光伏发电系统增加单轴跟踪装置的经济性分析

光伏发电系统增加单轴跟踪装置的经济性分析

田顺红

海兴京兴新能源有限公司 河北沧州 061200

摘要：在以往的光伏系统使用过程中，主要利用的是固定式的光伏系统。随着科技和社会的飞速发展，出现了许多单轴跟踪光伏系统，这种光伏系统主要包括三类，分别是东西向和南北向的平单轴，以及斜单轴。这三种单轴跟踪光伏系统，相比于以往的固定系统在一定程度上增加了成本的收入年数，在偿还增加的成本以后，还存在着每年的净收益。本文将这三种单轴跟踪光伏系统和以往的固定系统进行了对比，同时详细分析了这三种系统针对不同地区的基本原因状况，方便各个地区高效选择更具经济性的单轴跟踪系统。

关键词：光伏发电；单轴跟踪装置；经济性分析；成本；年净收益

在日新月异的现代社会，人们对电力的需求不断增加，各个光伏电站需要通过各种可行的方式，不断加强发电过程的效率。在当下的许多发电站，正在逐步推进太阳跟踪系统的规范安装。目前的跟踪系统主要有两类，一类是单轴，另一类是双轴。后一类会消耗更多的成本，稳定性也较低，使用的范围较窄。而单轴系统则在各大光伏发电站受到了广泛的欢迎，存在其独特的优势，可以对单一的运动轨迹进行调整，进而提高入射角的精确程度，同时实现对光照强度方位的优化跟踪。

1. 具体算法分析

在以往的固定光伏系统中，最佳的倾角，一般来说确定的方式很单一，就是最大的太阳辐射量时的具体倾角。在进行光资源的相关分析时，需要利用好专门的软件，这种软件中会提供好全球的基本气候状况，存在着较为完整的数据库。在三类单轴跟踪方式的利用过程中，会相较于固定式光伏系统增加一部分成本的收回年数，这种收回年数，存在着固定的计算公式[1]。公式的左面时增加成本的收回年数（记为y），右面的分子上，首先利用单轴跟踪系统的具体价格（记为m2）减去固定式支架的价格（记为m1），然后再乘上峰值的日照（记为Wp）。在右面的分母上，首先在单轴跟踪和固定式年太阳辐射量之比（记为N2）的基础上减去1，然后在乘上三个量，分别是固定式的年太阳辐射量、光伏上网单价和电池方阵总功率和上网的交流电功率之比（分别记为Q，m3和N1）。具体公式如下：

y=Wp(m2-m1)/Qm3N1(N2-1) （1-1）

在这个公式的基础上，需要首先固定N1，m1和m2的数值，分别记为0.8,1.2元/w，4.5元/w。在这里的计算中，需要省略掉追踪耗电的费用。

2. 东西向平单轴

地球上的太阳辐射总量，和纬线圈是息息相关的，一般来说和它们是呈现平行的关系，同时还会表现出带状的分布特征。除了纬线圈以外，海拔高度也会直接影响到太阳辐射。海拔高度存在着不同，会导致在不同海拔的地区大气透明度存在着较大的差异。而在太阳辐射时，由于削弱作用的存在，而削弱作用又和大气透明度息息相关，因此大气的透明度可以间接深刻地影响到太阳辐射的总量。在进行东西方向的平单轴研究时，主要研究的方向是纬度和海拔的变化带来的太阳辐射的变化特点，并总结出一些趋势。按照上述的公式，可以基本得到在这种跟踪方式下增加成本的收回年数[2]。在这种跟踪方式下计算出来的增加成本的收回年数，呈现在维度-海拔三维平面坐标图上时，会出现边缘的不整齐现象，主要由于区域中的海拔高度难以满足取值的上下限。在选择的区域中，增加成本的收回年数存在着下限，都超过了18a，最高的区域达到了200a以上[3]。从整体来论述，这种东西方向的平单轴跟踪方式，并不能很好地进行单独的跟踪，最好不要进行单独的选择。在进行这种跟踪方式的讨论时，需要忽略掉收回年数的基本分布状况，除此以外，偿还以后的年净收益也不需要进行额外的考虑。因为在这种跟踪系统内部，增加成本的收回年数存在着下限，下限又相对较高。

