吉林大学建设工程学院绿色能源开发实验室

魏  明

1961年生。1981年毕业于长春轻工业中等技术学校。1981－1991年在长春钟表研究所工作，主要从事计时技术应用研究。1985年开始研究太阳跟踪技术，1985年5月开始研究太阳跟踪技术，1995年12月建立同步跟踪太阳的数学机构模型，1998年6月完成专利申报、2002年12月4日专利授权。2003年12月试制成功同步跟踪光伏发电装置和阳光传输装置，2006年1月研制成功17㎡同步跟踪装置，在此基础上2007年1月22日完成17㎡同步跟踪聚光供热装置的研制工作，并将其用于吉林大学建设工程学院绿色能源开发实验室的地源热泵系统。发表论文有：《浅谈建筑与太阳能一体化》、《太阳能光伏电站间歇跟踪之失败》《农村能源》《加强开发同步跟踪技术、发展太阳能产业的建议》等多篇。

摘要：本文介绍了固定光伏电站和矢量跟踪技术在使用中的一些情况，分析了固定光伏电站和同步跟踪光伏电站的资源、经济和环境成本，探讨了固定光伏电站接收效率低和矢量跟踪技术可靠性差的原因，提出了在光伏电站上应用线性(同步)跟踪技术的方法，以提高效益，降低成本。指出同步跟踪(非聚光)光伏电站、特别是固定光伏电站在日照时间较短、太阳能辐射量相对较少的内地使用不具有资源、经济和环境效益，同步跟踪光伏电站在日照较好的敦煌等日照时间较长地区应用具有一定的经济社会效益。

主题词：线性(同步)跟踪，矢量跟踪，光伏发电，资源成本，经济成本，环境成本。

引言

目前，应用固定式光伏电站较多，但是，由于其经济、资源和环境成本高，使用和推广受到极大的制约。从理论上讲，一般固定式光伏电站相对于使用地的太阳能辐射量而言接收效率只有70%左右。说得更具体点，固定电池板有效接收太阳能的角度约为120°～150°，超过120°这个范围的太阳能量的接收效率很低,超过150°时的接收能量已不具备输出价值，而在北纬40°以上的地区夏至时节太阳能的角度可达210°以上。因此，将固定电池板装在同步跟踪机构上，在不同地区使用可提高接收效率40%～60%、降低发电成本25%～45%。

1非线性跟踪技术现状

在一些工程技术人员看来，跟踪太阳是最简单不过了，所以人们选择了以传感器控制和水平轴与垂直轴跟踪太阳高度角的技术方案，看似简单的技术路线，实际上是走了一条高次函数、非连续运行的技术路线，将太阳有规律的数学轨迹复杂化了，并使装置在较为恶劣的力学环境和严重瞬间过载的条件下运行，最终导致装置破坏而失败。

太阳的高度角是由于这两个视运行轨迹合成的，是个矢量角。将太阳的高度角作为跟踪对象，就要有两套控制电路、两套不同的控制程序和两套不同的驱动机构。

从1954年前苏联的塔式跟踪技术到1982年由美国政府和多家投资公司建造了总规模达10540kw的非线性间歇跟踪太阳能电站。其聚光光伏电站的造价仅为固定光伏电站的37.5%，是当时(也是现在)造价最低的光伏电站 ^[1]。1987～1992年，上述非线性间歇跟踪光伏电站因“齿轮箱破坏、齿轮打滑、漏油”故障频发 ^[2]、维护成本过高不得不拆除^[3]，造成了十几亿美元的经济损失。但是，人们到一个珍贵的数据，即跟踪的太阳能光伏电站比固定的提高接收效率69%，达到了当地太阳能辐射量的139%以上，减低成本62.5%。^[4]

图1、是1983年建成当时全球最大的6,500千瓦Carrisa Plains电站，这个电站因维护费用过高1992年全部拆除，其损失高达10亿美元。图2是1994年我国引进美国的15kw聚光光伏电站，因其故障率过高、维护费用太大不得不改为非跟踪的固定电站。这种电站在美国一共安装了15套，计2160㎡225kw，运行了5年，无故障运行时间不超过6个月。

2线性跟踪技术

相对于地球而言，我们提出太阳视运行轨迹的概念：即地球的自转和在黄道面上绕着太阳平移时所形成已知的、在一定周期内有规律的相对于地面的视运行轨迹，其参照坐标为地轴和地球赤道面，依据这一轨迹函数方程，建立同步跟踪方法和理论、设计同步跟踪机构。其特征在于用一个电机的时钟机构驱动装置跟踪太阳的真时角,用与时钟机构联动的修正正弦函数机构驱动太阳能接收装置跟踪太阳的赤纬角(仰角)，能量经接口输出，实现实时同步连续跟踪太阳的时角和赤纬角，这种方法我们称之为线性跟踪，或称之为同步跟踪^[5]。

