光伏電站使用跟蹤支架趨勢分析

王展 王廣順

[摘? ? 要 ]通過不斷提高光伏電池效率和降低組件材料成本，光伏發(fā)電終于迎來平價(jià)上網(wǎng)的新時(shí)代。為了贏得市場，讓客戶得到更高的投資回報(bào)率，各家企業(yè)都在尋找新的突破口。跟蹤支架不僅能提高發(fā)電量，同時(shí)也是智能光伏電站運(yùn)維與MPPT最大功率點(diǎn)追蹤自適應(yīng)控制的硬件保證本。本文通過分析使用不同支架的優(yōu)勢和劣勢，最終得出使用跟蹤支架將作為未來電站建設(shè)方向的結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]光伏電站;MPPT;自適應(yīng)控制

[中圖分類號(hào)]TM615[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）08–00–02

Trend Analysis of Tracking Brackets Used in Photovoltaic Power Plants

Wang Zhan， Wang Guang-shun

[Abstract]By continuously improving the efficiency of photovoltaic cells and reducing the cost of component materials， photovoltaic power generation has finally ushered in a new era of parity. In order to win the market and allow customers to get a higher return on investment， all companies are looking for new breakthroughs. Tracking bracket can not only increase the power generation， but also the hardware guarantee cost of smart photovoltaic power station operation and maintenance and MPPT maximum power point tracking adaptive control. This paper analyzes the advantages and disadvantages of using different brackets， and finally draws the conclusion that the use of tracking brackets will be the direction of future power station construction.

[Keywords]photovoltaic power station; MPPT; adaptive control

1 背景

（1）光伏的發(fā)展從歐美國家開始。自1969年法國建成世界第一座光伏發(fā)電站，光伏電站建設(shè)開始產(chǎn)業(yè)化。2005年德國“百萬屋頂計(jì)劃”，政府對(duì)光伏大規(guī)模補(bǔ)貼，中國光伏制造發(fā)展井噴，一躍成為全球第一。截至2020年，全球太陽能裝機(jī)容量已累計(jì)超過600GW，超過70%比重的光伏產(chǎn)品由中國制造商提供。圖1為權(quán)威機(jī)構(gòu)DNV-GL預(yù)計(jì)能源結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)2030年光伏成為主流能源之一。中國政府多次出臺(tái)政策鼓勵(lì)光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展，2019年5月30日，國家能源局出臺(tái)《2019年光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)工作方案》，標(biāo)志著我國光伏行業(yè)的發(fā)展獲得了明確的政策支持。同時(shí)，近年政府又把光伏行業(yè)視作精準(zhǔn)扶貧項(xiàng)目之一，發(fā)展分布式光伏，加快農(nóng)村貧困地區(qū)、貧困人口的脫貧步伐。

（2）光伏發(fā)電最初成本高昂，只是發(fā)達(dá)國家為了實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)過十多年發(fā)展，光伏組件價(jià)格綜合下降了超過75%，現(xiàn)如今光伏電站已成為投資熱點(diǎn)，且投資回報(bào)率可觀。整個(gè)過程主要是通過降低封裝成本，提高電池效率降低“平準(zhǔn)化度電成本”（LCOE）。因?yàn)榉庋b成本壓縮空間很有限，且晶體硅電池效率基本達(dá)到效率極限，權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測2024年晶硅電池最高效率會(huì)達(dá)到26.95%。近期，蘇州騰暉光伏電池研發(fā)發(fā)布的單晶PERC電池量產(chǎn)效率突已破23.50%，繼續(xù)提效降本的空間不大。

（3）已知的光伏多軸跟蹤支架最高能提高40%的發(fā)電量，跟蹤支架或許成為光伏產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展的新突破點(diǎn)。

2 各種類型光伏支架的介紹

2.1 最佳傾角固定式支架

在近赤道區(qū)域，最佳傾角較小，此種支架提高的發(fā)電量很少。但是在高緯度地區(qū)時(shí)，采用此種支架安裝，會(huì)比水平安裝的發(fā)電量明顯提高。目前此種支架安裝最為常見，材料成本和安裝成本最低。

2.2 平單軸跟蹤式支架

平單軸跟蹤方式支架結(jié)構(gòu)簡單，自耗電小，可靠性高。在緯度低于30°的區(qū)域使用效果最佳。因?yàn)樽罴褍A角較小，此種支架能更好地跟蹤太陽入射角。相比最佳傾角固定式支架，此種支架在低緯度地區(qū)最大能提高30%的發(fā)電量，即使在高緯度地區(qū)最大也能提高20%的發(fā)電量。

2.3 斜單軸跟蹤式支架

斜單軸跟蹤方式是平單軸跟蹤方式加上一個(gè)合理的傾角，更適合在高緯度地區(qū)使用。

2.4 雙軸跟蹤式支架

雙軸跟蹤方式支架可以在太陽的方位角，以及高度角上同時(shí)跟蹤太陽，從而達(dá)到組件保持垂直于太陽光線，對(duì)發(fā)電量的提高最為明顯。由于電控系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，精度要求高，自耗電量大，容易發(fā)生故障。

