倾角可调的斜单轴太阳能跟踪系统简易结构

黄 勇

（上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241）

倾角可调的斜单轴太阳能跟踪系统简易结构

黄 勇

（上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241）

目前斜单轴太阳能跟踪系统多为倾角固定式结构，为了进一步提高斜单轴跟踪系统的发电量和规模化应用，现提出一种倾角可调的斜单轴跟踪系统简易结构，并以上海地区为例，对其结构特性和适用范围进行了分析研究。该种简易结构为斜单轴跟踪器的角度调整提供了一个新的思路。结果表明该种简易结构实用性强、成本低，值得推广应用。

太阳能跟踪系统；斜单轴；倾角可调；支架结构

1 引言

近年来人们对能源、环境问题日益关注，新能源的利用越来越受到重视。太阳能作为一种清洁的新型能源，其应用领域越来越广泛。在我国太阳能资源非常丰富，但太阳能也存在能量密度低、间歇性等缺点，其光照强度和光照方位也会随着时间和气候不断变化，因此如何充分利用太阳能，提高太阳能利用率则是一个必须解决的问题。目前对太阳能的利用主要有光热利用和光电利用两种方式。

在太阳能光伏发电系统的应用中，影响太阳能利用率的环节和因素很多，如：光伏组件的效率、逆变器效率、变压器效率、交直流线损及配电损耗等。在这些影响因素中，各种损耗可通过优化设计、运行维护来适当降低，进而提高系统效率，但幅度空间有限。光伏组件、逆变器、控制器、变压器等设备的效率，在现有科学基础上更很难有大幅度提升，同时也会消耗大量的人力物力财力，且收效甚微。

除了上述影响因素外，还有一个很重要的影响因素却往往为人们所忽略，那就是光伏支架。人们往往忽视光伏支架的重要性，也很少能像研发光伏电池和逆变器那样投入过多的精力和人力物力，因此光伏支架在一个光伏系统中通常被处于次要位置、通常也不能充分发挥出光伏支架对整个光伏系统效率和发电量的贡献。而事实上，设计合理的光伏支架可以大幅度提升光伏系统效率，其潜在空间很大、投资回报率很高。

目前的光伏支架大致有以下几种型式：

最佳倾角固定式支架、按一年四季特性手动可调式支架、水平单轴跟踪式支架、斜单轴跟踪式支架、双轴跟踪式支架。其中最佳倾角固定式支架为目前光伏电站最常用也是最主要的支架形式。

不同光伏支架形式的本质区别在于光伏系统发电量的差别和成本的差别。采用跟踪式支架比采用固定式支架的光伏系统发电量高，不同纬度下，发电量提高率会有所不同。相比较于采用最佳倾角固定式支架的光伏系统，采用水平单轴跟踪式支架的光伏系统可提高发电量约20%-30%，采用斜单轴跟踪式支架的光伏系统可提高发电量约25%-35%，采用双轴跟踪式支架的光伏系统可提高发电量约35%-45% 。在成本方面，双轴跟踪式支架相对较高，且其结构及控制复杂、可靠性稳定性差。固定式支架，因结构简单，安装维护方便，成本低，被广泛应用，但其限制了光伏发电量的进一步提高。单轴跟踪式支架在发电量和成本方面，介于双轴跟踪支架和固定式支架之间，其中斜单轴通常更优于水平单轴。

把斜单轴跟踪式支架和按一年四季特性手动可调式支架的特性结合起来，优势互补，可以形成倾角可调的斜单轴跟踪系统，其发电量相比较于固定倾角的斜单轴跟踪系统，发电量进一步提高，与双轴跟踪系统相比,其发电量已非常接近，成本方面却比双轴跟踪系统低得多，投资回报率非常高，优势明显。