实践证明，用这一方法制造的装置静风时驱动功率不超过0.20w/㎡，八级大风时的驱动功耗不超过0.26 w/㎡。在内地应用，其装置的驱动扭矩可按550N/㎡设计，这种情况下装置的驱动功率不超过0.40W/㎡；在沿海地区可按720N/㎡设计，驱动功率不超过0.50W/㎡。

图3所示为2006年1月10日开始试运行、2007年1月22日开始运行用于地源热泵装置热能补偿的17平方米同步跟踪聚光供热装置。其旋动部分重量为740㎏，该装置的设计驱动功率7瓦,驱动扭矩7kN·m，抗风载荷550N/㎡，钢结构采用热浸镀锌工艺，装置可用寿命可达50年。2006年1月23日下午4时许，长春刮8级阵风，装置的驱动功耗为4.4W。

从太阳视运行轨迹分析，地球自转形成太阳时角与时间的函数关系，地球绕着太阳在黄道面上平移形成了赤纬角与时间的函数关系，这两个轨迹在运动的形式上是不同的，但是与时间的关系是有联系的统一体，在一定的时间范围和空间范围内是线性的、有规律的。

其真太阳时的角速度为平太阳时+时差E_t：

其中时差的相似表达是：

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

赤纬角的相似表达是：

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

θ为与地球自转相关的时间参数^[6]。

同步跟踪机构的破坏力来自于风害，因此设计时考虑使用地最大建筑抗风载荷对装置的影响，以满足其正常运行的扭矩条件即可长期稳定运行。

由于结构原因，矢量跟踪技术为回避风害，在设计时必须考虑收帆程序，收帆运动使装置的角速度相对过大，其在启动、特别是停止瞬间产生了一远远大于抗风载荷的加速动量矩，而这情形又在传感器的控制之下频繁出现，使得驱动机构短期内在其反用力的作用下破坏，降低了装置的可靠性。这也是2006年中国科技部在相关技术立项中只能将水平跟踪装置的寿命定为5000小时、仰角跟踪机构的运行寿命定为2000小时的原因，而这一指标与当年Carrisa Plains电站的实际运行情形没用显著进步，是一低水平、没用实际价值的技术指标。

同步跟踪技术的驱动控制与矢量跟踪技术比较采用一个相对极小的小功率步进电机，而且启动电流小，控制环节少，驱动控制装置的成本为同等规模矢量跟踪机构的十分之一；按最大风载荷设计其驱动扭矩，比满足矢量跟踪机构承载能力的加速动量矩要小75%～90%。同步跟踪机构的角速度约为0.25°/min，驱动动能小且实时释放，运行时不存在动能积累，需更换的易损零件少，故维护费用低、制造成本低、运行可靠、寿命长。

3固定光伏电站效益分析

以深圳、北京和上海的太阳能资源数据、建成太阳能电站所输出的实际数据，参照相关现实的工业技术参数，对上述三地使用太阳能光伏电站的经济、资源和环境效益进行分析。

以目前的技术和生产水平，按其能源消耗成本占资金消耗70%^[10]、电价6美分/kwh计算，生产1kw太阳能电池的电力消耗约为8万kw·h。按火力发电消耗0.33㎏/kw·h标准煤消耗计，建造一个1kw太阳能电站需消耗26.4吨标准煤，排放CO₂84.64吨。

按发1kwh电，消耗0.33㎏标准煤、排放1.058㎏CO₂计。

3.1深圳国际园林园光伏电站

这个电站总投资750万美元，发电总装机容量1MW。2005年该电站向电网输送98万kw·h^[7]。按此计算(不计衰减和维护费用以下同)，在30年内可向电网输送电力2940万kw·h，其静态输电成本为0.255美元/kw·h。具体分析如下表：

3.2北京屋顶电站

这个太阳能电站总装机容量140千瓦，年发电量约15万kw·h^[8]。这座电站的总投资约为980万元，按30年寿命期计，其静态发电成本不低于2.18元/kw·h，按6%利率计，不含税金的发电成本约为6.09元/kw·h。北京的平均太阳能辐射量为1535kw·h/㎡年，故此电站相对太阳能辐射量的效率只有69.8%。

