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論文導讀:：國內(nèi)外的太陽能接收裝置一般分為兩種：跟蹤陽光式和非跟蹤陽光式。評價太陽能接收裝置的經(jīng)濟性指標通常有：裝置組成經(jīng)濟性、光伏轉(zhuǎn)換率的經(jīng)濟性、日常運行維護經(jīng)濟性和能源、材料使用的經(jīng)濟性。從經(jīng)濟指標的幾個方面分析，跟蹤式太陽能接收裝置用于公路照明的經(jīng)濟性全面優(yōu)于非跟蹤式�？梢钥闯�，跟蹤陽光式接收裝置用于公路照明的經(jīng)濟效益是非常巨大的，而且低碳環(huán)保，值得全社會推廣和應(yīng)用。
論文關(guān)鍵詞：太陽能，跟蹤，接收裝置，經(jīng)濟分析

　　0引言
　　面對如今嚴重的能源危機，使用太陽能擁有很多優(yōu)勢。太陽能屬于再生能源，目前常見的再生能源主要有風能、水能、太陽能和地熱，其中，太陽能是總體上最可利用的再生能源。與風能相比，穩(wěn)定性較強，受季節(jié)、季風影響較��；與水能相比，太陽能地理位置局限性較小。地熱跟水能一樣，受地理位置的局限性，而且有足夠的地熱可以發(fā)電的地方并不多[1]。所以國內(nèi)外專家學者都在對其進行大量的研究，但光-電轉(zhuǎn)換收集太陽能的效率問題，各國的裝置普遍都較低。目前，太陽能接收裝置分為跟蹤式和非跟蹤式：非跟蹤陽光接收裝置，即固定式，太陽能接收板朝向固定，不隨陽光移動而變化；跟蹤陽光接收裝置則是接收板隨著陽光偏移而自動轉(zhuǎn)向，像“向日葵”跟隨太陽旋轉(zhuǎn)一樣。
　　縱覽國內(nèi)外的種種太陽能電池，絕大多數(shù)是采用非跟蹤式接收裝置，這種方式下提高光-電轉(zhuǎn)換效率的研究方向主要有提高采光面積，研發(fā)蓄電池新型材料及智能充放電和控制燈具關(guān)、開等。但是，隨著陽光的移動電池板與陽光投射傾角不同經(jīng)濟分析，所以非跟蹤式太陽能接收裝置每個時段獲得的太陽能是不等的[2]，因此光-電轉(zhuǎn)換太陽能的總效率低。在此基礎(chǔ)上，人們開始研究如“向日葵”跟隨太陽旋轉(zhuǎn)的光伏電池，但因為成本高，控制精度不夠，使用壽命短，維修和維護成本比非跟蹤式接收裝置更高等原因無法推廣。本文便是在研制了陽光跟蹤器自動控制方案后，對非跟蹤式和跟蹤式兩種接收裝置在太陽能公路照明應(yīng)用方面進行的經(jīng)濟分析。
　　1評價公路照明用太陽能接收裝置的經(jīng)濟指標
　　太陽能接收裝置經(jīng)濟性分析指標一般涉及四個方面：
　�。�1）裝置組成經(jīng)濟性，即一次性投資成本。在得到足夠的電能轉(zhuǎn)換前提下，與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，太陽能的少去了設(shè)置照明供電系統(tǒng)和照明配電系統(tǒng)兩部分，而非跟蹤式和跟蹤式太陽能接收裝置的一次性成本都包含成套照明燈具和安裝工程量（燈具安裝和調(diào)試）兩部分。因此，在評價這個方面時，需從成套照明燈具和安裝工程量兩個方面來分析。
　�。�2）光伏轉(zhuǎn)換率的經(jīng)濟性，即在除跟蹤與非跟蹤區(qū)別之外系統(tǒng)其他部分完全一樣的條件下，日常工作時，兩種太陽能接收裝置的轉(zhuǎn)換效率。太陽能光伏系統(tǒng)的總效率由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率及負載的效率等組成。目前，太陽能電池的轉(zhuǎn)換率只有17%左右，而控制器、蓄電池均遠高于此。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價可提高太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟性。