3 不同類型光伏支架接收的輻照量差異

以甘肅省某電站實(shí)際監(jiān)控的輻照量來看，如圖2所示，最佳傾角的安裝方式夏季的全年累計(jì)輻照量最小，造成了效率極大的浪費(fèi)。平單軸跟蹤安裝和水平安裝方式的曲線走勢基本相同，但平單軸跟蹤安裝的輻照量高出許多，主要是一天中上午和下午的增益。而雙軸跟蹤安裝和平單軸跟蹤安裝相比，又提高了春、秋、冬三季的發(fā)電量。

4 跟蹤支架的優(yōu)勢

4.1 減少土地使用面積

（1）同等發(fā)電量為前提，部分地區(qū)采用跟蹤支架可以有效減少土地使用的面積。光伏方陣陣列間距或可能遮擋物與方陣底邊垂直距離的計(jì)算公式，距離應(yīng)不小于L：L=0.707H/tan[arcsin（0.648?-0.399sin?）]，式中，?為緯度（在北半球?yàn)檎⒛习肭驗(yàn)樨?fù)）;H為光伏方陣陣列或可能遮擋物高度。

（2）如表1所示，以轉(zhuǎn)換效率22%的光伏組件為例，不同緯度不同安裝方式下，光伏電站占地面積理論測算值不同hm2/萬kW。以緯度50°地區(qū)為例，平單軸安裝方式占地面積比固定最佳傾角安裝方式多出3.86%，但是發(fā)電量會(huì)比固定最佳傾角安裝方式提高20%。

4.2 減少清洗次數(shù)，降低運(yùn)維成本

電站需要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況定期清洗的。如果沒有定期清洗，組件表面的積灰影響發(fā)電量，嚴(yán)重的會(huì)減少30%以上。一般來說，一般的電站，每季度清洗≥1次。如今跟蹤支架技術(shù)在發(fā)展，在夜間將組件調(diào)整為垂直狀態(tài)，可以減少組件一半以上的積灰量，極大節(jié)約清洗費(fèi)用。

4.3 光伏電站智能運(yùn)維的硬件保證

光伏組件長期暴露于戶外，受復(fù)雜氣候環(huán)境影響極易出現(xiàn)故障。過去靠人工去現(xiàn)場實(shí)地確認(rèn)，其效率和成本均不能滿足要求。有了追蹤支架，大雪冰雹惡劣天氣，設(shè)置組件自動(dòng)豎直角度調(diào)整，避免組件收到傷害的智能運(yùn)維成為可能。

光伏電站的智能巡檢常使用無人機(jī)搭載紅外相機(jī)，電站與無人機(jī)之間建立通訊，對(duì)組件精準(zhǔn)定位。同時(shí)設(shè)計(jì)算法調(diào)節(jié)拍攝角度，同樣可以通過與電站串組聯(lián)系控制關(guān)系調(diào)節(jié)電站傾角拍攝最佳紅外圖片。以便于準(zhǔn)確偵測出發(fā)熱異常組件，及時(shí)維修更換。

4.4 助力最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)

對(duì)電站MPPT最大功率跟蹤主要依照設(shè)計(jì)控制方法，主要有間接控制法、直接控制法和智能控制法，還有使用硬件保證帶有MPPT功能的直流變換器。使用追蹤支架，并設(shè)計(jì)控制傾角與最大功率點(diǎn)追蹤之間的控制關(guān)系，助力電站最大功率自適應(yīng)控制跟蹤的實(shí)現(xiàn)。

5 跟蹤支架目前面臨的主要問題

5.1 成本高

如表2所示，不同支架的成本比較，設(shè)計(jì)及支架材料費(fèi)用及施工難度遠(yuǎn)大于固定支架系統(tǒng)。因此電站初期投資成本增加明顯。

5.2 故障率高

相比固定支架，跟蹤支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)故障率高。例如，在我國西北地區(qū)，風(fēng)沙對(duì)跟蹤軸的損害很大。并且長期使用過程中，跟蹤精度會(huì)和理論值產(chǎn)生偏差。最關(guān)鍵的是跟蹤支架系統(tǒng)與組件使用壽命無法同步。

6 結(jié)束語

目前組件生產(chǎn)成本壓縮和電池提效的研究已經(jīng)接近瓶頸，只能通過其他手段提高電站的發(fā)電量來增加投資回報(bào)率。跟蹤支架的應(yīng)用能大大提高發(fā)電量，但是目前仍然存在很多問題。提高跟蹤支架的可靠性、降低跟蹤支架成本和跟蹤支架智能化，必將成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一個(gè)突破點(diǎn)。

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