吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院綠色能源開發(fā)實驗室

魏  明

1961年生。1981年畢業(yè)于長春輕工業(yè)中等技術(shù)學(xué)校。1981－1991年在長春鐘表研究所工作，主要從事計時技術(shù)應(yīng)用研究。1985年開始研究太陽跟蹤技術(shù)，1985年5月開始研究太陽跟蹤技術(shù)，1995年12月建立同步跟蹤太陽的數(shù)學(xué)機構(gòu)模型，1998年6月完成專利申報、2002年12月4日專利授權(quán)。2003年12月試制成功同步跟蹤光伏發(fā)電裝置和陽光傳輸裝置，2006年1月研制成功17㎡同步跟蹤裝置，在此基礎(chǔ)上2007年1月22日完成17㎡同步跟蹤聚光供熱裝置的研制工作，并將其用于吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院綠色能源開發(fā)實驗室的地源熱泵系統(tǒng)。發(fā)表論文有：《淺談建筑與太陽能一體化》、《太陽能光伏電站間歇跟蹤之失敗》《農(nóng)村能源》《加強開發(fā)同步跟蹤技術(shù)、發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)的建議》等多篇。

摘要：本文介紹了固定光伏電站和矢量跟蹤技術(shù)在使用中的一些情況，分析了固定光伏電站和同步跟蹤光伏電站的資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本，探討了固定光伏電站接收效率低和矢量跟蹤技術(shù)可靠性差的原因，提出了在光伏電站上應(yīng)用線性(同步)跟蹤技術(shù)的方法，以提高效益，降低成本。指出同步跟蹤(非聚光)光伏電站、特別是固定光伏電站在日照時間較短、太陽能輻射量相對較少的內(nèi)地使用不具有資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，同步跟蹤光伏電站在日照較好的敦煌等日照時間較長地區(qū)應(yīng)用具有一定的經(jīng)濟(jì)社會效益。

主題詞：線性(同步)跟蹤，矢量跟蹤，光伏發(fā)電，資源成本，經(jīng)濟(jì)成本，環(huán)境成本。

引言

目前，應(yīng)用固定式光伏電站較多，但是，由于其經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境成本高，使用和推廣受到極大的制約。從理論上講，一般固定式光伏電站相對于使用地的太陽能輻射量而言接收效率只有70%左右。說得更具體點，固定電池板有效接收太陽能的角度約為120°～150°，超過120°這個范圍的太陽能量的接收效率很低,超過150°時的接收能量已不具備輸出價值，而在北緯40°以上的地區(qū)夏至?xí)r節(jié)太陽能的角度可達(dá)210°以上。因此，將固定電池板裝在同步跟蹤機構(gòu)上，在不同地區(qū)使用可提高接收效率40%～60%、降低發(fā)電成本25%～45%。

1非線性跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀

在一些工程技術(shù)人員看來，跟蹤太陽是最簡單不過了，所以人們選擇了以傳感器控制和水平軸與垂直軸跟蹤太陽高度角的技術(shù)方案，看似簡單的技術(shù)路線，實際上是走了一條高次函數(shù)、非連續(xù)運行的技術(shù)路線，將太陽有規(guī)律的數(shù)學(xué)軌跡復(fù)雜化了，并使裝置在較為惡劣的力學(xué)環(huán)境和嚴(yán)重瞬間過載的條件下運行，最終導(dǎo)致裝置破壞而失敗。

太陽的高度角是由于這兩個視運行軌跡合成的，是個矢量角。將太陽的高度角作為跟蹤對象，就要有兩套控制電路、兩套不同的控制程序和兩套不同的驅(qū)動機構(gòu)。

從1954年前蘇聯(lián)的塔式跟蹤技術(shù)到1982年由美國政府和多家投資公司建造了總規(guī)模達(dá)10540kw的非線性間歇跟蹤太陽能電站。其聚光光伏電站的造價僅為固定光伏電站的37.5%，是當(dāng)時(也是現(xiàn)在)造價最低的光伏電站 ^[1]。1987～1992年，上述非線性間歇跟蹤光伏電站因“齒輪箱破壞、齒輪打滑、漏油”故障頻發(fā) ^[2]、維護(hù)成本過高不得不拆除^[3]，造成了十幾億美元的經(jīng)濟(jì)損失。但是，人們到一個珍貴的數(shù)據(jù)，即跟蹤的太陽能光伏電站比固定的提高接收效率69%，達(dá)到了當(dāng)?shù)靥�陽能輻射量�?39%以上，減低成本62.5%。^[4]

