（晶澳（扬州）太阳能光伏工程有限公司）
【摘 要】本文介绍了光伏系统的固定倾角支架、单轴跟踪支架以及双轴跟踪支架的特点，并就中国青海省某地面光伏电站的发电情况进行统计分析。数据表明单轴跟踪支架的单位发电量最高，而双轴跟踪支架反而略低于单轴跟踪支架。经查明原因是该项目所使用的双轴跟踪支架实际故障率相对较高，降低了全年单位发电量，而单轴跟踪支架在发电量和可靠性的表现上均较好。故建议若在西部环境较为恶劣的地区部署跟踪支架的光伏系统，推荐采用单轴跟踪支架的方案。
【关键词】光伏系统；跟踪支架；发电性能；可靠性
1．光伏系统的支架
通常有三大类光伏支架应用于地面光伏系统：固定倾角支架、单轴跟踪支架、双轴跟踪支架。
固定倾角支架在光伏系统项目中应用最广泛，其成本低廉、结构简单、安装方便。无论是在在风载荷较高的情况下还是在地震多发地区，品质合格的固定倾角支架都能承受较大的机械应力而不必担心结构部件受损的问题。在整个电站寿命期间所需要的运行维护费用也是最少的。但在高纬度地区，不同季节太阳运行高度角以及方位角的变化范围较大，使用固定倾角支架的光伏系统在部分季节的发电效率相对较低。
单轴跟踪支架相比于固定倾角支架能获得较为明显的发电量提升，其主要分为两种类型：平单轴跟踪支架和斜单轴跟踪支架。一般采用平单轴跟踪系统居多。通常在平单轴跟踪系统里组件呈水平安装，跟踪方向从向东倾斜到向西倾斜，单个电机和控制器可控制多个跟踪阵列[1]。单轴跟踪系统的传动齿轮和轴承均需要定期检修维护。
双轴跟踪系统可提供最高的发电量[2]。双轴跟踪系统通常采用历史数据和传感器互补的跟踪控制方式以获得最高的精度，每个双轴跟踪支架均有2台电机以调整方位角和倾角。但复杂的控制传动机构使得双轴跟踪系统具有相对更高的造价和故障率。
2．样本项目信息
本项目位于青海省，纬度36.3度，项目地区域具有丰富的辐照资源。根据Meteonorm version7.0的气象数据，在35度最佳倾角斜面上的年辐照量超过1800kWh/m2/year，并且超过60%为直射光。年均温度变化范围为 -8.9℃ ~ 16.6℃，通常风速区间为6m/s ~ 23m/s。海拔高度为2990m，土地类型为为黄土伴有沙尘。
总装机容量为5MW，包含3个子系统：其中2MW为双轴跟踪系统，2MW为平单轴跟踪系统，1MW为固定倾角系统。所有子系统均采用同批次峰值功率为235Wp的60-cell多晶硅组件，装机容量基本一致。所有子系统均使用同型号的国内知名品牌的500kW集中式逆变器（不含隔离变压器）。
图2平单轴跟踪支架阵列照片
平单轴跟踪支架的光伏系统参数：
倾角调节范围：±80?
允许跟踪误差：±0.3?
跟踪方式：光传感器+历史数据
支架安装套数：438
每套支架安装光伏组件块数：20
安装容量：2.058MW
标称平均年故障率：≤5%
逆变器：一线品牌4x 500kW 并网逆变器（光伏电站内所有子系统均为同型号逆变器）
图3双轴跟踪支架阵列照片
双轴跟踪支架的光伏系统参数：
倾角调节范围：-10?-70?
方位角调节范围：0?-320? (180?为正南)
允许跟踪误差：±0.3?
