杆上阵列：固定和可跟踪方案

杆上阵列依附在坚固的铁杆上，铁杆牢固地固定在地面上。如果是相对较小的阵列，可以通过在地面上钻洞来固定铁杆。对于常见的较大的阵列系统，就需要混凝土基座来固定铁杆（见图8-1）。通常阵列安装在铁杆顶部，少数情况下也可以安装在铁杆的侧面。

图8-1 固定的杆上阵列。每个阵列以该位置的最优角度，安装于固定在地上的杆上。在一块场地上选择杆上阵列的安装地址有一定的灵活性。

通常在铁杆顶部安装底座以调节阵列的安装角度有更大的灵活性，可使操作员季节性调整阵列的倾斜角来适应太阳高度角的变化。杆上阵列也可以跟踪太阳光（阵列根据太阳在天空中的方位自动调整）。

杆上阵列通常是固定的，也就是说阵列的方位角和倾斜角在一年中都保持不变。在这种情况下，安装人员选择一年到头最适宜的角度。如第4章所说，最适宜角度的数据可以从美国国家航空和航天局的地表气象学和太阳能网站上得到。

为了提高阵列的输出，可以考虑采用可调杆上阵列，也称作季节性可调杆上阵列。手动可调阵列可以根据季节调整阵列的倾斜角来提高阵列输出。尽管阵列在一年中可以调整四次，即春夏秋冬各调整一次，但大多数人只做简单的调整，即一年调整两次。首次调整在春分附近，在那时，调整阵列角度，使之等于阵列所在位置纬度减去15°，之所以减小阵列的倾斜角，是因为这样阵列可以接收更多的高角度夏季的太阳光。第二次调整在秋分附近，在那时，调整阵列角度，使之等于阵列所在位置纬度加上15°，因为这样调整阵列的方位就可以使它更直接地面向低角度冬季的太阳。

调整倾斜角的好处

除了增加能量输出以外，使阵列倾斜可以更好的接收冬季低角度的阳光，同时可以比水平的阵列更好地摆脱雪的遮挡。在高纬度地区阵列安装成与水平成大角度，还可以接收雪地上反射的太阳光。

正确调整倾斜角

大多数的太阳能专家建议每年调整两次：在立夏的前后调整第一次，在立冬的前后调整第二次。经验规律是，在夏季倾斜角设定为纬度数值减去15°。例如，如果你生活在北纬40°地区，在夏季倾斜角应该为25°左右。为了使冬季的能量输出最大，阵列的倾斜角应该设定为纬度数值加上15°。如果你的家或者企业在北纬40°地区，那么在冬季倾斜角应该为55°左右。

尽管根据经验规律的工作效果很好，我们还是建议你查一下美国国家航空和航天局的表格。美国国家航空和航天局的数据是以实际测量和当地云量之类的因素为根据而计算得到的。以表8-1为例，表中所指的位置是田纳西州的中南部，北纬35°。根据经验规律，该地方最佳冬季倾斜角是50°，最佳夏季倾斜角是20°。然而根据美国国家航空和航天局网站，使固定阵列全年最大能量输出的最优倾斜角实际是30°（见表8-1最后一行）。在冬季，最优倾斜角是54°～58°，比经验规律的50°略高。在夏季，最优倾斜角是2°～13°，比推荐的20°低了很多。一部分原因是在夏季的月份中，阳光更加充足。调整阵列使它更加水平，因而能接收更多的大角度夏季阳光，稍微增加了能量输出。

这两种决定倾斜角的不同方法的效果差别很小。例如，如果根据美国国家航空和航天局的推荐，用表8-1里的数据调整倾斜角，在冬季比按照经验规律确定倾斜角增加0.7%的输出，而在夏季能增加1.7%。尽管差别很小，但长期来看，一个很小的提高会得到上千千瓦时的电能增加。

表8-1 向赤道倾斜表面的月平均辐射量 （单位：kW·h/m²/天）

如在第2章提到的，为了适应纬度而调整倾斜角会影响阳光辐射的入射角。阵列越直接的朝向太阳，入射角就越低，阵列可利用的太阳能也就越大。当阳光入射角增加时，会对两个因子产生影响：能量密度和能量透射。大的入射角会减小能量密度，同时随着入射角的增加，透射过玻璃的能量减小，在玻璃表面发射出去的能量增加。在倾斜角低于20°或30°的范围内，能量密度和能量透射受倾斜角影响不大，只在超过45°时能量密度和能量透射才急剧下降。