3. 南北向平单轴

除了东西向平单轴跟踪以外，南北向平单轴跟踪也是一种重要的跟踪方式。利用上述给出的公式，也可以进行很好的增加成本的收回年数的计算。在南北向的单轴跟踪中，有一半以上的区域中，增加成本的收回年数存在着一定的上限，控制在14a以下的数值。站在光伏发电站的角度思考，这种跟踪系统存在着一定的实用价值。从整体状况分析，在纬度和海拔都很低的区域中，数值较高，随着两个因素的不断增加，数值在不断减少。主要的原因在于，在我国的区域内，太阳辐射在东南方位较弱，在西北地区较强，从东南向西北不断递增。在北纬三十度以上海拔较低的位置，数值和维度呈现出负相关。而在海拔较高的地区，数值则又会和纬度呈现出正相关。这种现象的产生，存在着许多的原因。在我国，东部的太阳辐射状况基本随纬度增加而增加，而公式中N2的数值也是如此，因此呈现出最终的结果。而在西部地区，太阳辐射量随着纬度增加而减少，和最终的结果之间也不相互违背。在相同的纬度条件下，数值会随着海拔的不断升高而呈现出下降的趋势。主要的原因是在高海拔的地区，随着海拔数值的不断增加，大气柱的厚度在下降，使得大气的透明度不断升高，进而降低了削弱作用，获得了更多的太阳辐射。

在北纬二十五度到三十二度之间的区域，当海拔较低时，收回年数会出现两个涡旋，主要的原因是地形和季风的影响。在这一区域中，存在着许多的盆地、山脉和丘陵，这些地形的存在会阻止冷气团南下。除此以外，在这段区域中，季风较为盛行，会侵入产生干扰。在这一区域内，由于这两个因素的干扰，会进一步导致云量的增多，大气透明度随之减少，削弱作用增加，晴天较少，太阳辐射的总量较低，进而使得这片区域内的收回年数比附近的其他地区要稍微多一些。

在海拔较低的区域中，收回年数首先会呈现出较大的梯度，但随后又会不断收紧。在海拔较高的区域，收回年数的梯度表现出一直很小的状态。在纬度较高和海拔较大的地区，N2呈现出较慢增长的状态，进而使得收回年数的梯度呈现出较小的趋势[4]。

在这一系统中的偿还增加成本后的年净收益计算过程中发现，北纬的二十八度到三十一度地区，海拔控制在2800到3500之间的年净收益较高。而在北纬二十五度到三十一度之间海拔较低的区域，年净收益较低。在北纬三十四度以上，海拔较低的区域内，收回年数较高同时年收益较低，表明在这些区域中，最好不要单独使用这种跟踪方式。

结论

在本文所讲述的区域内部，光伏发电站利用跟踪方式提高发电效率的过程中，尽量不要单独使用东西向的单轴跟踪方式，这种方式的收回年数普遍较高。在北纬三十五度以上，同时海拔较高的地区，南北向的平单轴增加成本收回年数一般都会较低，存在着上限，上限大致为14a。在北纬三十三度以上的地区，同时海拔高度较高的区域，增加成本收回年数较低的是斜单轴跟踪，尤其是在北纬三十六度以上海拔两千五百米以上的区域，最适宜选用斜单轴跟踪。在北纬的二十五度到三十二度之间的区域，海拔较低的位置，一般不能单独使用这三种跟踪方式中的任何一种，通常需要将这种跟踪方式进行混合使用。通过对这三种跟踪方式的高效选择和使用，可以不断提高发电过程中的经济效益，同时进一步保障发电的效率。

参考文献：

[1] 李欢东, 许启明, 石鑫. 侧拉式斜单轴太阳能跟踪装置的设计及发电效率研究[J]. 机械科学与技术, 2016.

[2] 刘星雨. 光伏电站平单轴跟踪系统阴天水平与跟踪情况发电量对比分析[J]. 电子工程学院学报, 2020.

[3] 程坤. 渔光系统跟踪解决方案——大跨距系统在渔光互补中的应用与经济性分析[C]// 中国可再生能源学会;上海市太阳能学会. 中国可再生能源学会;上海市太阳能学会, 2017.

[4] 李志英, 翟杰, 魏继松,等. 一种倾角可调的单轴跟踪光伏发电装置:, CN205754171U[P].