平单轴在太阳能发电系统中的前景

    摘 要：在整个光伏发电项目的投资建设中，支架的成本的投入也是占据了半壁江山，因此光伏支架的结构、以及成本的支出以及使用年限成为了每个光伏支架企业的重点研究对象。本课题基于如何提高太阳能发电效率、降低成本的问题进行讨论。平单轴跟踪系统的出现相对传统的光伏发电装置控制系统，它的效率高、价格适中，在市场中将会有较强的竞争实力。

    关键词：平单轴；光伏发电；竞争实力

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

    1 绪论

    1.1 课题背景

    随着科技的发展靠传统的矿石燃料发电量已经满足不了人类的需求，外加在全球的矿石燃料存储量日益减少，以及人们的生活环境变得更加恶劣，全球的能源问题也越来越得到人们的重视。太阳能相对于传统的矿石燃料具有四个特点，分别是无穷性、普遍性、清洁性以及经济性，所以对太阳能的高效率开发是解决全球能源问题的有效方式之一。

    在能源的分类中，二次能源的存储量为99.44%，而其他的可再生能源占据不到1%，所以人类在未来利用的能源，终究还是依附太阳能为主。依据DNV GL的报道，我们可以了解到未来能源的发展方向，报道称主要发展还是电力，全球的电力必须达到现在电力产量的2.5倍才能滿足人类发展的需求。太阳能发电系统的装机容量，在21世纪中期将达到顶峰，预计是当前全球装机容量的65倍。依靠太阳能系统发电的发电量将达到全球电力产能的半壁江山，每年的电力产能达到全球的40%，大概每年19TW左右。依托一次能源发电量将逐渐缩小，容量大概是现在的一半。将太阳能转换成人类所需要的电能的高端产品，在经济高速发展的社会环境刺激下，高端技术也在不断的突破，太阳能发电有望在2030年成为重要的电力能源。

    光伏发电技术在理论基础已经达到成熟且该技术在世界上广泛应用，在高端技术不断的突破下，对光伏支架的投入大幅度的降低，各国对清洁能源资金及政策的投入也将太阳能发电技术推向了顶峰。根据2018年2月光伏产业生产运营情况报道显示，全国24家光伏企业1-2月的产量共计4.77万吨，与去年同期的产量向相比增长27.1%。光伏行业每年的产能利用率大概在65%，对外出口金额与同期相比增长28.1%。像多晶硅的市场报价来看，目前产品价格为124元/kg比1月份的产品价格下跌17.3%。单晶组件产品价格也下跌了5%左右。

    2 研究现状及发展趋势

    2.1 跟踪系统在国内外研究现状

    在国外是最早兴起对太阳能跟踪装置研究的起源地，它是随着人类的电能够需求以及科学的发展逐渐兴起的一个新兴领域。在1994年的格鲁斯堡首次采用该跟踪系统建成全球第一个采用跟踪系统的厨房，为后续改良太阳能跟踪系统提供了理论实践经验。2年后在塞浦路斯人们就研究出了一种通过直流电机带动减速器驱动轴的太阳能跟踪系统，它的原理是采用3块感光电阻器随着太阳的自动跟踪，3块电阻器分别测试采光、云层覆盖以及白天或黑夜，将信号输送到电子控制系统来控制太阳能光伏板的转动。2002年子美国加州研究出一种采用铝型材为原材料通过控制电机太阳跟踪系统，2004年由智利与巴西的两位研究人员研制出一种由闭环伺服系统控制跟踪装置。2008年中国研制出一种通过计算机控制的太阳能跟踪系统，它是集光、机、电为一体的新型跟踪系统，能实现24小时跟踪。冗余平单轴是我国在光伏跟踪系统上改良的一款新型跟踪技术，在国际上也是首次出现冗余设计，对我国光伏产业的发展取得巨大突破。冗余平单轴跟踪系统对关键部件采取双向备份，分别是控制系统备份以及传动电机备份。一旦跟踪系统出现运行系统故障时，系统会及时向控制室发出故障信号，同时将系统切换到备份部件上。冗余设计不仅能够降低系统的运营维护成本，而且在系统发生故障时对光伏发电量以及系统的跟踪运转不会产生影响。