跟踪方式：光传感器+历史数据
支架安装套数：433
每套支架安装光伏组件块数：20
安装容量：2.035MW
标称平均年故障率：≤5%
逆变器：一线品牌4x 500kW 并网逆变器（光伏电站内所有子系统均为同型号逆变器）
3．发电量结果分析
青海省六月气候多变，昼夜温差较大，辐照资源充足。在每日约10个小时的运行过程中跟踪系统可能会经历风沙、阴雨等恶劣天气。因此跟踪系统的控制机构、驱动机构将会承受较为恶劣的运行环境。该电站所有方阵均采用相同品牌和型号的逆变器，光伏组件均为同批次60-cell 235Wp多晶硅组件，电力计量表计精度0.2级。经现场运维人员导出6月份的运行数据如下：
从数据中可以发现，单位发电量最高的是单轴跟踪系统，而不是双轴跟踪系统。单轴跟踪系统比固定倾角的单位发电量要高46.9%，双轴跟踪系统比固定倾角的单位发电量要高43.9%。理论上，双轴跟踪系统应该具有最高的发电量。有文献资料显示：单轴跟踪系统相比固定倾角支架可提升25%的发电量[3] ，在一些特定情况，双轴跟踪系统比固定倾角瞬时发电量最高可达41%的差距[4]。
现场人员确认了各方阵的光伏组件、光伏组件、直流汇流箱内组串、逆变器设备等均没有问题，也不存在限电的情况。调取该光伏电站该月内各子系统每日发电量清单如下：
2MW双轴跟踪系统包含4个500kW的子方阵，相比于固定倾角系统和单轴跟踪系统，从6月6日起数据离散性就开始变大，6月19日恢复一致。调取现场运维记录发现，双轴跟踪系统的4个子方阵在6月6日到6月19日期间内跟踪支架部分出现了多次故障，导致发电量下降。
现场调查发现双轴跟踪系统主体结构完好，但部分跟踪支架的电机烧坏。因减速机轴承处密封不严，导致在风沙天气时细沙进入缝隙，转动阻力增加，电机发热严重。且驱动电机保护配置不全，未设置堵转保护和告警信号，最终导致电机烧毁。解决措施：更换相应故障减速机，更换改良的密封部件，更换大功率驱动电机和控制器。
除了减速机和电机故障，该双轴跟踪系统还出现过PLC和传感器故障，导致跟踪朝向不一致。因采用的是集中式逆变器，组串失配损失较多，故发电量损失较大。解决措施：更换损坏的传感器，并逐台重新调试跟踪支架以确保方位角、倾角朝向一致。
4．结论
虽然理论上双轴跟踪系统具有最高的发电量，但是在高辐照量、晴天、雨天、多云、沙尘多变天气的恶劣环境下，该电站所用的双轴跟踪系统的可靠性要比单轴系统低一些。而单轴跟踪系统的发电增益和可靠性均较好。固定倾角支架在运行期间内基本免维护，发电量相对跟踪系统较低。故建议在高纬度、环境较为恶劣的地区部署跟踪支架的光伏系统，推荐采用单轴跟踪支架的方案。
因复杂系统的可靠性相比于简单系统要低。光伏电站运维人员需要对跟踪支架做好相应的预案和准备，加强常规的定期巡检，包括对传感器、电机、PLC等部件状态的检查。同时要注意输出功率曲线的异常变化，排除天气和其他原因后，同类型阵列发电输出的一致性缺失往往是某个跟踪支架出现问题的症状。
对于光伏电站的拥有者而言，不可忽视选用高品质的光伏支架的重要性。跟踪支架除参数外，可靠性也是一项隐含的主要指标。可靠性和跟踪支架的设计、零部件品质、安装维护有关。只有确保跟踪支架的长期运行可靠性，才能充分发挥出其高发电量的优势，给电站业主带来最大的收益。
参考文献：
[1]“Power from the Sun”; Dan Chiras, Robert Aram, Kurt Nelson , 2011
[2]“Single vs. Dual Axis Solar Tracking”; David Cooke, 2011
[3]“The Application of Solar Tracking System”; Yu Hai,2004
[4]“Two Axes Sun Tracking System with PLC control”; Salam Abdallah, Salem Nijmeh, 2004
论文作者:张蓝俊,徐泽元
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年6月总第211期
论文发表时间:2016/8/12
标签：支架论文; 系统论文; 倾角论文; 发电量论文; 光伏论文; 逆变器论文; 电站论文; 《工程建设标准化》2016年6月总第211期论文;