虽然倾角可调的斜单轴跟踪系统优势很多，但目前还只停留在概念上，国内还没有此类光伏系统的规模化实际应用，究其原因，主要有以下几方面：

（1）与普通斜单轴跟踪系统相比，倾角可调的斜单轴跟踪系统其概念上的结构还是很复杂。

（2）安装、调节麻烦，加工、维护成本高。

（3）可靠性低。对于应用在荒漠地区、高寒高海拔地区、风沙雨雪较多的地区的大规模光伏电站，其调节难度大、调节工作量大，跟踪故障率高，可靠性低。

上述原因，严重制约了倾角可调的斜单轴跟踪系统的在实际光伏电站中的规模化推广应用，其价值和优势无法得到体现。

针对上述问题，现提出一种结构简单、安装维护方便、成本较低、稳定可靠的倾角调节新思路和角度调整的简易结构，并研究其适用性。

2 斜单轴太阳能跟踪系统的倾角调整形式

2.1对目前已有几种倾角调整形式的分析

目前倾角可调的斜单轴跟踪系统，主要有类似图1和图2所示的两种或多种变通形式，且只处于概念上倾角可调或仅仅处于试验室的研究试制阶段，并未形成实际意义上的项目应用。

图1　斜单轴跟踪系统单侧调整结构示意图

图2　斜单轴跟踪系统双侧调整结构示意图

图3　斜单轴跟踪系统双侧调整结构示意图（0度倾角状态时，A-A剖视）

图 1所示结构中，前立柱为单立柱铰链结构，后立柱为附带伸缩调节杆结构。后立柱的结构形式可以是I型单立柱结构或八字形双立柱结构。斜单轴跟踪系统的角度调整是通过调整后立柱附带的伸缩调节杆的伸缩量来实现角度的调整。该种角度调整机构，表面上似乎角度很容易调整，但实际应用上角度调整功能实现结构复杂、麻烦，且无法完全实现四个季度的多角度完美调整。以上海地区为例，假设春夏秋冬四个季度需调整的倾斜角度分别为10°、0°、26°、46°，共四种角度，图1所示结构的角度调整存在问题如下：

（1）0°角度的调整实现较困难。为兼容其它调整角度，需充分考虑到前立柱、后立柱、连杆之间调节高度的协调一致性，其结构复杂、调整麻烦。

（2）为适应角度调整及高度的变化，后立柱及其联系的构件需具有多个额外的自由度。若后立柱不是单立柱结构，而是八字形布置结构，其所需的调节自由度更多，结构更加复杂麻烦。

（3）伴随着角度及高度的变化，连杆也需增加转动自由度，进而增加了结构复杂性，可靠性降低。在联动式斜单轴跟踪系统中，一般通过连杆及联动杆（如图 3所示）在不同跟踪系统阵列之间专递推动力，以实现一台电动推杆带动多个斜单轴跟踪阵列的功能，从而简化驱动、降低设备及维护成本。

（4）系统若能同时兼容0°及46°的角度调整，则当角度调整为46°时，高度H较高，增加了系统抗风性要求，系统成本增加。

（5）系统加工及维护成本高，稳定可靠性较低。

图2所示结构中，前、后立柱皆为附带伸缩调节杆结构，与图 1所示结构相比，在水平角度调整情况下，对结构调整的灵活性和复杂性作了改善，并有利于降低结构整体高度H，从而可降低风荷载，但该种结构在角度调整方面存在的结构复杂、调整麻烦等问题依旧。

图1和图2所示的两种结构在倾角调整的思路上基本相同，都是通过调整立柱的高度来实现转动轴倾角及光伏组件倾角的调整。该种调节方式，局限性大，性价比低，可调性差，不适合光伏系统的规模化应用。

2.2倾角可调的斜单轴跟踪系统的简易结构

2.2.1结构形式分类

为适应光伏系统的规模化实际应用，并充分发挥倾角可调的斜单轴跟踪系统的优势，现提出一种倾角调整的简易结构，既可广泛适用于各种小型户用或商用光伏系统，也可适用于大容量地面电站，其结构形式如图4、图5所示：

