李倩（通讯作者） 李国宾 金清山 罗全兵
（河北张河湾蓄能发电有限责任公司 河北石家庄 050300）
摘要：通过介绍不同安装方式的光伏系统，并进行不同跟踪方式光伏发电系统的试验测试，对比在高海拔低纬度地区光伏系统常规的固定式、垂直单轴跟踪、平单轴跟踪、双轴跟踪以及水平面固定安装方式下，光伏组件接收的辐射量和发电量，比较6种安装方式下光伏组件的发电能力，同时计算在相同外界环境气象因素的情况下发电量的提高比。结果显示，双轴跟踪全年发电量较固定水平面安装可提高约44％，南北单轴跟踪提高约34％，垂直单轴跟踪提高约28％，东西单轴跟踪提高约16％，固定倾角安装提高约8％，同时也进一步证明了跟踪系统可以大幅地提高光伏组件的发电量。
关键词：光伏发电；不同跟踪方式；太阳辐射能量；光伏发电量
引言
由于能源危机与环境问题的形势日益严峻，光伏发电等新能源的开发和利用得到了世界各国的广泛关注，越来越多的国家开始采取鼓励新能源的政策和措施，新能源的生产规模和使用范围同时也在逐渐扩大。在《京都议定书》一期结束后，“后京都”时代新的温室气体减排将进一步促进绿色经济以及可持续发展模式的全面进行，新能源正在迎来一个发展的黄金年代。
在所有太阳能的利用设备中，如果能量接收平面及光伏组件可以垂直于太阳光的入射光线，就能够在单位的面积内收集并转化更多的太阳能量。然而由于种种的原因，在实际应用中跟踪系统的利用普遍较低，还有很多太阳电池组件仍然采用固定的方式来进行发电，这样虽然安装和控制简便，但是造成大部分时间太阳光不能直射组件，会产生极大的浪费。已有的研究中，通常仅仅模拟在平原地区跟踪系统与固定式安装方式下光伏阵列所接收的辐射量，却很少有同时研究光伏阵列在不同跟踪方式下发电量的提高比例。
本文通过采集和分析云南省昆明市地区不同跟踪方式下照射在组件上的太阳辐射量，根据太阳辐射随时间的变化特点，对不同跟踪方式下光伏组件的发电量进行模拟计算，通过数据分析验证了跟踪方式可以不同程度的提高发电量。本研究成果可为高海拔低纬度地区的光伏系统工程优化设计提供参考依据，为实施不同跟踪方式提供了有力的数据支持依据。
1安装方式简介
为了最大限度地利用太阳能，光伏发电系统通常采用最佳倾角的固定安装或者使用光伏跟踪装置等安装方式；而主要的跟踪方式有垂直单轴跟踪、东西单轴跟踪、南北单轴跟踪和双轴跟踪等。
1.1固定式
固定安装方式是直接将太阳电池组件朝向低纬度的地区放置，并与地面成最佳倾角，以串并联的方式组成阵列从而达到光伏发电的目的。
1.2跟踪式
垂直单轴跟踪是指将采光平面固定在垂直于地面的旋转轴上，由东至西跟踪太阳轨迹，采光平面按照倾斜角度布置，倾斜角度一般为当地当月最佳倾角。南北单轴跟踪是指采光平面的轴线南北水平布置，由东至西跟踪太阳轨迹，采光平面的倾角为0～180°。东西单轴跟踪的旋转轴与水平面东西方向平行，以改变太阳电池组件的仰角，从而跟踪太阳轨迹。根据坐标轴的不同种类，双轴跟踪可分为极轴式跟踪和高度角-方位角式跟踪，而本文所研究对比的双轴跟踪方式是高度角-方位角式跟踪。
Fig.1 光伏阵列的安装方式
a.固定倾角安装b.垂直单轴跟踪c.南北单轴跟踪d.东西单轴跟踪e.双轴跟踪
2跟踪模型选择
为了全面分析不同跟踪方式下光伏发电系统的太阳辐射利用率，本文搭建试验平台对采用固定支架、垂直单轴跟踪系统、南北单轴跟踪系统、东西单轴跟踪系统和双轴跟踪方式安装的光伏系统发电量进行测试分析，并对不同形式光伏系统的发电量进行了计算结果以及对比分析。这些模型基本涵盖了目前实际应用中的所有光伏阵列安装方式，具有代表意义。