　�。�3）日常運行維護的經(jīng)濟性。在照明系統(tǒng)投入運行后，就會有運行成本產(chǎn)生，與它直接相關(guān)的系統(tǒng)日后投入包括經(jīng)費和人力。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的運行維護成本一般由人力定期巡查成本、產(chǎn)品更換成本等兩大部分組成。目前，太陽能照明系統(tǒng)運行檢查尚無相關(guān)規(guī)定予以規(guī)范，運行過程中的監(jiān)控一般是采用遙控巡檢測試為主，人力現(xiàn)場定期檢測為輔的方式。遙控巡檢測試一般的檢查內(nèi)容有：太陽能電池狀態(tài)、充放電狀態(tài)、照明器運行狀態(tài)等。人力定期巡查成本可忽略不計，而遙控檢測的設(shè)備已在一次性投資中計算過了，在運行維護成本中無須再計算核心期刊目錄。太陽能照明系統(tǒng)的產(chǎn)品更換成本，沒有供配電線路維護、更換和配電箱維護、更換成本，但有控制設(shè)備的更換、燈具的損壞更換等。因此，日常運行維護的經(jīng)濟性主要是由產(chǎn)品更換成本來反映。
　　（4）能源、材料使用的經(jīng)濟性。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的能源消耗一般包括電能消耗和金屬銅消耗兩部分。與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，太陽能照明系統(tǒng)的電能直接由太陽能電池板轉(zhuǎn)化提供，沒有鋪設(shè)供配電線路網(wǎng)絡(luò)，所以供配電系統(tǒng)電能損耗幾乎為零。太陽能轉(zhuǎn)換效率足夠時，可以不使用國家電網(wǎng)的電能。另外，太陽能照明系統(tǒng)沒有長距離的電能傳輸配電線路，所以配電導線用量與傳統(tǒng)公路照明系統(tǒng)相比可忽略不計。因此，太陽能照明系統(tǒng)在能源、材料使用的經(jīng)濟性上較傳統(tǒng)照明系統(tǒng)有無可比擬的優(yōu)勢。另外，從節(jié)能和環(huán)保的角度考慮，它降低了碳排放量更是值得大力推廣。
　　2跟蹤陽光式接收裝置在公路照明中的應(yīng)用
　　2.1太陽能公路照明現(xiàn)狀
　　中國人口眾多，而能源卻相對貧乏，人均資源占有量不足世界人均值的1/2，按照現(xiàn)在中國的能耗，我國將在全球率先面臨石化能源枯竭的挑戰(zhàn)。為了緩解能源緊缺的現(xiàn)狀經(jīng)濟分析，發(fā)展可再生能源越來越緊迫，太陽能的利用應(yīng)當引起廣泛的關(guān)注。而太陽能用于公路照明是太陽能應(yīng)用的典范，因為這種應(yīng)用有很大優(yōu)勢：在公路上一般無太陽的遮擋物，太陽光照比較充分；另外公路一般為政府統(tǒng)一規(guī)劃，易統(tǒng)一安裝使用先進的公路設(shè)施、設(shè)備。但是目前國內(nèi)太陽能公路照明的應(yīng)用尚處于起步階段，幾組典型數(shù)據(jù)如表1所示。
　　表1 國內(nèi)公路照明太陽能應(yīng)用情況
　　

國外太陽能應(yīng)用進展較國內(nèi)的要快一些。目前全世界有136個國家正在普及推廣應(yīng)用太陽能發(fā)電技術(shù)，其中95個國家正在大規(guī)模研發(fā)和生產(chǎn)各種太陽能發(fā)電設(shè)備和太陽能電池應(yīng)用產(chǎn)品。2005年全世界太陽能電池電能總產(chǎn)量已經(jīng)達到2000MW。其中日本發(fā)展較快，太陽能電池產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的50%，10年內(nèi)太陽能電池的每瓦成本下降90%。2001年時日本太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量為450MW，2003年為887MW，2004年達到1900MW，估計到2008年達到2350MW，2010年達到5000MW。2010年全世界太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量達到18000MW。
　　2.2跟蹤陽光式接收裝置在公路照明中應(yīng)用
　　公路照明用跟蹤陽光式太陽能接收系統(tǒng)的設(shè)計，主要需進行燈具選擇和控制方案選擇。
