New Model of Dual-axis Tracking Photovoltaic Power Generation Technology

光伏发电与太阳入射角有很大关系，传统的固定式安装太阳能电池板，即电池板固定在某个角度，不随太阳的位置变化而变化。严重影响光电转化效率，据推算：如果光伏系统与太阳光线角度存在25°偏差，就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列输出功率下降10%左右^[1]。当光伏电池板工作在入射角为0°时的发电量是最大的^[2]。

2007-11-19西藏拉萨两种系统输出功率对比，固定式系统与双轴跟踪系统的发电量分别为17.6 kWh和26.9 kWh。与固定式系统相比，双轴跟踪系统的发电量分别提高了52.8%^[3]，如图1所示。

Figure 1.  Two tracking systems in lhasa, Tibet, on Nov.19, 2007 output power rate comparison

内蒙古赤峰家庭安装的6 kW东西向轴跟踪支架实时发电量和10 kW固定支架某单日发电量，可以看出：东西向轴跟踪较固定式安装提高发电量的比例为：(50.6-58.5×0.6)/(58.5×0.6)＝44.16%(无遮挡，如图2所示)。双轴跟踪式提高发电量会更多。

Figure 2.  Measureed data comparison chart between tracking & fixed model

通常情况下双轴跟踪光伏较固定式光伏发电量增加35%～45%^[4]，最高达到55%^[5]；李卫军，冯春祥等实测数据为双轴跟踪光伏发电系统能够比固定式光伏发电系统提高发电量40%左右^[3]；上海电气电站集团谢文韬先生5路20 kW左右的双轴跟踪式的测量数据平均提高31.16%^[2]；卢育发等的研究结论为：双轴跟踪装置能使太阳光垂直照射在光伏组件上，光伏组件接收太阳辐射的效率能提高约39.7%^[6]。

光伏电站设计标准要求：冬至当天早9：00至下午3：00光伏组件阵列不应被遮挡。在这个时间段内，从图1、图2实测数据来看，跟踪式光伏电站输出电能更加平稳，明显好于固定式光伏电站。

光伏组件的发电量与其自身温度有关。温度的变化会显著改变太阳能电池的输出性能，当温度升高，载流子的扩散系数随温度的升高而稍有增大，光生电流也随温度的升高有所增加。但输出电流随温度的升高呈指数增大，因而输出电压随温度的升高急剧下降，从而引起光电转换效率下降。

典型功率温度系数为-0.35%/ ℃左右，即太阳能电池温度每升高1°，功率减少0.35%^[7]。

水体对光伏组件有冷却效应，可以抑制组件表面温度上升，从而提高了发电量。

根据国内外的水上、陆地光伏电站对比实验结果，水上光伏发电量可以增加7%～12%^[8]。日本兵库县40 kW平面大型水面光伏电站运行记录数据提高发电量是14%^[9]。

鉴于双轴跟踪增加发电量，水面光伏的降温作用进一步提高发电量，特提出新型双轴跟踪光伏发电方案。

新型地面双轴跟踪技术，采用钢桁架的网状钢结构，在网状钢桁架的中间设置钢圆环，钢环内侧用滚轮使其能沿水平方向绕钢筋混凝土结构滚动，从而固定网状钢结构圆心，每间隔一定距离浇筑钢筋混凝土环形基础，在网状钢结构下面均匀设置滚轮，并在靠近外环的环形基础环上均匀设置驱动装置(电动机带动滚轮或者蜗轮蜗杆)，使网状钢结构整体作极其缓慢地水平转动(每小时转动15°)，实现对太阳方位角的跟踪；在网状钢结构上安装平单轴光伏发电阵列(在垂直于光伏板的大圆盘直径处留一条主要通道，也可以安放变压器、逆变器和开关柜等设备，水面与此相同布置)，进行太阳高度角跟踪，从而实现双轴跟踪(最好使用变频器驱动，可以实现方位角和高度角的匀速跟踪^[10,11]，如图3所示)。

