农光互补光伏跟踪系统技术探讨

许礼彬

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌330096）

0 引言

为应对全球气候变化，减少温室气体排放，风电、光伏等可再生能源的开发已经成为国家的能源的主要发展方向，尤其是光伏，是目前国内新增装机量最大的新能源。

在光伏项目中，光伏组件阵列的安装方式对发电系统接收到的太阳能辐射量有很大的影响，在实际的工程应用中，投资方也在尽可能采用跟踪系统去提高项目的发电量，以带来更大的收益。

光伏组件的安装方式有固定式、倾角季度调节式和自动跟踪式三种形式，不同的安装方式，会带来发电量的差异，影响到光伏发电系统的发电能力及电站的投资收益率。其中自动跟踪式包括单轴跟踪式和双轴跟踪式。单轴跟踪式（即水平单轴跟踪、斜单轴跟踪）只有一个旋转自由度，即每日从东往西跟踪太阳的轨迹，来提高发电量；双轴跟踪式（全跟踪）具有两个旋转自由度，可以通过适时改变方位角和倾角，来跟踪太阳轨迹，提高发电量[1]。

1 新型跟踪系统的介绍

传统双轴跟踪系统，是方位角和俯仰角两个方向都可以运动的跟踪系统，双轴跟踪系统可以最大限度的提高太阳能设备利用太阳能的效率。采用双轴跟踪可大大提高年均发电量，但其缺点是单价高，故障也多，在工程实际应用中投资和运维成本高。

针对传统的跟踪系统的缺点，江西省电力设计院在工程设计中，应用了一种新型光伏双轴跟踪系统，既提高了工程项目的发电量，又比传统的双轴跟踪降低了成本。同时还把光伏的跟踪系统和农光互补的理念相结合，提高了整个工程收益，同时又实现了项目农业的增值，还带来了旅游的附加增值[2]。

2 新型双轴跟踪系统的特点

传统的太阳能电站跟踪系统普遍存在可靠性不够、抗风能力差、成本高、维修困难等问题。太阳能发电效率不高制约其大量应用。提升发电效率，大规模使用太阳能光伏跟踪技术一直是追求目标，该双轴跟踪系统有效解决了上述问题[3]。

该跟踪系统是一种双轴联动控制方式，跟踪系统采用天文坐标控制，实现电池板在太阳的东西向和南北向同时跟踪太阳，单个控制器和转动轴可同时控制连接在南北向上的多组跟踪组件子系统，达到双轴联动控制，大幅提高控制效率，降低成本。并且实现了光伏与农业的有机结合，此双轴跟踪系统技术应用范围极广，除彩钢屋顶外，均能使用，该新型跟踪系统的支架示意见图1。

图1 新型双轴跟踪支架示意图

2.1 实现全方位实时跟踪

采用太阳天文坐标控制，光伏组件子系统的东西和南北向两个方向的转动，实现了全面实时地跟踪太阳运行，达到了智能光伏双轴跟踪控制。确保一天之中光伏组件始终处在最佳受光角度，可极大提高光伏转换效率，提升发电量超过15%以上。控制系统采用最可靠最常用的PLC电机减速器的组合，确保了双轴跟踪系统的可靠性。

此系统采用视日轨迹跟踪方案，根据当地经纬度，时间等因素计算太阳高度角、方位角。在PLC编程过程中充分考虑工程现场情况，选择以东西方向为主跟踪方向轴，南北方向作辅跟踪轴。控制单元由上位机组态WINCC和PLC控制器组成，用于实现监控各路光伏阵列的机架位置状态等核心功能。执行单元由交流减速电机和减速机组合而成。反馈单元通过双轴倾角传感器实时测量机架角度信息，并反馈到PLC中运算控制，其跟踪控制系统见图2。