3.3上海电站

3kw太阳能发电站资金消耗15万元。在上海。1kw的太阳能发电站每年可输出电力960kwh^[9]，太阳能平均辐射量为1340kw·h/㎡年相对于太阳能辐射量的装置效率只有71.6%。按5万元/kw造价、30年寿命计，总发电量为2.88×10⁴ kwh，静态发电成本为1.736元/kw·h；按6%的利率计，不含税金的发电成本约为4.757元/kw·h。

如果建设10万屋顶的太阳能装置，就意味着要比使用火力发电增加320～370万吨标准煤的消耗，而这些标准煤可产生电力91.4～106亿度。

经济成本分析：保证太阳能电站盈利的价格将超过6.00元/kw·h，是现行火力电价的6～12倍，加上线损等成本，电网的销售价格将高于6.50元/kw·h以上，相对于运营商和用户而言，大大增加了经济负担，经济效益是负数。资源成本分析：使用太阳能电力的资源成本高于火力电能200%以上，不仅增加了能源生产消耗，而且增加了交通运输负担，资源效益是负数，这也符合日本专家2004年的有关论述^[9]。环境成本分析：使用太阳能电站给使用地减少了一定量的环境污染，但是，给生产地造成的CO₂排放量大于使用火力发电减排的2倍以上,不同的是其污染是在整个太阳能发电站的生产过程和生产地，污染远大于其减少的污染。

为提高光伏电站发电量，降低装置成本的努力，从1954年太阳能电池诞生之日起从未停止过。但是，由于单晶硅的生产工艺复杂、能耗成本较高，从技术上讲降低成本的难度愈来愈大。由于石油涨价，从经济上讲愈来愈难。上个世纪，石油价格30美元时，单晶硅的价格为65美元/㎏；石油价格50美元时，单晶硅的价格为75美元/㎏。目前石油价格60多美元，单晶硅已卖到了150美元/㎏。据此，技术因素降低成本的幅度受制于资源价格波动影响，也受到地缘政治、经济政策和经济战略等多种因素的影响。并有将单晶硅生产中高能耗、高污染、低成本、低附加值的工艺环节向我国转移的倾向。在这种情况下，采用同步跟踪技术提高光伏电站的接收效率、降低输出电力的成本不失是一种可行的选择。

在200Wp同步跟踪光伏发电检测对比装置制造成功后，我们开发了计算机检测装置，在长春相对于200Wp固定光伏电站进行了对比检测，如图4～图7所示。

自2004-4、2004-6-7、6-9和6-11有记录的检测数据可以看出：

同步跟踪机构的接收效率从春分到夏至这一段时间内是增加的。固定装置在早上6:10至下午4:30这段时间内以外的太阳能接收能量已不具有实际输出意义，其有效接收角度只为150°左右，而夏季这段时间的太阳能垂直辐射强度达峰值的90%，水平辐射强度按期高度角的余弦值也达到峰值的40%以上，所以，固定装置的接收能量要比水平辐射总量约少很多。

日照率愈高接收效率愈高，差别愈大。在6月11日以后的晴朗天气条件下接收效率比固定装置高出 100%。在内地日照时间较短的环境条件下，按太阳辐射量计算跟踪效率约提高40%、当日照时间大于3000小时的话，按太阳辐射量的计算跟踪效率预计可提高50%以上。

加装同步跟踪机构后的社会经济效益分析

从上述分析可以看出：固定电站的静态发电成本为1.81～2.22元/kwh，投入与产出平衡的时间与排碳平衡的时间要63～82年。这说明固定光伏电站要实现投入资源的产出平衡，其装置成本要降低52.3%～63.4%，从技术角度讲难度很大。而从经济、资源和环境角度讲也只是平衡，并没有产生效益、创造价值。因此，大规模应用固定光伏电站，其可行性、特别是在较少温室效应等在各方面是值得商榷的。

采用同步跟踪机构后发电量可增加70% ～79%，发电成本可降低37.6%～41.5%,资源消耗和排碳的平衡时间可缩短20～32年。同步跟踪光伏电站要实现投入资源的产出平衡，其装置成本要降低18.9%～40%，从技术角度讲难度仍然很大。如果光伏电站的转换效率在50年不衰减的话，在上海，可以产生35.1%的资源和环境效益；在北京，可以产生6.4%的资源和环境效益；在深圳，也只能实现资源和环境效益的平衡。

上海新建筑多为坡顶，旧建筑多为平顶。坡顶只能在坡的一面安装固定光伏电池，利用面积有限。平顶安装固定光伏电池比较灵活，可以充分利用有限的面积。如果安装同步跟踪光伏电站的话，可将两方面情况结合起来，使光伏电站的安装面积更大增大，发电量更多。

