在大型户外光伏电站中固定子场与单轴子场的实验性能比较

这项太阳能研究为何重要

随着越来越多的国家转向太阳能为家庭与城市供电，一个基本问题变得至关重要：在现实世界中我们应如何布置太阳能电池板以榨取最多电能？本研究在阿尔及利亚一座大型沙漠电站中考察了这个问题，比较了固定不动的板与随太阳缓慢转动的板。研究结果有助于指导如何在炎热、阳光充足的地区设计更高效的太阳能电站，在那里每一个百分点的能量增益都很重要。

把沙漠电站当作现实世界的试验场

研究在靠近撒哈拉边缘的盖尔达亚附近一座装机容量为1.1兆瓦的光伏电站进行。这里日照强烈，但环境严酷：夏季气温可接近50 °C，风中夹带细沙，湿度从非常干燥的午后到潮湿的清晨大幅波动。团队在电站内挑选了四个约100千瓦的子场，全部以30度倾角朝南安装。其中两个子场采用单晶硅组件，两个采用多晶硅组件。对于每种材料，一个子场安装在固定支架上，另一个则装在东西向旋转的单轴跟踪器上以追随太阳。

随季节观测太阳与电池板

研究者没有仅依赖仿真，而是在现场测量实际表现。2016年的四个测试日——分别位于冬、春、夏、秋——他们从日出到日落每四分钟记录每个子场的功率输出。同时，控制室屋顶的气象站监测了太阳照度、气温、组件温度、风速和湿度。团队还验证了一个常用的倾斜面太阳辐照数学模型，检查该模型能否利用本地地理与大气数据准确预测入射太阳能。模型的预测与实测吻合良好，尤以夏季和秋季为甚，证明在缺乏专用传感器时，该模型能可靠估计该地区的可用日照。

固定板与跟踪板的对比

功率曲线展示了不同布置在典型日内的表现。在一个阳光明媚的春日，固定的单晶子场短暂达到最高峰功率——约96千瓦——略高于其跟踪对应子场，因为正午时分的条件恰巧更有利于其固定朝向。但当把视角放到整日而非单一峰值时，结果发生了变化。跨越四个季节，跟踪系统的平均功率和每日总能量都高于固定系统。在夏季，单轴单晶子场的平均功率约比固定对应提高19%，而跟踪的多晶子场比其固定对应提高约21%。日能量也呈现相同趋势：在七月的测试日，跟踪子场分别达到约788和715千瓦时，明显超过固定子场的低于640和560千瓦时的表现。

天气如何塑造太阳能表现

由于每次读数都与气象数据关联，研究能够分辨自然因素如何助力或阻碍电站表现。更强的日照自然提升输出，跟踪系统通过在全天保持更佳的面向来捕获更多光照，尤其在早晨和傍晚。温度方面，尽管常被太阳能设计者关注，但实际温度多数时间接近板组件的理想范围，效率损失有限；即便在最热的夏日，高温与强日照同时出现时，跟踪系统仍表现出最高的功率增益。风在本研究中成为温和的盟友：微风为组件降温并有时吹走灰尘，有助于输出；而冬季和秋季的高湿与云层则通过减弱光照并使水汽在组件表面凝结而降低性能。

量化跟踪带来的优势

为便于比较，研究者计算了一个“增益百分比”，展示跟踪子场相比同类型固定子场在平均功率上额外增益的幅度。即便在较不利的冬季和秋季测试日，单轴跟踪也使单晶产出提升约3–9%，多晶产出约提升12%左右。在阳光更充足的春夏测试中，单晶板增益约达10–19%，多晶板约达20–21%。总体来看，跟踪的多晶子场显示出略高的百分比增益，而跟踪的单晶子场则提供了最高的绝对日能量。

这对未来太阳能电站意味着什么

对关心清洁能源未来的读者而言，结论很直接：在像阿尔及利亚南部这样的炎热、阳光充足的沙漠地区，将太阳能板安装在简单的东西向单轴跟踪系统上可以显著提高相同装机容量的发电量。研究显示，这些跟踪器不仅能平滑全天功率曲线，还能很好适应当地气象模式，更有效利用强烈的夏季日照与降温风。作者得出结论：单轴跟踪——尤其配合耐用的多晶组件——是撒哈拉气候下大型光伏电站的有力选择，且可靠的日照模型能在缺乏详细测量数据的情况下辅助这类系统的设计。

引用: Abderraouf, B., Lakhdar, L.M., Abdelkader, B. et al. Experimental performance comparison of fixed and single-axis subfields in a large-scale outdoor photovoltaic power plant. Sci Rep 16, 12293 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41570-8

关键词: 太阳跟踪, 光伏电站, 沙漠太阳能, 单晶与多晶电池板, 太阳辐照建模