太阳跟踪器如何设计来匹配双面组件

太阳能组件行业发展趋势是变的更大更重，以及双面技术的更多采用，正在改变太阳能站点设计人员考虑跟踪系统的方式。

分布式发电 (DG) 光伏 (PV) 发电厂是全球能源结构的重要组成部分。DG电厂以低成本提供清洁能源，并且可以在短时间内开发、规划、建造和调试，从而快速响应不断增长的需求。

在美国大部分地区，DG电站因为经济性要求而使用单轴跟踪器，因此跟踪器的选择对于分布式发电的成功至关重要。两大行业趋势——更大更重的组件，以及双面技术的广泛采用——正在促使分布式发电厂的设计者对跟踪器产生不同的看法。这些因素是我们将在本文中探讨的因素之一，以评估三种类型的单轴跟踪器。

太阳能组件技术趋势

近年来，商用太阳组件变得越来越大和越来越重。例如，图1比较了阿特斯生产的两种组件——一个在 2018 年广泛使用，另一个在当下广泛使用。与几年前的组件相比，今天的组件面积几乎是原来的两倍，重量也是前者的两倍。

1. 组件尺寸从2018年增加到2022年，基于制造商的数据表。资料来源：阿特斯太阳能

今天的组件也越来越多地是双面的——也就是说，它们通过转换照射到组件正反两面的光来产生能量。如果美国制造的薄膜组件由于对本土化的担忧而获得市场份额，这种趋势可能会逆转。但现在和可预见的未来（图 2），DG发电厂的设计者大多使用大型双面组件进行设计，因此在选择跟踪器时需要考虑到这一点。

2、双面技术增长预期。资料来源：改编自国际光伏技术路线图，2022年3月，VDMA

单轴跟踪器的类型

DG项目中最常用的跟踪器类型是一块纵向 (1IP) 设计。这些1IP跟踪器（图3）将组件安装到单个扭矩管或两根檩条上，南北向延伸，因此每个组件的长边都是东西向的。1IP跟踪器由Array Technologies、FTC Solar、GameChange Solar、NEXTracker、OMCO Solar和Solar FlexRack等几家制造商提供给北美的DG项目，他们已经被安装了10年以上。

3. 单轴跟踪器配置。资料来源：OMCO太阳能

两块纵向 (2IP) 跟踪器不太常见，由 FTC、GameChange 和 Soltec 等多家跟踪器制造商提供。这些2IP跟踪器将成对的组件安装到扭矩管或两个南北向的檩条上，组件的长边是东西向的。

4. 2IP跟踪器。友情提供：OMCO Solar，Andrew Ballentine摄

不太常见的是两块横向 (2IL) 跟踪器（图4），它们安装成对的组件，每个组件的长边向南北延伸，平行于扭矩管或檩条。目前只有OMCO Solar在北美将2IL跟踪器商业化。

为分布式电站选择跟踪器

跟踪器成本是技术选择的主要因素，包括基础、结构、控制器和交付到站点的其他部件。1IP跟踪器通常成本最低，2IL略高，2IP明显更贵。2IP跟踪器的高成本是由于基础、扭矩管或檩条以及组件安装支架等结构材料造成的。

第二个考虑因素是每个追踪器抵御强风的能力。与2IP跟踪器相比，1IP和2IL跟踪器离地面较低，受风面积较小。2IP跟踪器更高，组件表面更多的向风，尤其是在跟踪器处于高角度时——日出后不久和日落前不久。这意味着2IP跟踪器在DG发电厂的整个生命周期内可能会带来更高的破坏性风事件风险。

5. 翼长和间距。资料来源：OMCO太阳能

第三个考虑因素是土地使用。在东西方向上，光伏电站的布局会根据跟踪器配置而有所不同，但间距和翼长之间的比率（图5）对于所有跟踪器配置应该是相同的——例如，它可能是 3：1. 因此，所有这些配置将在东西方向提供大致相等的土地占用。

但在南北方向上，三个因素可以将跟踪器进行区分。首先是柱子上是否有间隙以允许轴承突出到组件平面之上。许多1IP跟踪器都有这样的间隙，通常大约15英寸宽，它们会降低地面覆盖率 (GCR)；但是穿过这些间隙的光可能会略微增加能量产出。

南北方向的第二个考虑因素是跟踪器长度。更长的跟踪器意味着南北向跟踪器之间的间隙更小，这意味着更好的GCR。

第三是每个跟踪器在南北方向上跟踪地形的能力。2IP跟踪器比1IP或2IL跟踪器更短，因此它们可以更好地跟随地形。使用2IP跟踪器可以减少或消除对平整或其他土地准备的需要，这些都是昂贵的，因此对于丘陵地带的项目，这是2IP跟踪器的一大优势。

安全注意事项

由于当今大多数组件又大又重——超过30平方英尺和70磅——它们可能难以安装，并且在 DG发电厂的建造过程中可能会出现安全问题。1IP和2IL跟踪器都是低扭矩管，距地面约6 英尺，因此安装人员在安装组件时通常可以将脚放在地面上。但是2IP跟踪器要高得多——扭矩管距地面8到12英尺——需要使用梯子或其他方式来安装轴承、扭矩管，在某些情况下还需要安装组件。

使用梯子或其他方式在高处组装跟踪器会增加项目的工时，并可能增加发生事故的风险。Sunstall Inc. 总裁兼首席执行官 Helge Biernath 持反对意见，其他安装因素有利于2IP追踪器。“每MW的桩数存在巨大差异——2IP的桩数要少得多。在一些需要昂贵地基的地区，由于地面条件，更少的桩可以使2IP跟踪器的安装成本最低。至于更高的高度，显然不太理想，尤其是泥泞的地面——你需要更好地规划，找到正确的手段和方法。”

