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《電器工業(yè)》2014年第四期

1雙軸跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)和原理

本文介紹的雙軸跟蹤是高度-方位跟蹤系統(tǒng)，仰角軸與方位軸垂直，跟蹤裝置運行時，光伏組件平面法線與太陽光線方向一致。這樣可以使太陽直射光線在跟蹤裝置的入射角為。雙軸跟蹤系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)支架，包括下立柱、上立柱、回轉(zhuǎn)式減速機(jī)、電池板支撐結(jié)構(gòu)和高度角推桿。下立柱的下端固定在地基上；回轉(zhuǎn)式減速機(jī)的一端固定在下立柱的上端，另一端固定連接上立柱的下端；電池板支撐結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)動的部分，固定在上立柱上，高度角推桿的一端連接在電池板支撐結(jié)構(gòu)上，高度角推桿的另一端與驅(qū)動電機(jī)相連。本裝置方位角極限度旋轉(zhuǎn)范圍0~270。，高度角極限傾斜范圍0~87。。雙軸跟蹤系統(tǒng)典型的控制方式有二種，一是利用太陽運行軌跡跟蹤原理：利用天文運算公式，根據(jù)當(dāng)?shù)毓逃械奶栠\行軌跡，推算出某一緯度一年中任意時刻的太陽方位角和高度角，控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，使跟蹤裝置跟蹤太陽。二是傳感器跟蹤原理：在太陽雙軸跟蹤系統(tǒng)的支架上部與側(cè)部安裝有金字塔型光強(qiáng)傳感器，傳感器實時監(jiān)測太陽的角度，同時將信號傳給控制箱內(nèi)部的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過分析、比較，將電機(jī)驅(qū)動信號傳給高度角馬達(dá)與方向角馬達(dá)，進(jìn)而驅(qū)動整個跟蹤系統(tǒng)追蹤太陽的位置，使太陽能電池板發(fā)電效率達(dá)到最佳工作效率。本工程的雙軸跟蹤系統(tǒng)采用光傳感器的控制方式。雙軸跟蹤控制箱照片如圖2所示。在控制器面板上有顯示屏及操作按鈕，可以手動調(diào)節(jié)跟蹤裝置的方位角和高度角，并可在液晶屏上顯示角度，運行狀態(tài)。該裝置還具有遠(yuǎn)方集中控制功能，利用遠(yuǎn)方控制平臺統(tǒng)一控制1臺或多臺跟蹤裝置的角度變化和運行狀態(tài)。并且具有堵轉(zhuǎn)保護(hù)和風(fēng)速保護(hù)功能，當(dāng)風(fēng)傳感器測得的風(fēng)速大于控制器中設(shè)定的風(fēng)速值，且連續(xù)10s時，控制軟件會下指令給1個區(qū)域中的多臺跟蹤裝置，使裝置立即變化高度角，直至水平狀態(tài)（即高度角0。）。該裝置的光強(qiáng)傳感器，在光強(qiáng)為3000勒克斯以上開始工作，夜間進(jìn)入夜晚模式，跟蹤太陽光強(qiáng)度低于3000勒克斯超過2小時后，裝置自動運行至水平狀態(tài)，降低環(huán)境對系統(tǒng)的影響，減少能量消耗。

2雙軸跟蹤系統(tǒng)發(fā)電量的理論依據(jù)

太陽能電池陣列所獲得輻射量的多少與很多因素有關(guān)：當(dāng)?shù)氐木S度、海拔、大氣的污染程度和透明度，到達(dá)地面的太陽輻射直、散分量的比例，地表面反射系數(shù)，跟蹤太陽的方式以及電池表面的清潔程度等。要想準(zhǔn)確地計算出雙軸跟蹤系統(tǒng)電池組件陣列面上所獲得的輻射量，需采用直散分離原理和余弦定律。太陽能電池陣列傾斜面上所接收到的總輻射為直接輻射、散射輻射和地面反射之和。即QT=ST+DT+RT。太陽能電池陣列傾斜面接收到的每天直接輻射ST：太陽能電池陣列傾斜面接收到的每天散射輻射DT：太陽能電池組件傾斜面接收到的每天地面反射RT：從上面的公式可知，只要求出太陽能電池方陣的不同運行方式下太陽光的入射角θ和太陽能電池陣列任意時刻的傾角Z,隨時間變化的函數(shù)關(guān)系，即可通過輻照度對時間的積分求出太陽能電池陣列上的輻射量。本文介紹的雙軸跟蹤系統(tǒng)是以地平坐標(biāo)為參照系，跟蹤太的高度角和方位角2個變量。地平坐標(biāo)系cosθ的通式為：根據(jù)上訴數(shù)學(xué)模型即可計算出固定陣列和雙軸陣列電池傾斜面所接收到的太陽輻射，由于計算過程復(fù)雜，只能利用計算機(jī)程序進(jìn)行計算。目前國外流行的PVSYST軟件，就是利用上述數(shù)學(xué)模型，計算固定傾角，單軸跟蹤以及雙軸跟蹤等多種運行方式下太陽能電池陣列傾斜面上接收的太陽輻射。故采用PVSYST軟件，對西藏羊八井電站固定系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行傾斜面太陽輻射計算，得出以下結(jié)果：上表中可以看出在250kW相同安裝容量下，固定系統(tǒng)在傾角28度時，傾斜面年輻射量為2372.8kWh/m2,年發(fā)電量為393842kWh。雙軸跟蹤系統(tǒng)一直跟蹤太陽，傾斜面年輻射量為3293.6kWh/m2。年發(fā)電量為521991kWh。理論上雙軸跟蹤發(fā)電量比固定系統(tǒng)增加32.54%。

