光伏自动跟踪支架的工作原理（光伏跟踪支架及适用条件）

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平价上网时代的来临，促使投资企业采用各种新技术实现降低度电成本（LCOE）。 跟踪支架，就是近一两年备受青睐的、能降低度电成本的新技术。

一、光伏跟踪支架的类型

光伏电站支架的类型大致有五种：

1）最佳倾角固定式（之前应用最广泛）；

2）平单轴跟踪式（目前应用最广泛的跟踪支架）；

3）斜单轴跟踪式；

4）双轴跟踪式；

5）固定可调式（应用量仅次于固定支架，也分多种形式）。

不同的运行方式，最根本的区别就在于它们的发电量差异。当然，初始投资和运行维护成本也会有差别。

几种支架的现场图片如下。

说明：上图仅为个别项目的现场图片，实际项目应用中，每种类型支架都有多种形式。

以固定可调支架为例，实际应用中就有多种形式，如下图所示。

二、跟踪支架对于提高发电量的作用

1、跟踪支架对年发电量的影响

下图为2010年从某个支架厂家那里获得的、在不同地点、不同支架对发电量影响的一些实测数据。

从上图可以看出，与最佳倾角的固定式安装相比，水平单轴跟踪的发电量提升了17%~30%，倾斜5°单轴跟踪的发电量提升了21%~35%，双轴跟踪的发电量提升了35%~43%。但不同纬度下，各种运行方式的发电量提高率显然是不一样的。大致有几个规律：

1）最佳倾角固定式（以下简称“方式一”）

在低纬度地区，由于最佳倾角较小，所以发电量提高很少（如在8°时，几乎是不变的）；在高纬度地区，最佳倾角大，发电量提高明显（如在50°时，提高了约25%）。

2）平单轴跟踪式（以下简称“方式二”）

这种运行方式跟踪了太阳一天之内入射角的变化，其对发电量的提高率，在低纬度地区要明显优于高纬度地区。一般认为，这种运行方式更适合在纬度低于30°的地区使用，相对于“方式一”，可以提高20%-30%的发电。当然在高纬度地区，相对“方式一”也能提高接近20%。

3）斜单轴跟踪式（以下简称“方式三”）

这种运行方式显然是结合了“方式一”和“方式二”的优点。如同“方式一”不适合低纬度地区一样，这种运行方式在低纬度地区的表现并不比“方式二”好多少。因此，更适合高纬度地区。

这种方式下，阵列两侧的支撑结构（支架、转动轴）受力肯定是不一样的。由于高纬度地区的最佳倾角较大，如果采用“最佳倾角斜单轴”，则两侧受力不均衡就会很大。因此，工程中一般会采用一个较小的倾角。

4）双轴跟踪式（以下简称“方式四”）

由于跟踪了太阳一天之内、一年之内的入射角的变化，这种方式对发电量的提高显然是最高的。

5）固定可调式（以下简称“方式五”）

这种运行方式是根据太阳一年之内入射角的变化调整支架倾角，从而实现发电量的提高。从去年开始比较流行，下文会着重说明。

2、跟踪支架对各月发电量的影响

下图为甘肃某光伏电站、各种运行方式一年之内各月发电量情况。

说明：图片来自于王斯成老师 ppt

从上图可见，相对于水平面辐射：

固定式提高了春、秋、冬三季的发电量，而牺牲了夏季的发电量；

单轴跟踪的曲线与水平面曲线几乎是完全平行的；

双轴跟踪相对与单轴跟踪，提高了春、秋、冬三季的发电量。

3、跟踪支架对日月发电量的影响

下图为甘肃武威某光伏电站、5月中旬的一天，各种运行方式一天之内各时刻发电量差异。

从上图可以看出：

跟踪式（单轴、双轴）相对于固定式，提高了早晚的发电量；

由于是春季的数据，所以中午的发电量，双轴与固定式相当，高于单轴。

从上文可以看出，跟踪式安装确实能提高发电量。然而，并不是所有的地方，跟踪式支架都能有很好的效果。那什么样的条件，适合采用跟踪式支架呢？

三、跟踪支架的适用条件

1、高“直射比”地区

在进行太阳能资源分析时，“直射比”是一个非常重要的参数。

直射比= 水平面直接辐射：水平面直接辐射

跟踪式支架，顾名思义，就是通过支架跟踪太阳光的入射角度，尽量让太阳光垂直于光伏组件。只有直接辐射比例大的地方，跟踪才有意义。

与直射比相关的另外一个参数就是“法向直接辐射”，简称DNI，即一直垂直于太阳能入射方向的直接辐射。直射比大的地方，DNI也会相对偏大。下表为8个领跑者基地的直射比与DNI情况。

表1：第二批领跑者8个基地的直射比与DNI情况

从上表可以看出，在直射比高的地区（包头、乌海、张家口），DNI数值高于水平面总辐射，采用双轴跟踪，发电量会有较高的提升；在直射比较低的地方（淮南、淮北、济宁），双轴跟踪则效果不会很好。