Figure 3.  New ground dual-axis tracking solution diagram

新型水面双轴跟踪技术，采用漂浮式光伏跟踪装置，包括设置在水上的浮筒，在浮筒上放置类似于塔吊钢桁架的网状钢结构，钢结构的外缘设置内环、外环以及内环与外环之间通过环形的板体固定连接，内环与外环同心。外环、内环、内外环间的板体、钢桁架组成的网状钢结构以及浮筒构成整个漂浮体。外环与驱动机构相连，驱动机构用于驱动外环转动。驱动机构设置在堤岸侧壁的凹槽内可以随水位上下移动的钢结构上，或者设置在岸边一端既可以牵引又可以顶置的，并且还能安装平单轴光伏板的钢结构上。安装驱动机构的钢结构两端均设置滚轮，与岸边连接的一端设置可以沿竖直方向滚动的滚轮，与大圆外沿连接的一端设置可以沿水平方向左右滚动的滚轮。

在驱动装置左右两侧分别在外环上套设N个连接件，连接件上内外侧均设置滚轮，滚轮分别在外环朝向内环的一侧表面滚动和在外环朝向外环的一侧表面滚动，连接件与岸边通过钢索连接，或者如前所述的既可以牵引又可以顶置的钢结构连接。钢索或者钢结构与岸边连接的一端均可以沿竖直方向随水位上下滚动。

在整个漂浮体上安装平单轴光伏板，进行太阳高度角跟踪，同时整个漂浮体又在驱动装置的驱动下作太阳方位角跟踪，从而实现双轴跟踪(最好使用变频器驱动，可以实现方位角和高度角的匀速跟踪^[10,11]，如图4所示)。

Figure 4.  New water surface dual-axis tracking solution diagram

制作了一个简单的模型(为钢索牵引方式，未安装驱动，但可以手动转动，如图5所示)。

Figure 5.  New water surface dual axis tracking model

另外作了一个三维动画(如图6所示)，均显示方案可行。

Figure 6.  New water surface dual axis tracking animation screenshot

新型地面和水面双轴跟踪式，由于方位角只需要一个太阳光跟踪检测装置和一个跟踪驱动装置；高度角跟踪理论上也只需要一个太阳光跟踪检测装置，考虑到驱动功率很大且有风浪扰动，可以分若干区域，采用功率器件给区域并联供电带动电动推杆。从而减少驱动装置和动力电缆，大大减少控制器件和控制电缆，从而节约成本。

特别是，对于新型水面双轴跟踪，土建施工可以采用岸边回填最后清除方式，基本实现在陆地上施工，缩短建设工期，降低工程成本，同时克服了中小型水体不能采用打桩船或者重物抛投来固定圆心等施工难题。

光伏电站的布置受地理位置即项目所在地的经纬度影响，也受赤纬角和时角的影响。

1)太阳赤纬角计算

太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，是反映地球绕太阳公转规律的角度变量，以δ表示。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过±23.45°的范围。夏天最大变化到夏至日的＋23.45°；冬天最小变化到冬至日的-23.45°，太阳赤纬随季节变化，按照库珀(Cooper)方程：

式中：n为1月1日开始的天数，1月1日，n＝1，以此类推。根据此公式，可以计算得到一年各天的太阳赤纬角^[12]。

2)太阳的时角计算

太阳时角用ω表示，他定义为正午时ω＝0，每隔一小时增减15°，上午为负，下午为正，例如上午9点为-15°×3＝-45°，下午3点为15°×3＝45°。

太阳高度角、方位角计算公式如下：

式中：α，β分别为高度角和方位角(°)；Ф为当地纬度(°)；δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.45°；ω为时角，上午9：00的时角为-45°^[12]。

