太阳能的开发利用，世界各国政府、企业都已经投入了大量的人力、物力予与研究开发，几十年过去了，虽然在光电转换效率等方面取得了长足的进步，但是大规模的工业化利用太阳能却始终没有走出“实验研究阶段”。目前，世界各国的太阳能发电项目都是宣传、示范意义大于实际意义。其根本原因还是发电成本太高等，不利于商业化的应用。
太阳能的开发利用过程大致可以分为阳光采集、能量转换和输变电运营三个技术环节。
工业化日照跟踪技术属太阳能开发与利用领域的采光技术范畴，尤其涉及大规模采光的日照跟踪技术，是太阳能利用领域里前端的、基础性的关键技术与装备，是各种太阳能利用形式的共享技术，决定整个开发利用过程的效益基础。据实验：精确跟踪太阳的光照可立刻提高现有普通光伏／光热电站的综合效益达25﹪～70﹪，如图1：
对有效降低发电成本，提高整个系统效益等都具有十分重要的前提性意义，效果十分明显。自然界的太阳能是按面积分布的低密度能源，要想将其聚拢起来，从物理理论研究的结果看，只有两种方法可供选择：其一是设法利用一个强大的引力场，在其作用下改变光线的传播方向达到汇聚的目的，其工程特点是可以做到相对较小的工程捕光面积；另一种方法是利用光线在不同的物质界面处产生的折射或反射效果达到聚光的目的，工程特点是需要相对较大的工程捕光面积。目前看，显然只有后一种方法是唯一可行的，尽管需要庞大的工程捕光面积也是必须面对的。因此：⑴ 大规模、工业化利用太阳能，必须以大面积采光，大规模聚光为前提性的必要条件。
⑵ 大型日照跟踪设备是工业化开发利用太阳能所必须的基础性的技术装备。
1 现有日照跟踪技术的现状与应用在国内、外，低成本的大规模的跟踪采光、聚光仍是行业的技术短板，没有适用的技术和产品供应，致使大规模的工业化、商业化利用太阳能的想法一直不能得以实现，已经严重制约了太阳能行业的进一步发展，阻碍了人类新能源的开发与利用。
受传统设计思维的影响，目前，所有的日照跟踪设备都是根据“自动控制原理”的理论设计制造的。即根据当前太阳的位置（目标值），通过控制伺服马达来驱动伺服系统调整采光设施的角度达到跟踪太阳的目的。不论是主动式的还是被动式（也可称为预设程序式）的，也不论是采光器移动式的还是受光器移动式的等等，从系统运行动力的角度来分，即都属于“有源驱动式”的跟踪技术。如国家专利局的公告号：CN101135913、CN101201628、CN2533435、CN1361397 所涉及的《太阳能全自动跟踪转盘》、《仰角转轴固定太阳能接收器自动跟踪装置》、《太阳同步跟踪装置》；《超大面积太阳能聚光跟踪装置》等等。这类“有源驱动式”的跟踪技术，其技术特征是：伺服马达不仅是精确控制命令的执行者，同时也是系统运行动力的提供者。
太阳能的工业化利用，必须以大面积采光、大规模聚光为前提。采光设施的建设、运营成本高，占整个建站成本的50%以上，使用寿命短，是导致电站总体效益低的主要原因。这里面包含着几个相互制约的技术因素：
⑴、大面积采光与抗风能力的矛盾；
⑵、大规模精确跟踪与伺服成本的矛盾；
⑶、设备低成本制造与材料成本、工艺成本的矛盾；
⑷、长期在野外风沙环境中运行的维护、镜面保洁等运营成本的问题；
⑸、聚光材料的抗老化问题等等。据各国近十几年的实践证明，现有的“有源驱动式”的跟踪技术，不仅技术复杂、材料成本、工艺成本、运营成本高；而且一般只能在野外环境中有效运行2～3年就要报废或更新1；抗风沙能力差，且不能满足大规模塔式超远程（≥500米）、反射式定焦聚光的精度要求；只适合做小规模实验研究或是家庭使用，是造成太阳能电站“建不起”、“用不住”、“效益低”的根本原因。
由于上述的原因，目前实际上的大部分太阳能电站都是采用不跟踪日照的“固定式”安装的技术方案，如图2：
图2 “固定式”安装的普通光伏太阳能电站
一部分用于研究、示范性的太阳能项目根据对日照采光要求的不同，可分为单轴跟踪和双轴跟踪的两种形式。如图3、4是槽式光热电站的聚光槽和普通光伏电站的极轴式的一维跟踪形式；图5～9是二维跟踪技术的应用实例：
图3 槽式光热电站的聚光槽及集热管照片
