個月的樣子就可以回收成本，并開始產(chǎn)生收益，符合我們高效率發(fā)電及多收益的初衷。收益情況如下：

年限：1-10年

（1756800-1440000）*0.94*0.85*（10-0.7）=2354045.76元

年限：11-15年

（1756800-1440000）*0.89*0.85*（15-10）=1198296元

年限：16-20年

（1756800-1440000）*0.86*0.85*（20-15）=1157904元

年限：21-25年

（1756800-1440000）*0.83*0.85*（25-20）=1117512元

結(jié)合實(shí)際與仿真情況，在光伏運(yùn)行的25年期限里，平單軸每1MWp的收益比固定式的收益多出將近600萬。

4.2 平單軸跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單。平單軸跟蹤系統(tǒng)具有光伏組件、箱逆變器、控制單元三大模塊，控制單元采用PLC控制，裝置整體結(jié)構(gòu)精練輕巧靈活，一致協(xié)調(diào)性強(qiáng)。

（2）能耗低。平單軸跟蹤系統(tǒng)具有多級減速保護(hù)，減速效率非常高，電機(jī)傳動扭矩大、平穩(wěn)性更強(qiáng)。每天系統(tǒng)的有效工作時間不超過40分鐘，驅(qū)動功率低于8W，每個驅(qū)動聯(lián)動的年消耗電量不超過10KW h，且不需要外接電源，驅(qū)動電源可以直接由組件供電。

（3）穩(wěn)定性好。平單軸跟蹤系統(tǒng)都為熱鍍鋅件，鍍鋅厚度超過65μm，主要的支撐的橫梁以及驅(qū)動連桿，采用鍍鋅件的方管，保證裝置的抗折、抗扭曲性能達(dá)到規(guī)范要求。

（4）故障率低。平單軸跟蹤系統(tǒng)平常的運(yùn)行養(yǎng)護(hù)等都是非常方便的，跟蹤裝置易損的零部件都采取了獨(dú)立安裝措施，方便后期維護(hù)時不需要將整個裝置拆除才能進(jìn)行維護(hù)。

（5）其他特點(diǎn)。①平單軸跟蹤系統(tǒng)的管樁基礎(chǔ)高，離地空間大，最低點(diǎn)距離地面不少于2m，管樁基礎(chǔ)采取7m*6.3m的間距，陣區(qū)內(nèi)通風(fēng)條件好，光伏組件的表面溫度不會過熱而停止發(fā)電。②平單軸跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動角度大，而且自動校準(zhǔn)角度跟蹤太陽，在同等條件的清洗頻率下，平單軸跟蹤系統(tǒng)表面的積塵相對于固定式支架少很多。③在冬季時，遇到大雪天氣，平單軸跟蹤裝置可以通過控制室，將跟蹤裝置調(diào)到保護(hù)角度防止積雪過厚，影響后期無降雪時光伏組件的發(fā)電效率。

5 總結(jié)

平單軸跟蹤系統(tǒng)是一種新型的跟蹤系統(tǒng)，它能提高對太陽能的利用率。平單軸跟蹤裝置在條件相同下，其每年的發(fā)電量是固定式的1.22倍，且平單軸的性價比比固定式高出很多，它的市場前景是非常廣闊的。平單軸跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)相對傳統(tǒng)的光伏發(fā)電裝置控制系統(tǒng)，它的效率高、價格適中，在市場中將會有較強(qiáng)的競爭實(shí)力。

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作者簡介：劉剛（1995-），男，江西萍鄉(xiāng)人，本科，主要研究方向：光伏、環(huán)保。