根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，可以求出某地区、某天某一时刻的太阳高度角和方位角。

某地区、某天某一时刻的太阳高度角和方位角，为太阳光的固有特性，不随光伏阵列的安装方式改变。

光伏电站总平面布置与光伏电站所处地理位置的纬度、布置方式及是否采用跟踪装置密不可分。

1)对于固定式电池板阵列前后间距^[4]如图7所示。电池板的长度为Y，电池板的安装倾角为Z，电池板顶端的垂直投影点到后排电池板的底端间距为D。

Figure 7.  Fixed panel array spacing

电池板阵列前后排间距，国标要求冬至当天9：00～15：00太阳电池方阵不应被遮挡。光伏方阵阵列间距应不小于X。

2)对于新型双轴跟踪式电池板阵列前后间距示意如图8所示。

Figure 8.  Two-aixs tracking type battery array arrangement spacing

由于新型双轴跟踪，太阳光最佳入射角度为与电池板垂直，因此电池板的间距为：

西藏自治区阿里地区措勒县^[7]如图9所示。

Figure 9.  Line chart of horizontal solar monthly radiation

从统计数据分析，太阳能月总辐射量在冬至日的前后2个月内是最低的，新型双轴跟踪考虑冬至日前后一段时间内上午9点不垂直跟踪，适当减小间距，但要牺牲一定的发电量。

以转换率19.6%光伏组件，选定不同极限倾角时占地面积如表1所示。

从表1中可以看出，极限倾角的选定对占地面积有重大影响。

1)地理纬度对光伏阵列布置的影响

以转换率16%的光伏组件为例，不同形式、不同纬度下，10 MW光伏方阵占地面积^[13]如表2所示。

2)冬至日，地理纬度、时点对光伏阵列布置的影响地理纬度和垂直入射时点的选择对光伏阵列布置影响很大，如表3所示。

冬至日9点20的垂直跟踪的间距进行排布，大约上午，下午各有20分钟，经过折算，发电量折减按1%计算^[14]。按此排列其对应的参数如表4所示。

光伏阵列的具体布置直接影响土地使用面积、发电量、建设成本和运行维护等方方面面。从以上分析可以看出，地理纬度对光伏阵列的布置影响最大。在光伏阵列的布置上可以根据太阳能辐射的周期性特点，考虑部分时段不垂直跟踪，适当减小极限倾角，缩小前后排间的间距，从而节约土地资源、同时也节省成本，但必须牺牲一定的发电量。具体项目要根据具体情况作价值分析，找到最佳阵列布置方案。

由于新型双轴跟踪，所有光伏板同步转动，理论上只需要一个方位角和一个高度角检测装置，方位角跟踪也只需要一套驱动装置；高度角跟踪可以分区域集中供电驱动，相对节省成本。

根据目前市场中标情况，光伏电站总投资普遍在4.0元/W左右，为便于分析和比较，所有技术经济分析均按10 MW来折算，即10 MW地面光伏4 000万元。在上网电价0.88元/kWh，发电小时数为1 200 h，如果初始投资小于2.59元/W；在发电小时数为1 400 h，如果初始投资小于3.02元/W^[12]，则传统地面双轴跟踪式较地面固定式经济性好。中信博认为：“双轴虽然发电效率提升40%，但其支架成本达到3～4元/W，土地资源占有量是固定支架的两三倍^[15]”。因此，传统地面双轴跟踪式在多数情况下，经济性不是很理想。在此，仅以地面固定式为基础作比较。成本增加情况分析(如表5所示)。

按目前国家税收政策，增值税16%，前三年减半征收；所得税25%，前三年免征，第四到第六年减半征收；按平均年限法折旧，期限为25年；残值按照10%，70%贷款(贷款比例对度电成本影响很大^[16]，应尽可能降低贷款比例)，15年，年利率5%考虑；全国土地租赁费用差异很大，而且对经济指标影响很大，现暂按0.75万元/hm²考虑，水面光伏仅考虑控制室和升压站土地租赁费，水面租赁费在渔业中考虑。经营成本(如果规模扩大，可以较大幅度降低单位经营费用，经济性会更好)，如表6所示。

在光伏阵列布置上，根据不同地理纬度要在发电量、土地占用及投资方面作适当的取舍。

如前所述，水面光伏较地面光伏发电量增加7%～12%^[7]，双轴跟踪发电量增加35%～45%^[3]。双轴跟踪增加发电量取中间值40%，按谨慎性原则取38%、37%和36%考虑。水面较地面再分别增加8%、10%和12%。折现率按8%考虑，从静态投资回收期、动态投资回收期、净现值和内部收益率等方面比较(如表7所示)，新型地面双轴跟踪式较传统地面固定式有较大优势；新型水面双轴跟踪式考虑渔光互补，经济性较传统水面光伏发电经济性更好。