基于上述跟踪方式，对昆明地区2016年1月——12月不同跟踪方式下的太阳辐射量进行了计算分析。利用RETScreen软件模拟得到昆明地区固定式安装的全年最佳倾角为25°，故将固定安装方式的采光平面的倾角设置为25°。
如图2所示，在光伏发电系统中组件朝向与正南方向的夹角A为光伏组件的朝向角度，组件平面与地面的夹角B为光伏阵列与水平面倾角。模型中系统A和系统B为光伏阵列固定安装方式，阵列朝向正南与水平面的夹角分别为0°和25°；系统C为垂直单轴跟踪方式，旋转轴与水平面垂直，太阳电池阵列表面与水平面夹角为25°；系统D为东西单轴跟踪方式，旋转轴与水平面东西方向平行；在系统E为南北单轴跟踪方式，旋转轴在水平面上的投影与南北向经度线平行，旋转轴与其在水平面投影的夹角为0°；系统F为双轴跟踪方式，光伏阵列可绕两个旋转轴转动，第一个旋转轴与水平面垂直，第二个旋转轴与水平面平行。
Fig.2 跟踪模型示意图
3试验结果与分析
3.1试验条件
在进行测试设计时，将项目地址选择在太阳能资源丰富的云南省昆明地区，位于北纬25.07°，东经102.68°。昆明市属北纬低纬亚热带-高原山地季风气候，昆明地势北高南低，平均海拔1894米。地处云贵高原中部，纬度低，海拔高，加之有高原湖泊滇池、阳宗海调节温湿度，形成“夏无酷暑，冬无严寒”四季如春的宜人气候，日照长，霜期短，年平均气温为15℃，年平均降水量1035毫米，相对湿度74％且降雪年份极少有。
根据气象数据监测系统收集的气象数据显示，测试时区内该地区平均室外温度为15.8℃，年地面辐照总值为1504kWh/m2，年散射辐照量总值为741kWh/m2。采用相同规格的太阳电池组件（制造商：Simax（Suzhou）Green New Energy Co.，Ltd.，Model：SM572-190，组件数：6，开路电压：44.5V，短路电流：5.52A，最大功率点电压：36.5V，最大功率点电流：5.21A）。
3.2试验结果与分析
基于上述模型，对云南省昆明地区2016年1月——12月光伏阵列在不同跟踪方式下获得的太阳辐射量和发电量进行模拟与计算分析，1月-12月的平均室外温度与最高室外温度见图3。
Fig.3 室外温度
如图4所示，在我们测试的时间里，光伏组件在不同跟踪方式下获得的太阳辐射量有着很大的差别。通过采集得到系统B、系统C、系统D、系统E、系统F的总辐射量数据，其相对于平面系统A，组件接收到的辐射量分别都有了一定程度的提高。
Fig.4 照射在光伏组件上的辐照量
太阳辐射量的年平均利用系数由高到低依次为双轴跟踪，南北单轴跟踪，垂直单轴跟踪，东西单轴跟踪，固定倾角25°安装，固定平面安装。双轴跟踪全年所获得的太阳辐射量是水平面的1.44倍，南北单轴跟踪全年所获得的太阳辐射量是水平面的1.34倍，垂直单轴跟踪全年所获得的太阳辐射量是水平面的1.28倍，东西单轴跟踪全年所获得的太阳辐射量是水平面的1.16倍，而固定25°倾角安装全年所获得的太阳辐射量是水平面的1.08倍。由于双轴跟踪时刻跟踪太阳，太阳入射角始终近似为0，故在所有安装方式中，双轴跟踪提高的比值最大。
Fig.5 不同跟踪方式光伏系统的直流发电量
根据测试结果，将6种系统类型的发电量汇总，得到发电量情况如图5所示。由图中数据可以得到，太阳电池组件的发电量取决于照射在组件上的太阳辐射量的多少，不同跟踪方式发电量的提高比与太阳电池组件所接收到的太阳辐射提高比基本保持一致。
