淺析一種風(fēng)光儲(chǔ)一體化跟蹤器

陳創(chuàng)修，陳 亮

(浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，杭州 310051)

0 引言

1 一體化跟蹤器的集成原理

1.1 工作原理

風(fēng)荷載的大小對(duì)采用光伏跟蹤器的光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本和可靠性影響較大。在光照資源和緯度相同的情況下，采用光伏跟蹤器的光伏發(fā)電項(xiàng)目在高風(fēng)壓地區(qū)的建設(shè)成本遠(yuǎn)大于其在低風(fēng)壓地區(qū)建設(shè)時(shí)。但若將這些在光伏發(fā)電項(xiàng)目中需要防范的風(fēng)能通過光伏跟蹤器轉(zhuǎn)化成電能，將降低光伏支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，進(jìn)而降本增效。本文提出的一體化跟蹤器就具有這樣的功能。

一體化跟蹤器的工作原理圖如圖1所示。一體化跟蹤器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來判斷風(fēng)速：1)當(dāng)風(fēng)速低于限定值時(shí)，一體化跟蹤器正常跟蹤太陽，此時(shí)一體化跟蹤器的動(dòng)力來源主要是儲(chǔ)能電池組。當(dāng)儲(chǔ)能電池組的電量高于保護(hù)電量時(shí)，一體化跟蹤器由儲(chǔ)能電池組供電；儲(chǔ)能電池組的電量等于保護(hù)電量時(shí)，一體化跟蹤器由電網(wǎng)供電。2)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或高于限定值時(shí)，一體化跟蹤器停止追日，一體化跟蹤器的轉(zhuǎn)子在風(fēng)能的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。當(dāng)儲(chǔ)能電池組的電量不飽和時(shí)，風(fēng)電給儲(chǔ)能電池組充電；當(dāng)儲(chǔ)能電池組的電量飽和時(shí)，風(fēng)電上傳到電網(wǎng)。

圖1 一體化跟蹤器的工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of integrated wind-PV-storage tracker

1.2 結(jié)構(gòu)原理[1]

一體化跟蹤器根據(jù)平單軸光伏跟蹤器的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，利用扭矩限制器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)荷載的機(jī)械反饋。當(dāng)風(fēng)荷載使一體化跟蹤器的轉(zhuǎn)子受到的扭矩超限時(shí)，扭矩限制器啟動(dòng)，轉(zhuǎn)子與減速機(jī)之間的同軸傳動(dòng)斷開，轉(zhuǎn)子在風(fēng)荷載作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)一體化跟蹤器的支架不再像以往那樣硬抗風(fēng)荷載，而是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，如此一來，一體化跟蹤器的轉(zhuǎn)子只承受摩擦力和離心力，而扭矩也不再通過減速機(jī)傳遞到立柱和樁基，立柱和樁基只承受轉(zhuǎn)子的自重和離心力。以往立柱和樁基抵抗風(fēng)荷載時(shí)承受的水平推力如今大幅減小，二者所受彎矩也大幅減小，從而使轉(zhuǎn)子的型材截面和立柱的截面都減小，并且樁基的設(shè)計(jì)承載力也相應(yīng)減小。因此，支架和樁基成本將會(huì)大幅降低；同時(shí)，產(chǎn)生的風(fēng)電還可以進(jìn)行傳輸和使用。

1.3 電氣原理

一體化跟蹤器設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其發(fā)出的電力無論是交流還是直流都可以，交流電可通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，直流電經(jīng)過Boost-Buck電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過調(diào)波之后和同樣經(jīng)過Boost-Buck電路的光伏電流匯集，之后再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換后進(jìn)行輸送和供電。

儲(chǔ)能模塊由儲(chǔ)能電池組和控制器組成?？刂破魍ㄟ^檢測(cè)儲(chǔ)能電池組內(nèi)部電流或電壓來判斷是否充、放電，并由相應(yīng)的電路來進(jìn)行充、放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化跟蹤器電能的存儲(chǔ)和供電。該模塊除了可以直接使用光伏電力和風(fēng)電對(duì)儲(chǔ)能電池組充電以外，還可以利用外部電網(wǎng)對(duì)其充電。儲(chǔ)能模塊設(shè)置有保護(hù)電量，具有過放保護(hù)功能。

同時(shí)，需要給由光伏和風(fēng)力發(fā)電部分、儲(chǔ)能模塊、控制系統(tǒng)構(gòu)成的整個(gè)微電網(wǎng)設(shè)置一個(gè)總的外部負(fù)載接口，用于協(xié)調(diào)風(fēng)電、光伏發(fā)電和儲(chǔ)能的運(yùn)行、優(yōu)化供電配比，以及平抑風(fēng)電和光伏發(fā)電的輸出波動(dòng)；并設(shè)置供電安全裝置，防止一體化跟蹤器的電力對(duì)外部負(fù)載或電網(wǎng)造成沖擊和破壞。