Biernath 还赞赏某些2IP跟踪器制造商设计的功能使组件安装更容易。“倾斜功能可以使地面组件安装变得实用……这简化了过程，”他说。

跟踪器类型的选择会影响将组件相互连接以及通过“直连”电缆为跟踪器末端供电的布线成本。2IP跟踪器所需的电缆总量可能更少，因为它们比1IP或2IL跟踪器短。1IP和2IL跟踪器需要大约相同数量的电缆，同时考虑组件到组件电缆和直连电缆。但是2IL跟踪器的布线成本可能比1IP跟踪器低一点，因为2IL跟踪器需要更少英尺的昂贵的直连电缆。

能量产出

选择的跟踪器类型也会影响DG发电厂在其使用寿命（可能超过30年）内产生的能量。当使用双面组件时，这就是1IP跟踪器的不足之处，而2IL跟踪器则大放异彩。

当双面组件的背面被扭矩管或檩条遮挡时，到达每个组件背面的太阳能通常会减少可用光的5%到10%。但一些电池被遮蔽得更多，使这些电池的输出减少20%甚至更多。由于这些阴影电池与其他背面电池串联，当双面组件安装在1IP跟踪器上时，整个背面的能量产生也可以减少20%以上。

如果反射率适中（被地面反射的阳光的百分比），例如0.3，则背面发电量约为正面发电量的10%，因此背面减少20%意味着整个DG电厂从背面产生的能量减少约2%。对于更高的反照率（雪可能意味着反照率约为 0.9），由于1IP跟踪器的背面遮蔽，DG发电厂产生的能量最多可减少 6%。

6. 2IP跟踪器比其他跟踪器投下更宽的阴影，减少背面能量产出。资料来源：OMCO太阳能

实际上，当使用双面组件时，1IP跟踪器的效率通常低于2IP或2IL。2IP跟踪器性能更好，但除非它们的高度几乎与宽度一样（超过12英尺），否则它们会投射出很宽的阴影（图6），从而减少背面生产。为了使用双面组件获得最佳性能（表1），扭矩管距地面的高度应与跟踪器的翼长几乎一样高——比率约为0.8比1。1IP和 2IL跟踪器的翼长均为6英尺至9英尺，因此可以在不使跟踪器太高（图7）以方便组装的情况下实现此比例。但是2IP跟踪器的翼长为12英尺到16英尺——至少是组件长度的两倍——所以为了达到这个 0.8:1 的比率，它们必须建造得非常高，这增加了劳动力成本和安全问题。

表1. 94英寸x51英寸组件的翼长，具有最佳双面生产所需的高度。资料来源：OMCO太阳能

7. 优化高度与翼长比，为了更好的双面生产，会使2IL跟踪器不切实际地高。资料来源：OMCO太阳能

安装和安全问题通常使2IP跟踪器保持较低，扭矩管通常为8英尺到10英尺，因此它们的高度翼长比低于1IP和2IL跟踪器，并且它们投射的阴影更宽，从而减少了能量产生。2IL跟踪器可以使背面敞开，并且可以和宽度一样高，因此在使用双面组件时可以预期它们会产生最多的能量。

可靠性也是为 DG 站点选择跟踪器的一个重要因素。1IP跟踪器在每个组件背面的一部分区域上产生阴影，由扭矩管或檩条投射。一些电池片在很大程度上被遮蔽，而其他电池片则没有。这会导致“热斑”，当阴影电池比未阴影电池更热时，因为阴影电池进入逆向偏压。发热会降低阴影电池的性能并加速周围层压材料的老化。

热斑可以通过旁路二极管来克服，旁路二极管包含在包括双面组件在内的市售晶体硅组件中。但是，当激活每个旁路二极管时，该组件产生的能量会减少，通常减少六分之一。由于该组件与其他组件串联——通常每串24到30个组件——这些组件产生的能量将类似地减少。

表2. 跟踪器配置的选择标准。资料来源：OMCO太阳能

解决方案是使用背面敞开的跟踪器，这样就不会有电池片被结构件遮挡。大多数2IP和2IL 跟踪器满足此要求，但1IP跟踪器通常不满足此要求。表2总结了具有双面组件的 DG 项目的每个跟踪器配置的优势。

不同设计的优缺点

大多数DG项目将通过对所有可用技术的全面评估而受益。可能适合一个项目的东西，但却不是另一个项目最好的选择。以下是需要考虑的利弊：

■ 1IP跟踪器可从多个供应商处获得，并且通常成本低、安装人员熟悉、相对容易安装并且与大型组件兼容。但是，由于背面遮蔽，1IP 跟踪器在使用双面组件时具有明显的缺点——较低的能量产生和潜在的可靠性问题。

■ 2IP跟踪器的供应商较少，而且比1IP 跟踪器贵。它们的背面通常是敞开的，这增加了双面产量，但对于大型组件来说并不理想——由于跟踪器的高度，风风险、人工成本和安全问题更高。

■ 2IL跟踪器具有低成本、低风风险、易于安装和使用双面组件时最高发电量的特点。大多数跟踪器供应商不提供它们，但上述行业趋势——更大的组件和双面技术——可能会导致更多跟踪器供应商开发2IL跟踪器。

— Matt Kesler是 OMCO Solar 的太阳能技术总监。