圖1、是1983年建成當(dāng)時全球最大的6,500千瓦Carrisa Plains電站，這個電站因維護(hù)費用過高1992年全部拆除，其損失高達(dá)10億美元。圖2是1994年我國引進(jìn)美國的15kw聚光光伏電站，因其故障率過高、維護(hù)費用太大不得不改為非跟蹤的固定電站。這種電站在美國一共安裝了15套，計2160㎡225kw，運行了5年，無故障運行時間不超過6個月。

2線性跟蹤技術(shù)

相對于地球而言，我們提出太陽視運行軌跡的概念：即地球的自轉(zhuǎn)和在黃道面上繞著太陽平移時所形成已知的、在一定周期內(nèi)有規(guī)律的相對于地面的視運行軌跡，其參照坐標(biāo)為地軸和地球赤道面，依據(jù)這一軌跡函數(shù)方程，建立同步跟蹤方法和理論、設(shè)計同步跟蹤機構(gòu)。其特征在于用一個電機的時鐘機構(gòu)驅(qū)動裝置跟蹤太陽的真時角,用與時鐘機構(gòu)聯(lián)動的修正正弦函數(shù)機構(gòu)驅(qū)動太陽能接收裝置跟蹤太陽的赤緯角(仰角)，能量經(jīng)接口輸出，實現(xiàn)實時同步連續(xù)跟蹤太陽的時角和赤緯角，這種方法我們稱之為線性跟蹤，或稱之為同步跟蹤^[5]。

實踐證明，用這一方法制造的裝置靜風(fēng)時驅(qū)動功率不超過0.20w/㎡，八級大風(fēng)時的驅(qū)動功耗不超過0.26 w/㎡。在內(nèi)地應(yīng)用，其裝置的驅(qū)動扭矩可按550N/㎡設(shè)計，這種情況下裝置的驅(qū)動功率不超過0.40W/㎡；在沿海地區(qū)可按720N/㎡設(shè)計，驅(qū)動功率不超過0.50W/㎡。

圖3所示為2006年1月10日開始試運行、2007年1月22日開始運行用于地源熱泵裝置熱能補償?shù)?7平方米同步跟蹤聚光供熱裝置。其旋動部分重量為740㎏，該裝置的設(shè)計驅(qū)動功率7瓦,驅(qū)動扭矩7kN·m，抗風(fēng)載荷550N/㎡，鋼結(jié)構(gòu)采用熱浸鍍鋅工藝，裝置可用壽命可達(dá)50年。2006年1月23日下午4時許，長春刮8級陣風(fēng)，裝置的驅(qū)動功耗為4.4W。

從太陽視運行軌跡分析，地球自轉(zhuǎn)形成太陽時角與時間的函數(shù)關(guān)系，地球繞著太陽在黃道面上平移形成了赤緯角與時間的函數(shù)關(guān)系，這兩個軌跡在運動的形式上是不同的，但是與時間的關(guān)系是有聯(lián)系的統(tǒng)一體，在一定的時間范圍和空間范圍內(nèi)是線性的、有規(guī)律的。

其真太陽時的角速度為平太陽時+時差E_t：

其中時差的相似表達(dá)是：

E_t=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ　　　　　　　　  (1)

赤緯角的相似表達(dá)是：

Ed=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

θ為與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)的時間參數(shù)^[6]。

同步跟蹤機構(gòu)的破壞力來自于風(fēng)害，因此設(shè)計時考慮使用地最大建筑抗風(fēng)載荷對裝置的影響，以滿足其正常運行的扭矩條件即可長期穩(wěn)定運行。

由于結(jié)構(gòu)原因，矢量跟蹤技術(shù)為回避風(fēng)害，在設(shè)計時必須考慮收帆程序，收帆運動使裝置的角速度相對過大，其在啟動、特別是停止瞬間產(chǎn)生了一遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗風(fēng)載荷的加速動量矩，而這情形又在傳感器的控制之下頻繁出現(xiàn)，使得驅(qū)動機構(gòu)短期內(nèi)在其反用力的作用下破壞，降低了裝置的可靠性。這也是2006年中國科技部在相關(guān)技術(shù)立項中只能將水平跟蹤裝置的壽命定為5000小時、仰角跟蹤機構(gòu)的運行壽命定為2000小時的原因，而這一指標(biāo)與當(dāng)年Carrisa Plains電站的實際運行情形沒用顯著進(jìn)步，是一低水平、沒用實際價值的技術(shù)指標(biāo)。