    2.2 跟踪系统发展趋势

    根据各国的研究状况来看，单轴跟踪系统装置的结构装置相对简单，前期投资相对较少，是一种性价比适中的跟踪方式；双轴跟踪系统装置的结构复杂多样因此跟踪方式也多种多样，且能够大幅度提高太阳光的利用。科技的发展促使着技术的发展，技术的发展促使着产品的创新，太阳能跟踪系统正逐渐向平单轴发展，平单轴光伏发电装置结构简单且能全方位跟踪太阳光，根据天文算法在PLC内部系统中计算太阳的位置，从而控制平单轴全自动跟踪太阳，极大的提高了光照时间从而提高太阳光的接收效率。

    3 研究意义

    在中国梦的伟大复兴道路上，传统的化石燃料以及新能源构成了复兴之路的动力支撑角色，从某种角度来说能源是决定中国梦的主要因素，因此我国长期的能源利用率低下以及日渐突出的环境问题对我国的中国梦提出了一项重大考验。单一的跟踪系统已经满足不了高速发展的光电技术的要求了，全自动、智能化已成为光电技术发展的新要求。平单轴跟踪系统可以全方位进行跟踪太阳，提高对太阳光垂直照射的接收时间，从而高效率的利用太阳光，使太阳能电池板达到最大的发电效益。传统的化石燃料、石油等资源的存储量日益减少，如何提高可再生能源发电效率的问题日益突出，而太阳能的存储量是相当丰富的。根据能源局调查统计，地球每年接收到的太阳能量，是全球利用各种能源一年产生的能量上万倍。

    在现有的太阳能发电装置中，很多因为装置的结构刚强度不是特别高，导致在施工及后期运营过程中很容易产生变形，使整个发电系统对太阳能的转换效率低下。同时自然条件也是对光伏发电系统装置也是一种考验，如何做到在大风等恶劣天气中装置不发生破坏以及变形，这就要求着光伏发电装置的结构设计应具有很强的抗风能力。平单轴的出现轻松的解决了这一系列问题，平单轴具有结构紧凑、抗风能力强、能全自动跟踪等特点，将平单轴跟踪系统的推广，是光伏发电产业的伟大复兴，将推动太阳能的利用领域，具有划时代的意义。

    4 发电原理

    4.1 平单轴跟踪系统发电原理

    硅作为光伏组件的原材料，其电子学特性决定了硅具有将光能转换成电能的能力，即PV转换。因此在无电力地区太阳能发电能够实现基本的生活用电，而在一些光伏技术发达的国家，能够实现与其他发电系统互补为区域地区输送稳定电能。光电效应是指不均匀半导体和金属结合的不同部位在太阳光照射下构成的半导体上产生电位差的现象，由于半导体内有电位差的存在PN结中会产生电场力，分别将空穴向P区、电子向N区聚拢，此时在PN结两端加上正向电流，空间电荷区会逐渐变窄直到PN结导通。在PV转换中起到主导作用的还是依靠本征激发的少数载流子，载流子通俗的叫法就是电子-空穴对。P区和N区产生空穴及电子，由于PN结中有存在耗尽层对两区多子的阻挠而不能通过PN结。当两区的少子漂移到结电场附近，内在电场能将电子-空穴分别拉向N区和P区，形成光生电场。光生电场方向与内场方向相反的，它可以将势垒导通产生电势差，此时开路电压为0.5V左右。

    平单轴跟踪系统通过光电管来调节太阳能光伏板的位置来跟踪太阳，太阳的高度角发生变化，太阳能光伏板不能垂直接收太阳光照，光电管产生电流偏差信号，通过功率放大器将信号反馈给PLC，PLC控制步进电机调整倾角，重新校准太阳角度对准太阳采集阳光。采用光电传感器的跟踪系统，具备构造简单、灵敏度高等特点，但容易受到天气的影响其发电效率，连续的阴雨天气容易导致跟踪装置出现跟踪错误，因在此基础上，平单轴又增加了全球定位系统，从而解决此类的问题发生。