图4　倾角可调的斜单轴跟踪系统简易结构（一）

图5　倾角可调的斜单轴跟踪系统简易结构（二）

图 4所示的倾角调节结构形式为单端铰链配支撑杆倾角调节结构，图 5所示的倾角调节结构形式为转轴配定位盘倾角调节结构。

2.2.2倾角调节原理与功能实现过程

图4、图5所示的倾角调节结构形式本质相同，其倾角调节的原理是：将原本对跟踪系统转动轴 3的倾角调节转移到对支撑固定光伏组件5的转动梁9的倾角调节，从而避重就轻，避开直接调整跟踪系统转动轴 3面临的结构复杂性和难度，选择倾角更容易实现简易调节的转动梁 9来进行倾角调整。跟踪系统转动轴 3的转动轴线始终保持水平位置，这有利于大大简化转动机构，降低结构复杂性和成本，也有利于在类似图 3所示应用中不同光伏阵列通过联动杆联动式传动时的稳定可靠性，相应结构得到简化。

在图4所示的结构中，转动梁9的一端通过铰链4与跟踪系统转动轴3固定，转动梁9的另一端在拆去支撑杆13后可绕铰链4自由转动。光伏组件5与转动梁9之间通过安装支架（檩条）固定，随着转动梁9绕铰链4的转动，光伏组件 5也随着一起转动，从而实现光伏组件的倾角调整。支撑杆13可根据待调节的不同角度分别对应配备几种长度（或采用伸缩式），其一端可与转动梁9或跟踪系统转动轴3以铰链方式固定，另一端为销栓方式固定，便于角度调节。

光伏组件5倾角调节完成后，在每天的系统跟踪过程中，电动推杆 1在控制器设定的程序下作线性伸缩运动，从而推动连杆2作前后摆动，进而带动跟踪系统转动轴3转动。随着跟踪系统转动轴3的转动，转动梁9和支撑杆13一起运动，并带动光伏组件5作转动，从而实现光伏组件方位角的调整。

不同斜单轴光伏阵列之间通过联动杆以联动方式进行传动，从而实现多阵列光伏组件方位角的调整。

在图5所示的结构中，转动梁9可绕转动梁转轴4旋转，其转动角度可通过角度定位盘13定位。角度定位盘13上按需设有多个定位销孔，与所需的各种调节角度对应。倾角调节完成后，光伏组件5通过转动梁9和角度定位盘13与跟踪系统转动轴3固定牢固，形成稳定结构。同图4所示的结构一样，随着跟踪系统转动轴 3的转动，进而实现光伏组件方位角的调整。

2.2.3适用性研究

图4所示的结构,虽然调节方便，结构简单，但在实际应用中考虑到倾角调节的可操作性，一般只适合模块化、小容量的户用或商用的光伏系统中，例如以1KWp为一个调节模块。在1KWp的光伏系统中，若采用4块250Wp的多晶硅常规光伏组件，若每块光伏组件重19Kg，4块组件共重76Kg。假如转动梁9和用于固定光伏组件5的安装支架（檩条）等附件的总重量为 50Kg, 则光伏组件倾角调节时，转动部分的总重量为126Kg,若该部分重心居中，则转动梁9由0°倾角开始调节角度时，所需向上的起始抬举力约为总重量的一半，该重量为一般户用家庭用户能接受的角度调节出力范围。为提高斜单轴跟踪系统支架利用率，可在一个跟踪系统结构中设置2个1KWp调节模块，分居跟踪系统转动轴3两侧，倾角调节分别进行，拼接处用销栓等机构固定锁牢。也可设计并配备手摇式齿轮传动机构来调整角度，但成本会相应增加。

