平单轴跟踪支架东西向间距优化研究

平单轴跟踪支架东西向间距优化研究

杨国畅

大唐彬长发电有限责任公司    陕西省咸阳市    713602

摘要：本文首先对平单轴系统进行简要介绍，然后对平单轴跟踪支架的技术原理进行研究，最后结合实际光伏电站项目，依靠PV syst软件对跟踪支架运行期间，东西向间距变化对年发电量、经济收益产生的影响进行分析。根据研究结果可知，当东西向间距不同时，电站建设的总费用与年发电收益有所区别，通过差额内部收益率法进行计算，发现在间距为4.0m时初始投资额度较大，年发电量最多，取得的经济效益最高。

关键词：平单轴系统；跟踪支架；间距优化

引言

本文主要结合大唐某农光互补项目为例，通过根据天气情况进行自动调整，从而有效降低了因恶劣环境对系统造成损害，保障了设备的安全性以及发电的连续性。平单轴跟踪支架被研究出来，可通过东西向跟踪太阳角度变化，最大限度地吸收太阳辐射，从而延长发电可用时长，为企业节约更多度电成本。

1平单轴系统概述

该系统利用Lora无线通讯AI控制箱与天文算法，对太阳高度、方位角进行计算，获得跟踪轨迹，依靠模型计算，得出太阳轨迹的目标角度；再采用倾角传感器，对发电系统旋转位置进行检测和对比，在实时角度与目标角度间的差值为2°时，可驱动回转减速装置，将系统调整到目标角度，便可实时追踪太阳轨迹。同时，还可结合天气状况对9种工作模式自由切换，避免恶劣环境影响系统运行状态；利用控制箱接收实时传送的风速、时间等信息，灵活调整系统状态，使其始终处于最佳运行水平。该系统的通讯范围为5km，支持超广范围无线通讯，由主流逆变器采集数据后，传递到SCADA后台，可为用户节省大量通讯布线与设备，节约投资成本。系统支持9种运行模式自由切换，包括自动、手动、大风、大雪、放平、停止、就地、大雨和清洗模式，供运维人员对应操作使用。该系统带有限位保护功能，具体如下。

（1）一级限位。采用软限位的方式，东部45°，西部125°，依靠软件设置与之匹配的保护阈值，使系统运行角度得到限制，在系统达到设定参数的临界值后，便会触发警报立刻停机，以免出现大角度侧翻等危险事故。

（2）二级限位。采用硬限位保护法，依靠限位挡杆焊接方式，将系统运行轨迹控制在43—137°范围内，在档杆朝着东侧或者西侧运行时，如若触碰到限位开关，则会马上暂停工作[1]。

（3）三级限位。采用过流保护方式，可根据实际需求灵活调节数据，当电机运行电流超过事先设定的阈值时，电机便可马上响起警报，并停止运行。

2平单轴跟踪支架技术原理

该架体为南北向排布、东西向跟踪太阳角度变化的支架，将其设置在中低纬度区域，可促进太阳能的充分利用，增加发电量，节约电能生产成本，技术原理如下。将光伏组件安装在平单轴架体上，其吸收的太阳辐射量由架体参数、当地太阳辐射条件来决定。架体关键参数为架体与地面的距离、最大跟踪角度、支架东西向间距等，其中，支架东西向间距可对跟踪支架的作用范围产生较大影响。在电站占地面积固定情况下，如东西向间距低于标准值，架体为了躲避东部、西部的阴影遮挡，便会停止跟踪太阳方位，致使电站的发电量降低；反之，如若东西向间距超过标准值，单位容量组件在地面上的占比范围增加，致使电站总安装容量缩小，同样会影响总发电量。在光伏电站项目开展中，支架东西间距可由人工进行调整，结合所在地光伏电站的建设情况，可用PV syst软件进行跟踪支架应用过程模拟，探究该项指标对电站年发电量产生的影响，以及与成本投入、经济收益间的联系[2]。

3平单轴跟踪支架间距优化措施

3.1基本情况

    以某地2.5MWp的光伏电站为例，当地地势较为平坦，年水平面太阳辐射量在1609kWh/m2左右，利用双面单晶硅光伏组件，平单轴跟踪架的作用范围在-60°—60°之间，架体宽度为2m，带有反向跟踪效能，架体与地面间的距离为1.5m，地面反射率为20%。借助PV syst软件对该电站第一年发电量进行计算，假设东西向间距最小值为2.1m，每次递增距离为0.1m，最大增加到8.0m，对比不同间距模式下电站年发电量。在各年份发电量计算中，假设组件发电量的年均衰减率与年衰减率相同，依靠所得结果与项目实际数据对比检验。