下表为15个不同地点，采用双轴跟踪式安装方式，与采用最佳倾角固定式相比，发电量提高比例的理论测算值。

表2：不同地点双轴跟踪式比固定式发电量提高理论测算值

图：直射比与发电量提高的相关性

从图1可以看出，双轴跟踪式相对于固定式发电量的提高比例，与项目场址的直射比有较好的相关性，相关性系数达到0.96。

因此，在决定项目是否采用跟踪式之前，一定要关注项目场址的直射比。

2、低纬度地区

1）发电量的提升效果

纬度对跟踪式的发电量提高影响很大。低纬度地区，平单轴会有较好的效果；高纬度地区，平单轴效果不明显，需要斜单轴或双轴跟踪。

为了排除直射比的影响，从表 2 的 15 个样本数据中，抽取了 6 个样本，组成 3 组进行对比

表3：纬度对跟踪效果的影响

注：斜单轴为最佳倾角斜单轴，下同。

上表 3 组数据中，每组的两个场址的直射比基本相同。

从平单轴相对于固定式增加的发电量来看，低纬度点的增加比例明显高于高纬度点。

从斜单轴相对于固定式增加的发电量来看，基本与直射比成正比；但从斜单轴相对于平单轴的增加量（差值一栏），可明显看出，差值大，即斜单轴相对于平单轴的效果更好。

综上所述，仅从发电量提高来看，低纬度地区，适合用平单轴；高纬度地区，适合用斜单轴或双轴跟踪。

2）占地面积差异

以转换效率为16%的光伏组件为例，不同形式、不同纬度下，1万kW光伏方阵的占地面积如下表所示。

表4：不同安装方式下，光伏方阵占地面积的理论测算值（单位：hm2/万kW）

从上表可以看出，在高纬度地区，采用平单轴跟踪的安装方式，占地面积略有增加；但采用斜单轴、双轴跟踪式，占地面积将大大增加。在北纬 40 °地区，斜单轴跟踪的占地面积几乎为固定式的 2 倍。

在用地比较紧张、土地成本高的高纬度地区，不大适合用斜单轴、双轴跟踪式。

对于高纬度地区的项目，从提高发电量角度，宜采用斜单轴、双轴跟踪；但从占地面积的角度，斜单轴、双轴跟踪式会大大增加占地面积。

鉴于上述原因，在低纬度地区采用平单轴跟踪，是相对不错的方案；在高纬度地区，在土地成本比较便宜的情况下，可考虑采用斜单轴、双轴跟踪。

四、性价比分析

跟踪式确实能提高发电量，但同时也会增加项目投资、运维成本。与固定式相比，跟踪式的成本增加主要体现在三方面：

1）支架成本提高，

2）占地面积增加，

3）运维费用增加。

1运维成本

1）相对于固定式支架，跟踪式支架高度较高，清洗、维修难度较高，费用会增加；

2）跟踪系统导致自耗电较高；

3）跟踪系统故障率相对较高。

2占地面积

如前文所述，采用跟踪式的安装方式，占地面积大大增加，将提高项目的土地成本。

3性价比分析

以某1万kW光伏电站（电价 0.88 元 /kWh ）为例，假设最佳倾角固定式的平均年满发小时数为 1200h ，采用平单轴跟踪发电量提高 15% ，采用双轴跟踪发电量提高 25% 。假设跟踪式的运行维护成本不增加。

表5：跟踪式安装方式的经济性分析

从上表可以看出，在上述假设条件下，1万kW的项目，

采用平单轴跟踪式安装方式，每年会增加158万元的收入，如果初始成本（包含基础、支架、土地成本）增加低于1.55元/W，则采用平单轴跟踪式相对划算；

采用双轴跟踪式安装方式，每年会增加264万元的收入，如果初始成本增加低于2.59元/W，则采用平单轴跟踪式相对划算。

如果项目所在地的平均年满发小时数高于1200h，则上述标准可以适当增加；如果低于1200h，上述标准需适当降低。如下表所示。

表6：不同发电小时数情况下，跟踪式收益提高的折现值

由于跟踪式支架的价格一定。因此，在发电量高的地区，跟踪式的经济效益会更加明显。

五、典型应用案例

从前文的分析可以看出：

就跟踪式安装方式的使用条件来看：

高直射比的地方，采用跟踪式将大大提高项目的发电量；

低纬度地区适合采用平单轴跟踪，高纬度地区适合采用斜单轴或双轴跟踪。

就性价比来看：

在太阳能资源好、发电量高的地区，即年总辐射量高的地区，跟踪式支架的性价比会更高。

在风大的地区，跟踪式支架曾经发生过被吹翻的问题。下图为某领跑者项目，跟踪支架被大风掀翻的案例。

针对这一问题，在实践中可以采取灵活的设计方案！

青海海南州特高压基地项目，黄河上游集团水电开发有限公司中标2.4GW，就采用了多种安装方式相结合的设计方案。

根据黄河水电之前实证基地的数据，光伏电站建成后，场区内风速、风向会发生明显变化，13m/s以上的极大风速将明显降低。根据风载分布的不同，对光伏电站的发电单元进行了优化设计。

发电单元布置主要有以下改进：

按风向优化布置，光伏电站受风力影响，承受的载荷由外围到内部逐渐减少。在不同地方，在不影响支架结构强度的情况下，布置不同强度材料的支架，节省了材料。

固定支架的抗风能力比较强，支架的投资相对比较低。因此，电站由外到内分别布置固定支架、普通平单轴、优化平单轴。

因此，在实践中根据跟踪支架的优缺点，采用灵活的布置方案，一定会获得更好的经济收益！

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