图2 跟踪控制系统图

通过编程实现对光伏板东西方向转角、南北方向斜角的计算，PLC通过数字量模块输出，控制固态继电器的通断从而控制电机的正反转，在此基础上结合倾角传感器测量的角度反馈，实现光伏板旋转定位。

跟踪系统采用的角度传感器精度为±0.3°（±0.30），跟踪控制太阳每走2°电机转动一次，即控制角度在太阳角度的±1°之间。当角度传感器传回的光伏板跟踪角度与PLC内计算得到的太阳角度相差超过一定角度则电机转动一次，将光伏板跟踪角度调整到与PLC中计算的太阳角度一致。以减少执行机构动作次数，延长电机使用寿命，同时起节能作用，电机的控制原理见图3。

图3 电机控制原理图

每个光伏阵列布置一个跟踪系统控制柜，安装在箱变逆变平台上。控制柜的电源从箱变小干式变压器引接，需要380 V/220 V容量约5 kVA，控制柜可以通过RS485或者以太网与光伏阵列监控系统通信，至通过光纤环网传输至后台。

针对一个光伏方阵，几十个电机控制回路，如果同时启动，执行转动命令，导致的后果是配电线路上瞬时启动电流大，负荷高，造成不必要的线路损耗和经济成本。因此，对于单个方阵而言，电机分组启停的控制方法能够有效地解决这个问题，同时不影响追光的效果。

2.2 提高系统强度和抗风能力

双轴跟踪支架立柱采用相互连接支撑的桁架结构，彻底解决了光伏支架系统的抗风问题。将电池阵列板的一端用特制的绳索进行拉动控制，增大电池板稳定性同时有利于跟踪转动自如，从根本上解决了风的震荡性和跟踪系统的寿命问题，组件的支架示意见图4（单位：mm）。

光伏支架采用桁架结构，单元可根据地形条件自由组装，形成一个整体，提高支架的抗风性、抗震性。

图4 组件支架示意图

根据其结构，支架的受力示意见图5，从图中可以看出支架采用桁架式结构设计，分散受力，支架稳定性更好；同时，支架与支架间相互联结，桩基受力分散到整个子阵，使桩基受力更均匀，杜绝单个桩基受力过大的现象，降低桩基施工难度，从而减少桩基用量，大大降低桩基施工成本。

图5 桁架式结构，分散支架受力

支架采用桁架式结构设计，直流电缆可沿支架线槽安装，减少开挖及电缆投资成本，同时避免在支架下方施工时对电缆造成的威胁，提高电站安全性。

2.3 大幅度降低了光伏跟踪系统的成本

采用最普通的控制方案，电机减速器组成控制系统。控制系统上改进采用一个控制电机带动，通过万向节传动，实现多块电池阵列板联动，最多可实现18个光伏支架跟踪联动，同时也实现使用100W的电机，通过绳索的力矩放大作用，只需很小的扭力拉动18个光伏支架运动，实现电池板随着太阳照射变化跟踪。这样一来，控制系统数量减少、跟踪用电量降低、取消传统跟踪的昂贵电机和减速器，大大降低了传统光伏跟踪系统的成本。实际的电机控制从图6中可以很直观地看出，跟踪系统更换较为简单，维修方便，普通技工即可自行更换、维修。

图6 现场电机照片

2.4 占地面积小、实现农业耕种方便、对农业生长影响小

新型双轴跟踪系统可随地形的变化自动调整，光伏板全面安装在2.8 m以上的高度，每亩地18根金属立柱只占用千分之五的占地面积，不需要开挖土地直接摆放在地面上，光伏板采用百叶窗的结构，支架下面光照度更加均匀，不影响光伏板下作物的正常生长，而且完全不影响农业耕种作业。