图5所示的结构，在倾角调节时，由于转动梁转轴4位于转动梁 9的中心（或中心附近）位置，因此在倾角调节时重力的阻力矩较小，所需的倾角调节的转动力矩较小，倾角调节变得方便容易。通过角度定位盘13预先设定的定位孔，调节转动梁 9到所需的角度位置时，定位锁死。角度定位盘13同时起着连接与支撑作用。虽然该种结构更易于角度调节，但该结构在角度调节过程中基本处于单轴受力状态，对转动梁转轴4、转动梁9、跟踪系统转动轴3悬臂端的结构及强度等要求较高,结构复杂性及成本有所提高。该种结构比较适合于规模化应用的光伏系统中，有利于降低成本和结构件标准化，有利于倾角可调的斜单轴跟踪系统的大规模推广应用。

相对于图1、图2所示的斜单轴跟踪系统，图4、图5所示的斜单轴跟踪系统中光伏组件的自身轴线和转动轴线有一定倾角（按四个季度最佳倾角调整），从而导致对太阳方位角的跟踪范围减少，其减少量等于该倾角值。

下面从该种结构对太阳方位角跟踪和辐照度的影响进行研究，讨论其适用性。

在实际光伏系统应用中，一般以上午9：00至下午3:00作为光伏发电的主要工作时间。以中间位置为参照，斜单轴跟踪系统转动轴的转动范围一般为±60°，一方面考虑到该跟踪范围已覆盖了光伏系统的主要工作时间段，已满足需求，另一方面从跟踪结构的结构特性、中心高、抗风性等因素考虑，综合取值。

在对太阳高度角的跟踪方面，倾角可调的斜单轴跟踪系统主要按春夏秋冬四季的最佳倾角对光伏组件的倾角进行调节。在倾角调节方面，对四季的划分有以下几种方法：

（1）符合我国传统的四季划分方法

该方法分别以立春、立夏、立秋、立冬作为四季的开始，以春分、夏至、秋分、冬至作为四季的中点。

按此季节划分，将1年12个月划分为4个时段进行斜单轴跟踪系统倾角调节。

（2）符合西方天文学的四季划分方法

该方法更强调四季的气候意义（主要以温度来区分），分别以春分、夏至、秋分、冬至作为四季的开始。该种划分方法比我国传统的四季划分方法的四季分别迟了一个半月。在北半球，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～2月为冬季，并以此对斜单轴跟踪系统的倾角进行4次调节。

（3）分别以春分、夏至、秋分、冬至为中点，前后共三个月作为时间跨度，12个月共被划分为四个时段，分别对斜单轴跟踪系统的倾角进行调节。

以上几种对倾角的调节方法都不合理，原因是没有将天体运动规律、斜单轴倾角调节方式、最佳倾角（对应并网光伏系统最大发电量）等因素有机优化结合起来。

图6　倾角调节时间区间划分示意图

由于太阳在地球上的直射点每年在南北回归线之间来回移动，形成了一年四季。北半球的冬至日，太阳直射点在南纬23°26′。夏至日，太阳直射点在北纬23°26′。春分与秋分日，太阳直射点在赤道。由于斜单轴跟踪系统的倾角调节的时间区间划分应遵循对应的太阳高度角变化量基本相等的原则，而在一年四季的天体运动规律中，随着太阳能高度角的变化，在冬至日和夏至日取得极值点，在春分和秋分日取得拐点，因此合理的时间区间划分方式应为图6所示：

倾角调节的时间区间共按四个时段划分：

（1）春季时段：2.20-4.20前后，以3.21为中点，共约2个月；（2）夏季时段：4.21-8.23前后，以6.21为中点，共约4个月；（3）秋季时段：8.24-10.22前后，以9.23为中点，共约2个月；（4）冬季时段：10.23-2.19前后，以12.22为中点，共约4个月。

在太阳高度角的变化量方面，上述夏季或冬季时段4个月的变化量和春季或秋季时段2个月的变化量基本等效。另外，为便于统计和实际应用的习惯，将以上各时段向后稍微延迟8至10天，取月初和月末作为时段界限，即：