　�。�1）燈具選擇。傳統(tǒng)的公路和城市道路照明沿用的是普通型高壓氣體放電燈，如普通型高壓鈉燈，它的特點是光效高、壽命長，但光色較差。近年來，人們的目光開始注意到一種新型功率型LED照明燈具。LED是一種固態(tài)半導體器件，它具有體積小、壽命長、可靠性高、能在低壓環(huán)境中工作等優(yōu)點。LED路燈比傳統(tǒng)路燈的性能要高，綜合節(jié)能60%以上。雖然LED路燈的成本高于傳統(tǒng)路燈的3倍，但從長遠考慮，就3公里道路LED高出的成本在未來的2.74年即可用它節(jié)省的電費來補償，所以現(xiàn)在公路照明燈具選擇LED燈更加合理。
　�。�2）控制方案選擇。目前國內(nèi)外已有的跟蹤式太陽能接收裝置的跟蹤方式可分為單軸太陽能跟蹤器和雙軸太陽能跟蹤器兩種。由文獻[3]可知：雙軸跟蹤系統(tǒng)能夠最大效率的利用太陽輻射能量，單軸跟蹤系統(tǒng)的利用率雖然比雙軸跟蹤系統(tǒng)的稍低，但比固定安裝式系統(tǒng)的高，其控制也較雙軸跟蹤系統(tǒng)簡單。
　　單軸跟蹤系統(tǒng)一般采用： ①傾斜布置，東西跟蹤；②焦線南北水平布置,東西跟； ③焦線東西水平布置,南北跟蹤。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向跟蹤,工作原理基本相似[4]。比如，按地區(qū)日照平均值選擇太陽能電池板南北向傾角固定安裝，利用單軸控制器實施對同步電動機的控制，同步電動機帶動太陽能電池板根據(jù)日照情況每隔一定時間東西向旋轉(zhuǎn)一個固定角度，這樣便實現(xiàn)了對陽光能量的跟蹤式接收。中國西北地區(qū)的緯度高使得它的日照時間較長，太陽能非常充足，系統(tǒng)利用率也高，更易提供公路照明所需的電能。因此，像西北地區(qū)這樣太陽能較充足的地帶，更適合采用單軸太陽能跟蹤器。
　　單軸控制方案雖能完成跟隨太陽光線并進行適時的調(diào)整其入射角，但它還存在不足。對于如浙江省這樣光照不是很充足的地區(qū)，若只按一個方向控制太陽能電池板還是不能充分提高太陽能的利用率。解決方法是：根據(jù)系統(tǒng)所在地域的緯度和經(jīng)度設(shè)置兩臺電動機進行陽光跟蹤。陽光可以分解為2個分量，一個垂直于太陽能電池板表面，另一個平行于電池板表面，前者的輻射能被電池板吸收轉(zhuǎn)換，后者則不然。實際使用時應(yīng)盡量使陽光和電池板法線的夾角即入射角θ小。陽光入射角θ不僅隨每天的日照時間變化而且也隨季節(jié)變化經(jīng)濟分析，因此固定一個方向安裝的太陽能電池板不能充分吸收太陽輻射能量。雙軸跟蹤就是將太陽能電池板繞2個互相垂直的緯度和經(jīng)度角轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，能同時跟蹤太陽的方位角和高度角，在理論上可完全跟蹤太陽的運行軌跡以實現(xiàn)入射角θ為0°。這就是全跟蹤即雙軸（經(jīng)緯）太陽跟蹤，因此像浙江省這樣太陽光照不是很充足的地帶，更適宜采用雙軸太陽能跟蹤器。
　　 　　3兩種公路照明用太陽能接收裝置的經(jīng)濟性分析
　　根據(jù)前面提出的評價裝置的經(jīng)濟指標，下面對非跟蹤式和跟蹤式太陽能接收裝置進行經(jīng)濟性分析。
　　3.1兩種太陽能接收裝置的一次性投資成本
　　在太陽能轉(zhuǎn)換的電能充足時，與傳統(tǒng)公路照明相比，太陽能公路照明系統(tǒng)在一次性投資的系統(tǒng)組成方面減少了配電箱安裝和線路敷設(shè)安裝兩個環(huán)節(jié)，所以只需從燈具和安裝工程量兩方面進行比較。跟蹤式太陽能公路照明系統(tǒng)在安裝工程量上，比普通固定式即非跟蹤式的調(diào)試量多出了一部分。兩種太陽能公路照明系統(tǒng)一次性投資資金組成如表2所示核心期刊目錄。
　　表2 太陽能公路照明系統(tǒng)一次性投資資金組成
　　

由表2可知，跟蹤式一套設(shè)備的成本比非跟蹤式高兩百元左右。在太陽光照很充足的地域，若采用固定式太陽能接收裝置并在其效率較低時也能滿足照明的電能需求，則固定式裝置在一次性投資成本上相對有優(yōu)勢，但為了保證在陰雨天的照明，固定式太陽能接收裝置一般還會設(shè)置公路照明配電箱、照明線路作為備用電源。
　　另外，對于太陽光照不太充足的地方，僅用固定式太陽能接收裝置來提供照明電能往往是不能滿足要求的，而跟蹤式裝置由于其轉(zhuǎn)換的高效率則可以滿足用電需求。