国家实行新能源电价补贴的退坡机制，新能源平价上网为最终目标，光伏发电项目经济性越来越差，特别是水面光伏，目前传统的水面光伏，大多采用固定打桩式或者漂浮式，尽管水面的降温作用使发电量有所增加，但桩基长度的增加或浮筒等漂浮体使成本增加更为明显，总体经济性很差，绝大多数项目是没有投资价值的。

新型双轴跟踪式尽管增加了钢结构和电动推杆等驱动装置，新型水面双轴跟踪还要增加浮筒等漂浮体，即增加了成本，但由于发电量增加更为明显。新型地面双轴跟踪其经济性较传统地面固定式更好；新型水面双轴跟踪其经济性与传统地面固定式比较接近，具有一定投资价值。如果再采用上层光伏发电、下层水产养殖，实现渔光互补，则具有更高的投资价值。

与传统地面光伏比较，新型地面双轴跟踪光伏主要优点有：

1)相对传统双轴跟踪节约用地：新型双轴跟踪，整个大圆盘从早到晚跟踪太阳方位角，没有左右方向投影。检修和清洗仅仅占用中间通道。中间固定圆心的区域可以建造半地室的配电室、集控室、储水箱或储气罐等。

与传统地面固定式占地面积相当，比传统地面斜单轴和双轴跟踪占地面积减少很多(如表8所示)。

传统的地面光伏电站：固定式、平单轴式、斜单轴式和双轴跟踪式，如果使用转换效率19.6%的光伏组件(某厂家405 W，2.067×0.998 m²叠瓦组件为参考布置)。以地理纬度35°为例(我国湖泊分布广大的地区，纬度大多在35°以下)，10 MW土地使用面积分别为：固定式12.0 hm²，水平单轴12.49 hm²，斜单轴21.88 hm²，双轴跟踪式23.84 hm²。新型双轴跟踪极限倾角69.67°，即间距8.633 m时(上午9点20分开始垂直入射)占地面积为14.67 hm²，实际安装中一般限定极限倾角为60°，占地面积要减小很多，如表8所示)。

2)提高能量利用率：由于占地面积略增，发电量增加40%左右，提高了单位面积能源利用效率。

3)输出电能更加平稳。

4)提高了经济性，发电量增加较成本增加更为明显，从而提高了经济性。

新型水面双轴跟踪除具有传统水面光伏的优点^[8]：占用极少土地、渔光互补、消纳方便、旅游效益、避免组件遮光、减少蒸发和藻类繁殖等。还具有以下优势：

1)跟新型地面双轴跟踪一样，节约占用水面、提高能量密度、输出电能更加平稳。

2)适应性更强，避免了传统水面双轴跟踪受水体深度和水位变化的限制；克服了传统水面光伏对于中、小型水体无法采用打桩船或者船舶抛投重物或者抛锚等形式来固定圆心。

3)缩短建设工期，由于建筑工程采用岸边回填后清除法施工，基本上属于陆上施工，减小施工难度和缩短建设工期。

4)技术经济性更好，如第四章的技术经济分析，在未考虑渔光互补的情况下，尽管建设成本有所增加，但由于发电量增加更加明显，经济性较传统水面光伏更好。

5)运营维护更加方便，在等间距的网状钢结构上采用龙门吊门型架结构的检修和清洗装置前后左右移动，特别是清洗装置可以采用类似于农业灌溉的装置，同时安装喷水和压缩空气喷头，以及清洗刷，清洗效率很高。较传统水面光伏依靠小船进行检修和清洗要方便很多。

综上，新型地面和水面双轴跟踪式有广阔应用前景。

新型双轴跟踪相对固定式：增加发电量、提高单位面积能源利用率、输出平稳、提高经济性；新型双轴跟踪相对传统跟踪式：节约地面(水面)、提高单位面积能源利用率、改善经济性。

新型水面双轴跟踪除具备传统水面光伏的优点：

1)占用极少土地、渔光互补、消纳方便、旅游效益、避免组件遮光、减少蒸发和藻类繁殖等。

2)对水体面积大小、深浅和水位变化适应性强。

3)由于建筑工程多采用岸边回填然后清除的施工方法，基本上属于陆上施工，减小施工难度和缩短建设工期。

4)较大多数传统水面光伏依靠小船进行检修和清洗，运营维护更加方便。

5)新型双轴跟踪光伏发电技术具有很大的应用前景。