季节性调节倾斜角可以提高阵列输出达10%～40%，这取决于阵列的纬度、阵列的位置和遮蔽情况。调整很简单，只需要调松阵列底座后面螺栓上的螺钉，然后使阵列向上或向下倾斜就可以了（见图8-2）。磁力测角器用于调整倾斜角，一旦角度正确，就把螺钉拧紧。

图8-2 为了增加能量输出，季度性调整杆上阵列的倾斜角可以使阵列角度随着太阳高度角的改变而改变。

第三种杆上阵列的安装方案是采用跟踪装置，这是一种很引人注目的选择。这种方案采用一种机械机构控制阵列的移动来使阵列一直朝向太阳（或者尽可能朝向）。有两种跟踪装置可以选择：单轴装置和双轴装置。

单轴跟踪装置顾名思义，只调整一个角度——方位角。单轴跟踪装置使阵列随着从日出到日落太阳方位角的变化从东向西转动。单轴跟踪装置阵列的倾斜角既可以是固定的，也可以在一年中手动调整两次或四次来适应四季中太阳高度角的不同。

随着太阳方位角和高度角的变化来调整阵列的追踪装置就是双轴跟踪装置。这种跟踪装置像单轴跟踪系统一样，使阵列随着从日出到日落太阳方位角的变化从东向西转动。如在第2章讲到的，太阳高度角在日出时是0°，到正午变到最大点，然后在日落时又减小到0°。在夏天的正午，阵列可能要接近与地平线平行，这样才能使它接收到夏日直射的阳光。

双轴跟踪装置在高纬度地区更有效果，因为那里夏季的日照时间长。在热带地区，双轴跟踪装置和单轴跟踪装置表现基本一样。

跟踪装置可以提高阵列的年总能量输出，而对能量输出造成最大影响是在夏季，这时的白天更长而且通常阳光更加充足。在白天时间短、经常阴天的冬日，能量输出提升效果不明显。对于安装采用净计量电价的并网系统，跟踪装置在夏季的能量额外输出对冬季较低的产能可以起到补偿作用。然而对于非并网系统，跟踪装置的用处不大，因为夏季过量的阳光通常被浪费了。一旦电池充满电，阵列的能量输出就没地方去了（如第7章中充电控制器部分的介绍，阵列一般是短路或者开路状态）。(www.xing528.com)

跟踪装置既可以主动跟踪，也可以被动跟踪。主动系统用小型电动机来调整阵列的角度。在白天随着太阳高度角和方位角的改变，阵列上的光传感器把信号传给控制器，起动电动机，使得阵列角度发生变化。电动机由以下方式供电：①直接来自光伏阵列产生的直流电；②蓄电池的直流电；③家用或商用的交流电（必须整流才能驱动阵列上的电动机）。大多数安装者都选择最后一种方式：用交流电给电动机供电。通常用安装在杆上的整流器将交流电转化为直流电。

图8-3 这个电子眼给控制器传递信号，控制器调节阵列的倾斜角和方位角来跟踪太阳。

图8-3所示是Dan帮忙安装的一个光传感器。图8-4a所示是调整方位角的电动机。图8-4b所示是调整倾斜角的电动机。装有电动机的跟踪装置由电脑程序控制，跟踪装置根据在具体地点已知的太阳方位来每天每小时调整阵列角度。

被动系统不需要传感器和电动机，经常被很多安装者优先选择。他们通常只跟踪太阳从东边到西边的方位角。被动跟踪系统在阵列的两边都装备有管，管里装有冷却液体（通常是氟利昂）。当阳光照射在管的左侧时，里面的液体被加热，进而汽化、膨胀。膨胀的气体进而使液体移到管的右侧。这就使得管子的重量向右侧转移，引起阵列向朝向太阳的方向转动。这种系统被标榜为可靠和值得信赖，然而接下来我们将会发现这种系统的一些局限。

主动和被动跟踪系统都可以提高阵列的能量输出，但是主动跟踪系统更加精确，也就是说跟踪太阳的效果更加好一些。为什么是这样呢？被动跟踪系统从日出到日落跟踪太阳，在日落之后，它就保持在面向西的状态。在早上太阳从东方升起时，没有被挡住的西侧的管被加热，使得液体向被挡住的东侧移动。在液体移向东侧的同时，跟踪系统转动，使阵列朝向东侧。很遗憾，被动跟踪系统要用1～2h才能使阵列转向东侧。然而，主动跟踪系统在日落后就转回东朝向，这样就在第二天早上提前1～2h产生电能。因此，在给定的时间段里，装有电动机的阵列比被动跟踪阵列能产生更多的能量。风也能使被动跟踪阵列转动，所以在有风的时候，阵列有可能不正朝向太阳。