3.綜上所述，提高濕地保護(hù)科學(xué)性，還要加大濕地保護(hù)投入，創(chuàng)新濕地保護(hù)載體，注重法制化的開展?jié)竦乇Ｗo(hù)相關(guān)工作，在標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的原則下建立完善的濕地保護(hù)框架，從而系統(tǒng)化的解決濕地保護(hù)中的現(xiàn)實(shí)問題。

一體化跟蹤器的發(fā)電系統(tǒng)需處于監(jiān)控之下，通過智能控制和云平臺(tái)大數(shù)據(jù)算法來提前進(jìn)行用電預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。通過對(duì)負(fù)載的大量用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取用電負(fù)荷的典型曲線；通過分析風(fēng)電、光伏發(fā)電時(shí)段特性曲線，合理調(diào)度不同能源的功率輸出比重，以供電成本最低、功率匹配狀況最佳、供電輸出功率平滑度最好為目標(biāo)，進(jìn)行電力的雙向匹配和調(diào)度。一體化跟蹤器的電氣原理圖如圖2所示。

圖2 一體化跟蹤器的電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic of integrated wind-PV-storage tracker

2 一體化跟蹤器模型

一體化跟蹤器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：

1) 一體化跟蹤器的轉(zhuǎn)子采用一段式，這樣便于通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位和重新工作。若轉(zhuǎn)子為多段式，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或高于限定值時(shí)，一體化跟蹤器的轉(zhuǎn)子在風(fēng)能的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)一體化跟蹤器上組件的角度均不同；當(dāng)風(fēng)速下降到限定值以內(nèi)時(shí)，組件無法調(diào)整到統(tǒng)一角度，此時(shí)，一體化跟蹤器的追日就失去了意義。

2)扭矩限制器的一端和減速機(jī)輸出端同軸傳動(dòng)，另一端與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸同軸傳動(dòng)，這樣風(fēng)速一旦超限，一體化跟蹤器就會(huì)瞬時(shí)接收到反饋并啟動(dòng)扭矩限制器。

3)一體化跟蹤器的轉(zhuǎn)子貫穿減速機(jī)，而不是直接與減速機(jī)傳動(dòng)。

4)組件轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)不能與立柱互相干涉，并且組件固定方式要能抵抗一體化跟蹤器轉(zhuǎn)子的離心剪切力。

5)一體化跟蹤器轉(zhuǎn)子上可設(shè)計(jì)或加裝扭轉(zhuǎn)減振裝置，但是不需要額外的大風(fēng)保護(hù)裝置。一體化跟蹤器的大風(fēng)保護(hù)狀態(tài)就是扭矩限制器啟動(dòng)后由單一的光伏發(fā)電切換到風(fēng)能和光伏聯(lián)合發(fā)電。

6)扭矩限制器啟動(dòng)后，一體化跟蹤器轉(zhuǎn)子會(huì)自動(dòng)隨風(fēng)調(diào)整，并調(diào)整到風(fēng)荷載最小的狀態(tài)。

7)一體化跟蹤器最好有消除偏心扭矩的設(shè)計(jì)，以減少損耗并保證風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性。

上述一體化跟蹤器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)雖然是以平單軸光伏跟蹤器為基礎(chǔ)的，但其原理同樣適用于斜單軸和雙軸光伏跟蹤器。一體化跟蹤器的模型立體圖如圖3所示。

圖3 一體化跟蹤器的模型立體圖Fig.3 3D view of integrated wind-PV-storage tracker model

一體化跟蹤器在設(shè)計(jì)時(shí)需注意的要點(diǎn)：

1)一體化跟蹤器轉(zhuǎn)子的主梁貫穿減速機(jī)，減速機(jī)的動(dòng)力通過扭矩限制器傳輸?shù)街髁荷?。扭矩限制器的扭矩極限值設(shè)置可從供電需求和平衡成本等多方面綜合考慮，極限值過大會(huì)降低發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，過小則會(huì)降低一體化跟蹤器的效益。當(dāng)風(fēng)荷載超界時(shí)，扭矩限制器生效，光伏跟蹤控制系統(tǒng)檢測(cè)到此風(fēng)荷載超界后進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)狀態(tài)，只要限制器不觸發(fā)，且持續(xù)一定時(shí)間都未被觸發(fā)時(shí)，光伏跟蹤器就會(huì)啟動(dòng)，并會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行繼續(xù)追蹤、復(fù)位或待機(jī)的操作。