    从目前光伏支架成本来看，平单轴支架的成本大概为0.785元/每瓦，固定支架成本不到平单轴支架成本的60%。平单轴及固定支架基础成本具体数据如下表1。已宁夏某项目1MWp数据为根据，结合施工情况了解到，1MWp的平单轴占地面积比固定式占地面积虽多3亩地，但平单轴的管桩基础大概只有固定式管桩的一半，而固定支架和平单轴跟踪每瓦的总成本差价为0.196元。将项目所在地的气象参数导入光伏仿真软件中，经计算1MWp固定式每年的发电量大概为1440000，平单轴是固定式的1.22倍。

    平单轴的增加投资资金回收年限公式以及增加收益公式如下：

    平单轴增加投资回收年限公式：（平单轴跟踪支架基础总价-固定支架基础总价）/（（平单轴跟踪发电量-固定发电量）*当地上网价）

    -固定发电量*组件衰减率*上网电价*（10-回收年限）

    以當地实际收购电价及1MWp容量为基础，经核算平单轴增加投资的资金大概在7个月的样子就可以回收成本，并开始产生收益，符合我们高效率发电及多收益的初衷。收益情况如下：

    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

    结合实际与仿真情况，在光伏运行的25年期限里，平单轴每1MWp的收益比固定式的收益多出将近600万。

    4.2 平单轴跟踪系统结构特点

    （1）结构简单。平单轴跟踪系统具有光伏组件、箱逆变器、控制单元三大模块，控制单元采用PLC控制，装置整体结构精练轻巧灵活，一致协调性强。

    （2）能耗低。平单轴跟踪系统具有多级减速保护，减速效率非常高，电机传动扭矩大、平稳性更强。每天系统的有效工作时间不超过40分钟，驱动功率低于8W，每个驱动联动的年消耗电量不超过10KW h，且不需要外接电源，驱动电源可以直接由组件供电。

    （3）稳定性好。平单轴跟踪系统都为热镀锌件，镀锌厚度超过65μm，主要的支撑的横梁以及驱动连杆，采用镀锌件的方管，保证装置的抗折、抗扭曲性能达到规范要求。

    （4）故障率低。平单轴跟踪系统平常的运行养护等都是非常方便的，跟踪装置易损的零部件都采取了独立安装措施，方便后期维护时不需要将整个装置拆除才能进行维护。

    （5）其他特点。①平单轴跟踪系统的管桩基础高，离地空间大，最低点距离地面不少于2m，管桩基础采取7m*6.3m的间距，阵区内通风条件好，光伏组件的表面温度不会过热而停止发电。②平单轴跟踪系统的转动角度大，而且自动校准角度跟踪太阳，在同等条件的清洗频率下，平单轴跟踪系统表面的积尘相对于固定式支架少很多。③在冬季时，遇到大雪天气，平单轴跟踪装置可以通过控制室，将跟踪装置调到保护角度防止积雪过厚，影响后期无降雪时光伏组件的发电效率。

    5 总结

    平单轴跟踪系统是一种新型的跟踪系统，它能提高对太阳能的利用率。平单轴跟踪装置在条件相同下，其每年的发电量是固定式的1.22倍，且平单轴的性价比比固定式高出很多，它的市场前景是非常广阔的。平单轴跟踪系统的出现相对传统的光伏发电装置控制系统，它的效率高、价格适中，在市场中将会有较强的竞争实力。

    参考文献：

    [1]郑宁来.2035年全球能源需求将增30%[J].炼油技术与工程，2016.

    [2]李忠东.可再生能源新发明[J].质量探索，2011.

    [3]王广军.全自动太阳光线跟踪系统[J].太阳能，2016.

    作者简介：刘刚（1995-），男，江西萍乡人，本科，主要研究方向：光伏、环保。