图 8-4

a）这个电动机安装在杆的顶端，调整阵列的方位角，使之跟踪太阳在空中从东到西的轨迹。b）较小的电动机调整阵列的倾斜角，使之适应一直在变的太阳高度角。

跟踪装置的准确性有多重要？

在开始讨论的时候，我们说光伏模块在正面向太阳时产生大部分的电。当然这是对的，可是如果阵列有一点偏离方向时（如果它不正面向太阳）会损失多少能量输出呢？答案是很少。跟踪偏离和能量输出是一个很简单的数学方程，余弦方程（跟踪偏离是指垂直阵列表面方向和太阳照射方向的夹角）。正如下表所示，小的跟踪偏离对光伏输出影响很小。

Ryan Mayfield在杂志《Home Power》（104期）上发表的一篇文章中提到：“跟踪系统几乎适用于所有种类的阵列。”为了达到最佳效果，它们必须从中午到晚上接收来自太阳的能量。Mayfield还说，“如果某个位置由于山坡、树或者建筑物被遮挡，在早上10点前或下午2点后接收不到阳光，那么买跟踪系统就没有意义了。”那么应该买哪种呢（单轴跟踪装置还是双轴跟踪装置）？

双轴跟踪装置可能看上去比单轴跟踪装置产生更多的电能，而实际上它的优势是很微小的。如图8-5所示，单轴跟踪装置通常会使阵列的能量输出极大提升，双轴跟踪装置的输出超过单轴跟踪装置，但优势非常微小。

应该买主动跟踪系统还是被动跟踪系统呢？这个问题的答案取决于你生活在哪里。通常情况下，主动跟踪系统的适用范围更加广泛。无论在寒冷或是炎热的气候地区，还是在其之间的区域，主动跟踪系统都能很好地工作。在另一方面，被动跟踪系统在像明尼苏达州和威斯康辛州这些气候寒冷的地方的工作效果比单轴跟踪系统差一些。它们在冬天常常变得滞后和不准确。这是因为它们靠太阳光的热量来使氟利昂汽化。如果生活在气候寒冷的地区，那么应该考虑主动跟踪系统。

在气候温暖的地区，被动跟踪系统是更吸引人的选择，因为被动跟踪系统通常更加可靠。主动跟踪系统依靠控制器和电动机、传感器之类的电子部件。组成的部件越多，设备就越有可能出错。记住，固定光伏阵列系统里唯一移动的是电子；如果在一个简单的设计中加入机械的复杂性，就会引入磨损、裂痕、维护和修理。系统越复杂，就会出现更多的问题。在过去，光传感器通常是主动跟踪系统中最弱的环节，它们频繁地损坏，然后需要替换。然而近几年，制造商已经显著地改进了设计，使生产出的光传感器更加可靠。

图8-5 曲线图比较装有单轴跟踪装置和双轴跟踪装置的固定阵列的月能量输出。与普通固定阵列相比，单轴跟踪装置显著提高了年能量输出。双轴跟踪装置在此基础上增加很小。

现在，控制器是主动跟踪系统中最薄弱的环节。控制器里的电子电路整合来自光传感器的信息，通过控制电动机来调整阵列的倾斜角和方向角。遗憾的是这种电子电路对闪电很脆弱。尽管制造商加强了对主动跟踪系统的防雷保护，击落在附近或者直击的闪电仍然可以毁坏控制器，因此需要替换。

有些人说，这个问题的最好答案（应该安装主动跟踪系统还是被动跟踪系统）可能是两者都不选。尽管跟踪系统确实能够提高光伏阵列的能量输出，关键问题是增加的能量输出所需的代价如何。而且花费这些代价值得吗？或者说，有没有更简单、更可靠的方式来增加光伏阵列的输出？

赞成“不需要跟踪系统”观点的人指出，在大多数情况下，和安装带跟踪系统的阵列来增加能量输出相比，投资安置更多的光伏单元来达到相同的能量输出的效果反而更好。人们发现这两种方案最开始花费相同。当闪电击落在你家附近的时候，更大的固定阵列不会需要更换控制器。

如果你考虑安装跟踪系统，那么你有必要做一下计算，或者让安装人员帮你计算一下，然后再决定安装跟踪系统是否有意义。有必要考虑控制器的周期性替换，而且要记得在可能被遮挡的地方安装跟踪系统毫无实际意义。跟踪系统只适用于从日出到日落都不被遮挡的地方。