　　雖然一次性投資成本上跟蹤式裝置較固定式裝置稍高，但固定式接收裝置一般要增加公路照明配電箱、照明配線，使得其一次性實際成本遠遠高于跟蹤式裝置。
　　3.2兩種接收裝置光伏轉(zhuǎn)換率的經(jīng)濟分析。
　　在太陽能接收裝置采光面積相同，蓄電池材料相同，充放電和控制燈具關(guān)、開等設(shè)備條件相同的情況下，兩種裝置的光伏轉(zhuǎn)換率相差非常大，跟蹤式的光電轉(zhuǎn)換率要高很多，理論上高50%，實際情況一般要高35%。而且就南方地區(qū)而言，陰雨天氣一般較長，常用固定式的太陽能燈具在電能充足狀態(tài)下輸出只能維持3到5天，所以固定式太陽能照明器不能獨立的在南方地區(qū)使用，一般還需鋪設(shè)照明供配電線路，作為在電池電量不足時的備用。如浙江省由于日照相對欠充足，要完全依賴固定式太陽能電池板進行光伏轉(zhuǎn)換來供電，則需要較大容量的太陽能電池板，一般需增加太陽能電池板容量30%左右（約增加12W），這樣一來，固定式接收裝置的經(jīng)濟性就變得更差。
　　3.3兩種接收裝置日常運行維護的經(jīng)濟分析
　　對于日常運行維護成本中的人力定期巡查成本和產(chǎn)品更換成本，兩種太陽能照明器基本相同。在太陽能轉(zhuǎn)換率足夠高時，與傳統(tǒng)照明相比，兩種太陽能接收器都可省去包括供配電系統(tǒng)、燈具能耗兩部分的供電成本。表3是傳統(tǒng)照明、跟蹤式和固定式太陽能照明三種系統(tǒng)運行成本的相關(guān)數(shù)據(jù)，該表是以10公里公路安裝666盞路燈的假設(shè)條件進行估算的，按每度電1.00元人民幣計算供電費用，而且表中數(shù)據(jù)均為一年費用。
　　表3 公路照明運行成本
　　

太陽能電池板水平布置以及小傾角布置時，灰塵、雨水等因素對光伏發(fā)電產(chǎn)能有較大影響[5]。固定式接收器在日照不充足、梅雨季節(jié)或陰雨天氣經(jīng)濟分析，將會導致供電不充足。這時就要增加傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)，并且在產(chǎn)品更換成本中又不得不加入這部分費用。而太陽能照明自動跟蹤控制系統(tǒng)由于其光電轉(zhuǎn)換效率高，可以完全免去供電成本中線路損壞、線路再敷設(shè)修護、配電箱維護和更換的成本。總之，跟蹤式接收器日常運行維護的經(jīng)濟效益更高。
　　3.4兩種接收裝置能源、材料使用的經(jīng)濟分析
　　在太陽能轉(zhuǎn)換的電能足夠時，兩種太陽能接收裝置自身的電能消耗和金屬銅消耗均可以忽略不計。但是因為某些情況下固定式照明器電能轉(zhuǎn)換量不充足，為保證公路照明的正常運行，必須在安裝太陽能照明系統(tǒng)的同時安裝傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)，這樣一來，非跟蹤式照明器的金屬銅消耗量就不能忽略不計了，而且發(fā)電量不足的時候，對國家電網(wǎng)上的電能消耗也不能忽略。綜合考慮，跟蹤式太陽能接收裝置較固定式的有著更高的經(jīng)濟效益。
　　4結(jié)論
　　通過對兩種太陽能接收裝置的經(jīng)濟性分析可知，雖然在陽光很充足的地區(qū)和時節(jié)，固定式太陽能接收裝置在一次性投資項目的自動控制調(diào)節(jié)費上低于跟蹤式裝置，但面對我國這樣一個區(qū)域廣大、氣候復雜的情況，從電能轉(zhuǎn)換效率、供電量穩(wěn)定性及能源和材料消耗等幾項經(jīng)濟指標來分析，同等容量大小的電池板，跟蹤式裝置全面優(yōu)于固定式裝置。跟蹤式太陽能接收裝置提高了光伏轉(zhuǎn)換效率，即使在太陽能不充足、陰雨天氣的時候，高效率轉(zhuǎn)換的電能也足夠公路照明使用，所以可以完全脫離電網(wǎng)，不存在化石能源消耗，有效地降低了碳排放量。跟蹤式太陽能接收裝置在公路照明中的應(yīng)用所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益將是無限量的，應(yīng)予以大力推廣。

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