2.5 基础简单、制作周期短

支架基础采用品字形预制混凝土块形式，预制块大小为600×600×400（mm），为抗基础整体滑移，基础埋入地面300 mm，实际制作形状见图7。

图7 预制块基础大样图

2.6 安装简单、节省施工时间

光伏组件安装架采用现场流水线组装、整体吊装，在地面完成单元的组装，大大降低对工人技术素质的要求，做到完全不损坏组件及支架，并大大提高安装效率。

3 新型双轴跟踪系统和传统固定式的比较

3.1 占地比较

以下为江西省电力设计院设计的一个项目的光伏电站实际布置图纸，此工程布置有新型双轴跟踪系统和固定式两种方式的光伏阵列，其布置对比见图8、图9。

布置图中陈列17为固定式方案，容量为1.113 84 MWp，其它陈列为双轴跟踪方案，陈列13容量为1.135 68 MWp。

图8 光伏电站固定式和双轴跟踪系统布置对比图

图9 光伏电站固定式和双轴跟踪系统最小单元布置对比图

根据现场布置图纸得出固定式占地指标23.1亩/MWp，双轴跟踪系统占地指标33.74亩/MWp，固定式和双轴跟踪系统占地之比为：1：1.46

3.2 发电量比较

以江西省电力设计院设计的实际工程项目为例，该项目双轴跟踪和固定式实际运行数据见表1。

项目装机容量一期为20.049 12 MWp，其中双轴跟踪支架系统容量为17.821 44 MWp（共16个方阵），固定式支架容量为2.227 68 MWp（共2个方阵）。

表1 2017年～2018年月发电量数据表

根据2017年5月至2018年1月的发电量分析显示，双轴跟踪支架系统比固定支架系统的发电量平均提升13.1%。

另外一个采用此种双轴跟踪支架的光伏电站的实际运行值如表2。

下表为光伏电站2017年12月份上报的发电量数据。

表2 截至2017年12月31日统计的发电量和其它参数数据表

本工程2016年3月底全部投运，从上述数据表中可以知道，本工程2017年全年的发电量为9 198.357万kW·h，由于2016年3月底开始计量发电量数据，所以2016年只有9个月的发电量，2016年9个月的发电量为6 981.331万kW·h。

为了便于比较，把2016年前3个月的数据参照2017年的实际运行数据，得出2016年全年的实际运行的发电量为6 981.331+1 750.98（2017年前3个月的发电量）=8 732.311 kW·h。

做固定式、双轴跟踪理论计算和实际运行数据对比如表3：

表3 固定式、双轴跟踪理论计算和实际运行数据对比表

从已经运行的1年9个月的发电量可以看出，本工程采用的双轴跟踪系统相比固定式发电量有15%以上的提升，而且提升的发电量超过较多，因此可以得出，本工程采用的双轴跟踪系统15%发电量的提升是确定的。

3.3 新型双轴跟踪系统的其它优点

新型双轴跟踪系统可随地形的变化自动调整，光伏板全面安装在1.8 m以上的高度，可根据需要调整高度，每亩地18根金属立柱只占用千分之五的占地面积，底座基础只需要浅挖土地直接摆放在地面上。因此，支架下面有充足的空间进行农业种植。因此考虑将太阳能发电与农业有机结合，太阳能发电的同时，在光伏板支架下方进行农业种植，实现一地两用：

1）有效解决了在江西等南方的农林业大省建设地面光伏电站的用地问题，电站基础未破坏土地的耕作层，土地开发模式得到省市县各级土地管理部门领导的认可。

2）原有土地很多是杂地、荒地、弃用地，通过光伏项目工程开发，经过高标准的整理，使得原有地得到综合开发与利用，产生显著的社会效益和经济效益。

4 结语

在光伏项目的开发和投资决策中，尽可能减少工程投资并提高项目的发电量是项目的两个关键，也是设计院要着力为业主解决的问题。在农光互补类型的光伏设计中，结合光伏电站的土地性质，怎么样采用新技术、新工艺将太阳能发电与农业有机结合，最大实现光伏、农业和农业的附加值，是我们一直需要探索和工程实践中去努力解决的问题。