滾珠式扭矩限制器的性價(jià)比高，制動(dòng)響應(yīng)及時(shí)，限定扭矩值大，可作為一體化跟蹤器的部件。

2)一體化跟蹤器轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可通過帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)或其他方式來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)；同時(shí)可根據(jù)發(fā)電機(jī)的參數(shù)和通過轉(zhuǎn)子計(jì)算的發(fā)電功率來進(jìn)行等速或加、減速變換設(shè)計(jì)。

3)一體化跟蹤器的光伏跟蹤控制電路和儲(chǔ)能充、放電控制電路可以集成在控制箱內(nèi)。

扭矩限制器所在節(jié)點(diǎn)的放大圖，如圖4所示。

圖4 扭矩限制器所在節(jié)點(diǎn)的放大圖Fig.4 Enlarged view of where the torque limiter is located

3 集成技術(shù)分析

雖然目前一體化跟蹤器只是一種設(shè)想，但該裝置所需的各部分關(guān)鍵構(gòu)件和設(shè)備是已經(jīng)存在的，本文是通過模擬和調(diào)研得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與結(jié)論。

3.1 可靠性分析

在大風(fēng)狀態(tài)下，相對(duì)于傳統(tǒng)光伏跟蹤器而言，一體化跟蹤器的支架不是硬抗風(fēng)荷載，而是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，大幅提高了支架和樁基的可靠性；而且扭矩限制器和風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)裝置可滿足復(fù)雜的室外環(huán)境使用要求。

在電氣和控制方面，一體化跟蹤器新增的儲(chǔ)能控制裝置和電力轉(zhuǎn)換電路的可靠性取決于電子芯片的可靠性，目前電子芯片技術(shù)可滿足要求。

綜上，一體化跟蹤器在25年設(shè)計(jì)年限內(nèi)能夠可靠地工作。

3.2 成本分析

選取1個(gè)單元的光伏陣列，將采用一體化跟蹤器和采用傳統(tǒng)光伏跟蹤器的成本進(jìn)行比對(duì)，具體如表1所示。

表1 2種跟蹤器的成本對(duì)比Table 1 Cost comparison of two kinds of trackers

由表1可知，相對(duì)于傳統(tǒng)光伏跟蹤器，一體化跟蹤器的土地成本、傳動(dòng)成本、控制箱成本、發(fā)電機(jī)成本、儲(chǔ)能成本及線纜成本雖較高，但其支架成本卻遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光伏跟蹤器。若采用一體化跟蹤器就相當(dāng)于將光伏支架的設(shè)計(jì)由高風(fēng)壓情況下的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)壓情況下的設(shè)計(jì)，節(jié)約的這部分支架成本足以抵消發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能成本所帶來的成本提升。因此，在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下，一體化跟蹤器的成本會(huì)比傳統(tǒng)光伏跟蹤器的更低。

3.3 應(yīng)用價(jià)值分析

一體化跟蹤器的應(yīng)用場(chǎng)景包括：

1)高風(fēng)壓和超高風(fēng)壓這些不適合建設(shè)光伏電站的地區(qū)。采用一體化跟蹤器可在將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中降低支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

2)光照資源一般而風(fēng)資源豐富的地區(qū)。通過風(fēng)電和光伏發(fā)電互補(bǔ)可保證項(xiàng)目收益。

3)偏遠(yuǎn)的山區(qū)、地廣人稀的草原、海上孤島等建設(shè)大規(guī)模電站不便，經(jīng)濟(jì)效益低的地區(qū)。通過利用地形優(yōu)勢(shì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，可協(xié)調(diào)調(diào)度風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電。

4)需要降低跟蹤支架成本的場(chǎng)景，比如建設(shè)物料運(yùn)輸成本高、支架材料采購成本高的地區(qū)?？衫么髷?shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行光伏電站建設(shè)前的模擬和發(fā)電預(yù)測(cè)，均衡分配和調(diào)度光伏發(fā)電和風(fēng)電的比例，使該地區(qū)的能源得到綜合利用，以推動(dòng)光伏平價(jià)上網(wǎng)。

4 結(jié)論

本文提出了一種風(fēng)光儲(chǔ)一體化跟蹤器的設(shè)想，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，并進(jìn)行了成本分析。結(jié)果顯示，雖然一體化跟蹤器增加了發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能成本，但其節(jié)省了支架成本，并增加了風(fēng)電方面的經(jīng)濟(jì)效益，仍具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)有利于風(fēng)光儲(chǔ)綜合應(yīng)用的推廣，有助于推動(dòng)光伏平價(jià)上網(wǎng)。