同步跟蹤技術(shù)的驅(qū)動控制與矢量跟蹤技術(shù)比較采用一個相對極小的小功率步進(jìn)電機，而且啟動電流小，控制環(huán)節(jié)少，驅(qū)動控制裝置的成本為同等規(guī)模矢量跟蹤機構(gòu)的十分之一；按最大風(fēng)載荷設(shè)計其驅(qū)動扭矩，比滿足矢量跟蹤機構(gòu)承載能力的加速動量矩要小75%～90%。同步跟蹤機構(gòu)的角速度約為0.25°/min，驅(qū)動動能小且實時釋放，運行時不存在動能積累，需更換的易損零件少，故維護(hù)費用低、制造成本低、運行可靠、壽命長。

3固定光伏電站效益分析

以深圳、北京和上海的太陽能資源數(shù)據(jù)、建成太陽能電站所輸出的實際數(shù)據(jù)，參照相關(guān)現(xiàn)實的工業(yè)技術(shù)參數(shù)，對上述三地使用太陽能光伏電站的經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境效益進(jìn)行分析。

以目前的技術(shù)和生產(chǎn)水平，按其能源消耗成本占資金消耗70%^[10]、電價6美分/kwh計算，生產(chǎn)1kw太陽能電池的電力消耗約為8萬kw·h。按火力發(fā)電消耗0.33㎏/kw·h標(biāo)準(zhǔn)煤消耗計，建造一個1kw太陽能電站需消耗26.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放CO₂84.64噸。

按發(fā)1kwh電，消耗0.33㎏標(biāo)準(zhǔn)煤、排放1.058㎏CO₂計。

3.1深圳國際園林園光伏電站

這個電站總投資750萬美元，發(fā)電總裝機容量1MW。2005年該電站向電網(wǎng)輸送98萬kw·h^[7]。按此計算(不計衰減和維護(hù)費用以下同)，在30年內(nèi)可向電網(wǎng)輸送電力2940萬kw·h，其靜態(tài)輸電成本為0.255美元/kw·h。具體分析如下表：

3.2北京屋頂電站

這個太陽能電站總裝機容量140千瓦，年發(fā)電量約15萬kw·h^[8]。這座電站的總投資約為980萬元，按30年壽命期計，其靜態(tài)發(fā)電成本不低于2.18元/kw·h，按6%利率計，不含稅金的發(fā)電成本約為6.09元/kw·h。北京的平均太陽能輻射量為1535kw·h/㎡年，故此電站相對太陽能輻射量的效率只有69.8%。

3.3上海電站

3kw太陽能發(fā)電站資金消耗15萬元。在上海。1kw的太陽能發(fā)電站每年可輸出電力960kwh^[9]，太陽能平均輻射量為1340kw·h/㎡年相對于太陽能輻射量的裝置效率只有71.6%。按5萬元/kw造價、30年壽命計，總發(fā)電量為2.88×10⁴ kwh，靜態(tài)發(fā)電成本為1.736元/kw·h；按6%的利率計，不含稅金的發(fā)電成本約為4.757元/kw·h。

如果建設(shè)10萬屋頂?shù)奶�陽能裝置，就意味著要比使用火力發(fā)電增加320～370萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，而這些標(biāo)準(zhǔn)煤可產(chǎn)生電力91.4～106億度。

經(jīng)濟(jì)成本分析：保證太陽能電站盈利的價格將超過6.00元/kw·h，是現(xiàn)行火力電價的6～12倍，加上線損等成本，電網(wǎng)的銷售價格將高于6.50元/kw·h以上，相對于運營商和用戶而言，大大增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，經(jīng)濟(jì)效益是負(fù)數(shù)。資源成本分析：使用太陽能電力的資源成本高于火力電能200%以上，不僅增加了能源生產(chǎn)消耗，而且增加了交通運輸負(fù)擔(dān)，資源效益是負(fù)數(shù)，這也符合日本專家2004年的有關(guān)論述^[9]。環(huán)境成本分析：使用太陽能電站給使用地減少了一定量的環(huán)境污染，但是，給生產(chǎn)地造成的CO₂排放量大于使用火力發(fā)電減排的2倍以上,不同的是其污染是在整個太陽能發(fā)電站的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)地，污染遠(yuǎn)大于其減少的污染。