（1）春季时段：3月、4月，共2个月；（2）夏季时段：5月、6月、7月、8月，共4个月；（3）秋季时段：9月、10月，共2个月；（4）冬季时段：11月、12月、1月、2月，共4个月。

下面计算各个时段的最佳倾角。在并网光伏系统中，以能获得最大发电量的光伏组件的最小倾角作为最佳倾角。参照RETSCREEN软件和PVSYST软件，并依据美国NASA全球气候数据库，以上海地区为例，经计算，结果参考表1：

表1　上海地区各时段最佳倾角

上海地区位于北纬31.1°、东经121.3°，平均海拔7m。冬季时段的最佳倾角最大。上海地区的各时间的太阳高度角和方位角可按以下公式计算或用软件模拟计算。

公式1-1为太阳高度角α的计算公式，公式1-2或1-3为太阳方位角β的计算公式。式中，δ为太阳赤纬角，φ为当地纬度，ω为太阳时角。ω在正午时为0，每小时增15°，上午为负，下午为正。

现以冬季时段的中点及始末点为例，列出上海地区太阳高度角和方位角，见表2。其它几个时段类似。

表2　上海地区太阳高度角和方位角（部分）

表3　上海地区冬季时段的最佳倾角与太阳方位角关系（部分）

由表1至表3的数据可知，在上海地区，在斜单轴跟踪系统工作时间中，采用图4、图5所示结构的光伏跟踪系统在上午9：00和下午3:00时候，太阳光线与光伏组件接近垂直入射，所受太阳辐照度增强，并没有因为跟踪范围的减少而影响对太阳方位角跟踪及辐照量吸收，相反比图1、图2所示结构获得的辐照量更多。同理分析可得，在春、夏、秋季时段，上述结果类似。

上述数据是以上海地区为例进行分析研究的，经分析对于我国其它地区同样适用。

2.2.4优点分析

图4、图5所示的倾角可调的斜单轴跟踪系统的简易结构有以下优点：

（1）结构简单，易于实现，后期运行维护方便；

（2）成本低，有利于模块化、规模化生产与应用；

（3）结构性能稳定可靠；

（4）和固定倾角的斜单轴跟踪系统相比，其增加很少的成本，却基本达到双轴跟踪系统的效率和发电量，投资收益率高。

（5）无论从地域上，还是从应用领域上，还是从安装场所等方面考虑，其适用范围非常广泛。

（6）本结构可根据用户需要，稍作变通更改，同样适用于一年12月按月进行倾角调节的场合。光伏系统发电量会得到进一步提高。

3 结论

经过以上的分析和研究，该种倾角可调的斜单轴跟踪系统的简易结构解决了现有结构复杂、功能实现困难、成本高、运行维护麻烦、无法实际应用及产业化的难题。该种简易结构能基本满足光伏系统的产业化规模应用，能有效提高光伏系统效率和发电量，成本低效益高，运行维护简单，适用范围广，方便可靠，值得大规模推广与应用。

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A simple angle-adjustable structure of tilted single-axis solar tracking system

Currently,the tilted single-axis solar tracking system is mostly angle-fixed structure. In order to further improve the power generation of inclined single axis tracking system and scale applications,a simple angle-adjustable structure of tilted single-axis solar tracking system is now proposed. Taking Shanghai area as an example, the structure characteristics and application scope are analyzed. This kind of simple structure provides a new idea for the tilted single-axis tracker angle adjustment. The results show that this kind of simple structure is strongly practical, low cost, and is worthy of popularization and Application.

Solar tracking system;Tilted single axis;Angle adjustable;Support structure

TK51

A

1008-1151(2015)04-0081-05

2015-03-12

黄勇（1974-），男，江苏宿迁人，上海太阳能工程技术研究中心有限公司技术工程师，研究方向为光伏系统设计、新型光伏组件与光伏支架设计。