3.2发电量计算

电站在地面的占地范围固定情况下，如若支架东西方向的间距不对称，便会使光伏组件的占地面积发生改变，场内组件容量也会有所区别，致使发电量受到影响。在东西向间距不匹配的状态下，当占地面积为1hm2时，东西间距越大，组件安装容量便越小，年发电量也越少；反之，则安装容量，年发电量提升。同时，当支架东西间距逐渐增加时，组件外表可吸收更多的太阳辐射，发电量随之增加。根据实际调查可知，如若东西向距离为2.1m，则单位面积土地可安装组件容量为1752.3kW，年发电量为2534.25MWh，电能可用1452.4h；如若东西向距离为8.0m，则单位面积土地可安装组件容量为482.6kW，年发电量为926.35MWh，电能可用1965.2h。根据计算结果可知，与间距为8.0h的情况相比，间距为2.1m时的发电小时数降低27.54%，但因单位范围内组件的占地面积缩减，因此1hm2范围内组件的安装容量与年发电量均有不同程度的提升

[3]。

3.3间距优化

针对电站所在地的上网电价与暂估电站造价，对单位占地面积的电站造价进行计算，对比在不同东西向间距情况下所需投入的资金。根据年发电收益可知，增加间距有助于延长发电可用时长，从而获取更多容量组件收益，但也会导致组件占地面积增加，使单位范围内组件总发电量降低，进而损害总体收益。在综合土地范围内，电站年发电收益与安装容量固定，利用投资差额收益率进行计算，可获得东西向最佳间距，即在2个原始投资额不同的项目中，利用差量净流量进行差异收益计算，由此得出两个项目在投资方面的优势和缺陷。如若差额收益率超过内部基准，说明原始投资额度较大的项目更具优势；反之，意味着初始投资量较小的项目具有优势。在东西向间距计算中，距离每增加0.1m，在项目建设阶段的投资差额便也会随之增加。当东西间距调整为(2.1)/(2.2)时，建设环节投资差额的计算方式如下：

H＝L1-L2

式中，H代表的是建设投资差额；L1代表的是间距为2.1m时的投资量；L2代表的是间距为2.2时的投资量。年发电收益差额的计算公式如下：

W＝K1-K2

式中，W代表是的年发电收益差额；K1代表的是东西间距为2.2m时的发电收益；K2代表的是间距为2.1m时的发电收益。根据上述公式计算可知，间距变化会使差额内部收益情况随之而变，二者具有正比关系。在基准收益为10%时，东西间距由4.0m调整到4.1m，与之相对的差额收益率均超过10%，与事先设定的经济效益预期相符。但是，在东西间距逐渐扩大的情况下，单位面积所能够安装的组件容量开始降低，致使本站年发电量产生的经济收入降低。针对上述情况，应在固定土地利用率的情况下，合理调整东西间距差异值，使年发电取得的经济效益达到最大。在现有的边界条件下，因东西间距设定为4.0m时，初始投资额度较高，意味着该间距为最佳数值。

结束语：综上所述，在光伏行业发展中，为了节约投资成本，可通过调整平单轴跟踪支架东西向间距的方式，获取更多太阳能辐射，增加电站发电可用时长。但是，因单位范围内组件占地面积增加，总安装容量便会降低，使发电量总数减少。对此，应结合项目建设目标与实际情况，在现有边界条件下，寻找最佳的东西向间距，使基准内部收益率符合规定，为企业带来更多的经济效益。在本项目研究中，通过将东西间距调节为4.0m，达到增加年发电经济收益最大化的目标。

参考文献：

[1]徐萌,蔡雄.基于ANSYS的光伏平单轴跟踪支架性能分析及优化设计[J].电力设备管理,2022(5):31-33.

[2]何银涛,张梅,黄华.垂直单轴跟踪光伏支架方阵间距计算界面设计[J].太阳能,2019(7):41-43.

[3]何银涛,张梅,黄华.斜单轴跟踪支架方阵排布间距计算[J].科技与创新,2020(17):012-014.