為提高光伏電站發(fā)電量，降低裝置成本的努力，從1954年太陽能電池誕生之日起從未停止過。但是，由于單晶硅的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、能耗成本較高，從技術(shù)上講降低成本的難度愈來愈大。由于石油漲價，從經(jīng)濟(jì)上講愈來愈難。上個世紀(jì)，石油價格30美元時，單晶硅的價格為65美元/㎏；石油價格50美元時，單晶硅的價格為75美元/㎏。目前石油價格60多美元，單晶硅已賣到了150美元/㎏。據(jù)此，技術(shù)因素降低成本的幅度受制于資源價格波動影響，也受到地緣政治、經(jīng)濟(jì)政策和經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略等多種因素的影響。并有將單晶硅生產(chǎn)中高能耗、高污染、低成本、低附加值的工藝環(huán)節(jié)向我國轉(zhuǎn)移的傾向。在這種情況下，采用同步跟蹤技術(shù)提高光伏電站的接收效率、降低輸出電力的成本不失是一種可行的選擇。

在200Wp同步跟蹤光伏發(fā)電檢測對比裝置制造成功后，我們開發(fā)了計算機檢測裝置，在長春相對于200Wp固定光伏電站進(jìn)行了對比檢測，如圖4～圖7所示。

自2004-4、2004-6-7、6-9和6-11有記錄的檢測數(shù)據(jù)可以看出：

同步跟蹤機構(gòu)的接收效率從春分到夏至這一段時間內(nèi)是增加的。固定裝置在早上6:10至下午4:30這段時間內(nèi)以外的太陽能接收能量已不具有實際輸出意義，其有效接收角度只為150°左右，而夏季這段時間的太陽能垂直輻射強度達(dá)峰值的90%，水平輻射強度按期高度角的余弦值也達(dá)到峰值的40%以上，所以，固定裝置的接收能量要比水平輻射總量約少很多。

日照率愈高接收效率愈高，差別愈大。在6月11日以后的晴朗天氣條件下接收效率比固定裝置高出 100%。在內(nèi)地日照時間較短的環(huán)境條件下，按太陽輻射量計算跟蹤效率約提高40%、當(dāng)日照時間大于3000小時的話，按太陽輻射量的計算跟蹤效率預(yù)計可提高50%以上。

加裝同步跟蹤機構(gòu)后的社會經(jīng)濟(jì)效益分析

從上述分析可以看出：固定電站的靜態(tài)發(fā)電成本為1.81～2.22元/kwh，投入與產(chǎn)出平衡的時間與排碳平衡的時間要63～82年。這說明固定光伏電站要實現(xiàn)投入資源的產(chǎn)出平衡，其裝置成本要降低52.3%～63.4%，從技術(shù)角度講難度很大。而從經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境角度講也只是平衡，并沒有產(chǎn)生效益、創(chuàng)造價值。因此，大規(guī)模應(yīng)用固定光伏電站，其可行性、特別是在較少溫室效應(yīng)等在各方面是值得商榷的。

采用同步跟蹤機構(gòu)后發(fā)電量可增加70% ～79%，發(fā)電成本可降低37.6%～41.5%,資源消耗和排碳的平衡時間可縮短20～32年。同步跟蹤光伏電站要實現(xiàn)投入資源的產(chǎn)出平衡，其裝置成本要降低18.9%～40%，從技術(shù)角度講難度仍然很大。如果光伏電站的轉(zhuǎn)換效率在50年不衰減的話，在上海，可以產(chǎn)生35.1%的資源和環(huán)境效益；在北京，可以產(chǎn)生6.4%的資源和環(huán)境效益；在深圳，也只能實現(xiàn)資源和環(huán)境效益的平衡。