测试结果中出现了在夏季以及秋季发电量较低，而冬季与春季发电量较高的现象。这是因为云南省的太阳能资源十分丰富，在冬季春季往往是晴空万里，而夏季则较多出现的是阴天和雨季。
根据统计结果可得出结论如下：
1）比较于其它跟踪系统，系统F在所有情况下都能够最大效率的利用太阳辐射能量。理论上直射到系统F的光伏阵列表面的太阳辐射强度就是实际到达地球表面的太阳辐射强度。因此，系统F的变化曲线可以代表实际太阳辐射强度。而固定平面安装光伏阵列即系统A的全年太阳辐射利用率最低。
2）采用固定倾角安装方式系统B在9月-次年3月的发电量高于平面固定安装方式系统A，小于其他跟踪系统，而在5-8月份发电量小于系统A，是由于冬季时太阳高度角较小，25°固定倾角安装方式获得的太阳辐射量大于水平面，而夏季时太阳高度角较大，水平面获得的太阳辐射量较大。
3）春夏秋3季，南北单轴跟踪与双轴跟踪的发电量基本相同，而东西单轴跟踪与平面固定方式的发电量也基本相同。就三种单轴跟
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踪来看，在冬季，南北单轴跟踪、东西单轴跟踪、垂直单轴跟踪的发电量相差不大，而在春夏秋3个季，南北轴跟踪明显优于垂直轴跟踪，而相同的垂直轴跟踪又优于东西轴跟踪。这是由于冬季太阳直射南半球，太阳高度角较小，所以三种跟踪方式获得的太阳能量基本相同。而夏季太阳直射北半球，太阳高度角较大，南北轴跟踪的太阳入射角小于垂直轴跟踪，所以南北轴跟踪夏季获得的太阳辐射量高于垂直单轴和东西单轴跟踪。
4）系统B、C、D、E、F与水平布置的系统A发电量的比值a，均由夏至冬逐渐增大，由冬至夏逐渐减小，6月的a值最低，12月的a值最高。在一年中双轴跟踪的a值变化幅度最大，垂直单轴跟踪的a值变化最为平缓。夏季太阳直射北半球，夏季的太阳高度角大于冬季同一时刻的太阳高度角，夏季水平面获得的太阳辐射量大于冬季，故a值呈现冬高夏低的趋势。
4结论
本文对不同跟踪方式下的光伏系统接收的太阳辐射量和发电量进行了试验测试分析，对比研究不同跟踪方式对光伏组件发电量的影响。测试和分析结果表明，采用跟踪方式的采光平面接收的太阳辐射量比水平面有较大提高，最高可提高80%以上。提高幅度由大到小依次为双轴跟踪，南北单轴跟踪，垂直单轴跟踪，东西单轴跟踪，固定倾角安装。在冬季跟踪系统更能有效的利用太阳辐射能量，5种跟踪方式每个月的发电量与平面布置的发电量比值，都具有冬季高、夏季低的特点。
光伏发电工程系统采用何种安装方式，须兼顾系统的性能和经济性。采用双轴跟踪方式虽然可以最大效率的利用太阳辐射能量，但是其控制和机构复杂，系统维护费用高昂，应用的经济性不高。而采用单轴跟踪方式能够得到比固定安装系统更高的太阳辐射利用率，并且其成本较低，控制简单，在实际应用中具有一定优势。因此，对于全年利用的并网型光伏系统来说，选用单轴跟踪可以获得较高的收益。通过仿真测试结果，也进一步证明了不同跟踪系统可以不同程度的提高光伏组件的发电量，达到了提高太阳能利用的预期目标，具有很高的推广价值。
作者简介：
李倩（1993-），女，工程师，主要从事抽水蓄能电站运行维护工作。
论文作者:李倩（通讯作者）,李国宾,金清山,罗全兵
论文发表刊物:《河南电力》2018年20期
论文发表时间:2019/4/30
标签：发电量论文; 方式论文; 太阳论文; 辐射量论文; 光伏论文; 系统论文; 水平面论文; 《河南电力》2018年20期论文;