按上海的太阳能辐射量和同步跟踪光伏电站的输出效率，在其屋顶，每年可输出电力120～191kwh/㎡，每套装置可输出3500～7500kwh，如果安装10万套同步跟踪光伏电站、每套按3kw计，年输出电力为4.67亿kwh。

以目前上海筹划的十万屋顶计划为例，如果采用同步跟踪技术的预计可以实现的资源、经济和环境效益分析如下：

上海十万屋顶光伏计划采用同步跟踪技术的社会经济效益分析

如按其能源消耗成本占资金消耗70%(其中直接消耗约为40%，间接消耗约占60%)，制造十万(30万kw)同步跟踪光伏电站的电力消耗约为189亿kw·h，合标准煤623.7万吨，排放CO₂2000万吨。在上海使用每年可输出电力4.784亿kwh，30年总发电量143.514亿kwh，占消耗的76%，平衡时间要39.5年，比固定装置缩短21年。

6同步跟踪机构用于未来的甘肃沙漠电站

按60㎡(或120㎡)设计同步跟踪光伏电站，其输出功率为7.2～9.6 kw(14.4～19.2kw),8兆瓦需要60㎡的同步跟踪装置840～1110(120㎡的420～560)个。按装置的抗风扭矩及抗风载荷设计值为720N/㎡，静风驱动功率为9W，大风驱动功率为18W，最大驱动扭矩18000N·m。装置宽度6m，安装间距8～9米。

按敦煌的太阳能辐射量6882.1MJ/㎡(合1911.7kwh)和同步跟踪光伏电站的输出效率，其1kw装置每年可输出电力2275kwh。以目前5.4万元/kw的价格水平，分析敦煌8兆瓦光伏电站采用同步跟踪技术的社会经济效益：

敦煌8兆瓦光伏计划采用同步跟踪技术的社会经济效益分析

如按其能源消耗成本占资金消耗70%(其中直接消耗约为40%，间接消耗约占60%)，制造8兆瓦同步跟踪光伏电站的电力消耗约为5.04亿kwh、合标准煤16.632万吨，排放CO₂ 53. 4万吨，25年减排64.48万吨，平衡时间21年。在敦煌使用这一装置的资源和环境效益大于投入，如果装置能运行30年的话，其消耗和排放约为制造的144.9%。

7结论

在内地使用光伏电站，如果实现其资源、经济和环境成本平衡的条件是：将其固定光伏电站(包括敦煌)的生产成本降低52%～63%、跟踪光伏电站的成本降低19%～40%，从技术角度讲难度较大。因此在常规能源有优势的内地使用固定光伏电站的经济、资源和环境成本远高于火力发电，无论是在经济上的投入产出率、还是制造时资源上的消耗、产生的污染，与其使用地产生的经济效益、节省的资源消耗以及减少的环境污染比较，是得不偿失的。

在敦煌等日照比较丰富的戈壁沙漠，采用同步跟踪光伏电站的资源、环境效益高于内地，相对于制造的消耗与排放比较，其资源和环境效益较好。

图1、1987年建成1992年拆除的6,5MW电站

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2是1994年我国引进的15kw聚光光伏电站(未能正常运行)

图3所示为2007年1月22日研制的17平方米同步跟踪聚光供热装置

图4所示2004-4-6接收效率比较：146%

图5所示2004-4-7接收效率比较：189%

图6所示2004-6-9接收效率比较：196%

图7所示2004-4-1接收效率比较：228%

 

参考文献：

1.崔容强，美国光伏技术发展新动态，太阳能，1988,4,18～21；

2.严陆光，太阳能发电的现状与展望，太阳能，1995,2,5～8；

3.J.C.Schaefer,IEEE Transaction Energy Conversion,232,1.5 (1990).

4.毛荫秋编译、江建民校，美国Carrisa Plains 6MW光伏电厂情况介绍，新能源，1992,9,9,30～36；

5.魏明，一种同步跟踪太阳的方法及能源站，ZL98115712.2，H02N 6/00

6.王炳忠，太阳能辐射计算讲座。《太阳能》1999，2，8～9。

7.央视国际 (2004年09月08日 17:54)

8. http://www.newenergy.com.cn　2006-2-14 10:50:00　新华网

9.《太阳能信息—光伏专刊》

10．日刊文章，替代能源被夸大 努力节能是正道，《参考消息》，2004,10,19；