3固定系統(tǒng)發(fā)電量與雙軸系統(tǒng)實際發(fā)電量的比較

西藏羊八井電站總?cè)萘?0MW，采用2MW雙軸，18MW固定系統(tǒng)。在電站可行性研究階段，根據(jù)PVSYST的軟件模擬，相同容量的雙軸系統(tǒng)發(fā)電量會比固定系統(tǒng)的發(fā)電量提高32.54%，還有一些雙軸制造廠商的產(chǎn)品參數(shù)，發(fā)電量會提高35~40%。但本電站雙軸實際運行1年后，經(jīng)過對發(fā)電量數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計得出下從表4可以看出，根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，雙軸跟蹤裝置年平均實際發(fā)電量比固定系統(tǒng)多發(fā)28.96%，經(jīng)過電量還原后雙軸裝置年平均發(fā)電量比固定系統(tǒng)多發(fā)29.49%。雙軸實際增發(fā)電量比可研少3.05%。從表4中可以看出，4月份電站發(fā)電量被限44.2萬kWh，由于固定系統(tǒng)限電較多，電量還原后，雙軸增發(fā)由原來的30.9%，下降為27.2%。6月份電站發(fā)電量被限15.6萬kWh，由于雙軸個別設(shè)備故障，電量還原后，雙軸增發(fā)由原來的32.4%上升為35.1%。10月份電站發(fā)電量被限35.6萬kWh，固定系統(tǒng)限電略高于雙軸，還原后增發(fā)電量上升1%。從表4中可看出，影響雙軸平均效率的月份主要是8、9月份，可研中測算增發(fā)為29.7%和27.9%，而還原電量后的增發(fā)比率只有24.8%和20.5%。經(jīng)過分析現(xiàn)場運行記錄和天氣記錄，8、9月份為西藏地區(qū)多云、多雨季節(jié)。根據(jù)現(xiàn)場夏季固定系統(tǒng)和雙軸系統(tǒng)發(fā)電功率曲線的對比，也可以明顯看出，雙軸系統(tǒng)啟動時間早，滿功率發(fā)電時間比固定系統(tǒng)長很多，發(fā)電量增發(fā)是必然的。根據(jù)上述分析，西藏羊八井電站采用的雙軸跟蹤裝置比固定系統(tǒng)增發(fā)電量28.96%。說明采用雙軸跟蹤系統(tǒng)可以明顯提高光伏電站的發(fā)電量，提高電站的收益。但也可發(fā)現(xiàn)，此雙軸跟蹤系統(tǒng)并沒有達(dá)到預(yù)期的增發(fā)效果。經(jīng)過研究分析，主要原因是該系統(tǒng)采用光感控制原理，雖然有實時跟蹤、跟蹤精度高的優(yōu)點，但這種控制方式在陰天時，光感元件失效，雙軸跟蹤裝置不進(jìn)行跟蹤，造成陰天發(fā)電量比固定系統(tǒng)低，影響了雙軸跟蹤裝置的增發(fā)比。所以應(yīng)該在不同地區(qū)，根據(jù)氣候情況采用不同的雙軸跟蹤控制策略，當(dāng)然，最佳方案是雙軸跟蹤系統(tǒng)的控制采用感光和天文運算結(jié)合的方式，這樣既提高了控制精度，又可以彌補(bǔ)陰天時裝置不跟蹤的缺陷。

4結(jié)論

本文介紹了西藏羊八井20MW光伏電站中2MW雙軸跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置及控制原理，并比對了相同容量下雙軸跟蹤系統(tǒng)與固定系統(tǒng)的年發(fā)電量。結(jié)果表明，雙軸跟蹤裝置比固定系統(tǒng)年平均發(fā)電量提高了28.96%，剔除限電因素，增發(fā)電量29.49%。并且分析了在西藏地區(qū)，8,9月份陰雨季節(jié)，雙軸跟蹤裝置增發(fā)電量較少的原因和解決方案，具有較強(qiáng)的參考價值。

作者：高連生李會南單位：龍源（北京）太陽能技術(shù)有限公司北京交通大學(xué)