上海新建筑多為坡頂，舊建筑多為平頂。坡頂只能在坡的一面安裝固定光伏電池，利用面積有限。平頂安裝固定光伏電池比較靈活，可以充分利用有限的面積。如果安裝同步跟蹤光伏電站的話，可將兩方面情況結(jié)合起來，使光伏電站的安裝面積更大增大，發(fā)電量更多。

按上海的太陽能輻射量和同步跟蹤光伏電站的輸出效率，在其屋頂，每年可輸出電力120～191kwh/㎡，每套裝置可輸出3500～7500kwh，如果安裝10萬套同步跟蹤光伏電站、每套按3kw計，年輸出電力為4.67億kwh。

以目前上�；I劃的十萬屋頂計劃為例，如果采用同步跟蹤技術(shù)的預(yù)計可以實現(xiàn)的資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析如下：

上海十萬屋頂光伏計劃采用同步跟蹤技術(shù)的社會經(jīng)濟(jì)效益分析

如按其能源消耗成本占資金消耗70%(其中直接消耗約為40%，間接消耗約占60%)，制造十萬(30萬kw)同步跟蹤光伏電站的電力消耗約為189億kw·h，合標(biāo)準(zhǔn)煤623.7萬噸，排放CO₂2000萬噸。在上海使用每年可輸出電力4.784億kwh，30年總發(fā)電量143.514億kwh，占消耗的76%，平衡時間要39.5年，比固定裝置縮短21年。

6同步跟蹤機構(gòu)用于未來的甘肅沙漠電站

按60㎡(或120㎡)設(shè)計同步跟蹤光伏電站，其輸出功率為7.2～9.6 kw(14.4～19.2kw),8兆瓦需要60㎡的同步跟蹤裝置840～1110(120㎡的420～560)個。按裝置的抗風(fēng)扭矩及抗風(fēng)載荷設(shè)計值為720N/㎡，靜風(fēng)驅(qū)動功率為9W，大風(fēng)驅(qū)動功率為18W，最大驅(qū)動扭矩18000N·m。裝置寬度6m，安裝間距8～9米。

按敦煌的太陽能輻射量6882.1MJ/㎡(合1911.7kwh)和同步跟蹤光伏電站的輸出效率，其1kw裝置每年可輸出電力2275kwh。以目前5.4萬元/kw的價格水平，分析敦煌8兆瓦光伏電站采用同步跟蹤技術(shù)的社會經(jīng)濟(jì)效益：

敦煌8兆瓦光伏計劃采用同步跟蹤技術(shù)的社會經(jīng)濟(jì)效益分析

如按其能源消耗成本占資金消耗70%(其中直接消耗約為40%，間接消耗約占60%)，制造8兆瓦同步跟蹤光伏電站的電力消耗約為5.04億kwh、合標(biāo)準(zhǔn)煤16.632萬噸，排放CO₂ 53. 4萬噸，25年減排64.48萬噸，平衡時間21年。在敦煌使用這一裝置的資源和環(huán)境效益大于投入，如果裝置能運行30年的話，其消耗和排放約為制造的144.9%。

7結(jié)論

在內(nèi)地使用光伏電站，如果實現(xiàn)其資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本平衡的條件是：將其固定光伏電站(包括敦煌)的生產(chǎn)成本降低52%～63%、跟蹤光伏電站的成本降低19%～40%，從技術(shù)角度講難度較大。因此在常規(guī)能源有優(yōu)勢的內(nèi)地使用固定光伏電站的經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境成本遠(yuǎn)高于火力發(fā)電，無論是在經(jīng)濟(jì)上的投入產(chǎn)出率、還是制造時資源上的消耗、產(chǎn)生的污染，與其使用地產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)省的資源消耗以及減少的環(huán)境污染比較，是得不償失的。

在敦煌等日照比較豐富的戈壁沙漠，采用同步跟蹤光伏電站的資源、環(huán)境效益高于內(nèi)地，相對于制造的消耗與排放比較，其資源和環(huán)境效益較好。

圖1、1987年建成1992年拆除的6,5MW電站

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖2是1994年我國引進(jìn)的15kw聚光光伏電站(未能正常運行)

圖3所示為2007年1月22日研制的17平方米同步跟蹤聚光供熱裝置

圖4所示2004-4-6接收效率比較：146%

圖5所示2004-4-7接收效率比較：189%

圖6所示2004-6-9接收效率比較：196%

圖7所示2004-4-1接收效率比較：228%

 

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