图4 一维极轴式跟踪太阳的装置
图5 采用二维跟踪装置的反射式聚光光伏
图6 二维双轴跟踪太阳的普通光伏示范性电站
图7 二维双轴跟踪控制机构示意图
图8 二维跟踪太阳光照的菲涅尔透镜式聚光光伏
图9 塔式聚光的太阳能光热电站
2 原有技术造成的障碍与困难
1） 原理性的缺陷阻碍了跟踪精度的提升
“有源驱动式”的跟踪技术，都是基于系统的输入／输出响应，通过反馈控制效果分析，在“超调”与“欠调”之间不断摆动逐渐趋于目标值的。这对反射角精度十分敏感的塔式远距离反射式聚光来讲是不可接受的。这一原理性缺陷，使得至今为止所有的努力都归于白费，这就是不论怎样加大技术含量和成本投入都不可能彻底解决超大规模塔式聚光的光斑晃动问题的根本所在，因此严重限制了其定日场建设的规模。如图9、10：
图10 塔式聚光光斑晃动脱离靶标
2） 技术性的缺陷造成了不可回避的矛盾伺服传动部件本身的材料弹性变形也足以扰乱大作用力下的数字化的微调控制及精度稳定。
受设备结构条件等的影响，风载荷也将严重影响设备的稳定运行和聚光效果，如图10。
3） 大规模实施运用的成本急剧增加
一般大型太阳能电站的采光面积都应在几十万至数百万平米，当跟踪设备的尺寸增大时就会遇到两个不可逾越的障碍：⑴、采光设施的自身重量将大大增加（单机将达十几吨～数百吨）；⑵、着风面积显著增大，导致跟踪负荷严重增加。大规模重载荷运行必然要急剧增加伺服能量和相应的技术手段，由此带来的成本激增等问题也越发突出。如前所述，“有源驱动式”的跟踪技术，伺服马达不仅是精确控制命令的执行者，同时也是系统运行动力的提供者。可以想象如此重要的角色，大规模塑造它的成本将会是什么样的水平？因此形成“规模↑→能耗↑→成本↑→规模↓”的“死循环”怪圈。这就是大规模跟踪日照的技术方案不易实施的根本原因。从这一点上来讲，它阻塞了日照跟踪技术大规模应用就必须进一步降低成本、提高精度的途径，造成太阳能的采光环节成本高、效益低，实际上不可行。在这里涉及了构成运营成本的两个主要因素：
（1） 大型重载荷设备运行的动力来源问题；
（2） 大功率伺服控制能量的精准供给问题；
4） 跟踪设备运营维护成本高，使用寿命短大面积的日照采光，跟踪设备都是工作在重载荷、超低速的状态——接近于静止，而设备运行的动力来源却必须是高速运转的伺服马达（因为只有高速马达才能够提供和保证足够的伺服动力和精度）。显然在重载荷条件下，如此高的“变速比”是造成设备关键部件很快磨损失效的根本原因。因此，一般日照跟踪设备只能在野外风沙环境中有效运行2～3 年就要报废或更新，因而得不偿失，是大型太阳能电站不可承受的负担。以至于目前所有的大型普通光伏电站都放弃了日照跟踪的技术方案（如图2），造成了严重的资源浪费。一些已建或在建的其它形式的太阳能项目也都是宣传、示范意义大于实际意义，都没有真正达到工业化、商业化的运营目的。
5） 不利于降低材料成本
由于日照的跟踪设备都是工作在超低速的准静止状态，这时需要克服的摩擦阻力也是其它常速设备的1.2～1.5 倍左右，而且与设备的尺寸规模、载重量呈正相关。因此为了降低伺服能耗和成本，在设计、制造过程中都会千方百计的努力减少材料的使用数量（这必然会降低设备的结构强度和刚度，不利于稳定运行），同时不得不大量使用轻质的新型材料，这又会极大的增加设备的材料成本。
同时，聚光材料的重量也必须大幅度削减，追求采用轻质的聚光材料不仅会增加聚光组件的成本，同时也会降低聚光组件的抗老化能力，如：比普通的无机材料（如，玻璃）差几十年。
6） 不利于提高土地利用率
据实验：“有源驱动式”的跟踪技术，单机50平米的采光面积是其技术、成本的上限，且需较大的安装间隔，如图3～9，造成土地资源浪费。
7） 不利于大型化制造，大规模运行使用一般“有源驱动式”的跟踪设备都是采用轴式安装运行的方案（如图3～9），大面积运行时，抗风支撑点少，结构强度低；再加上上述6 个致命的缺陷，决定了现有的“有源驱动式”的跟踪技术，不仅技术复杂、而且规模小，制造、运营成本高，如图12 点划线所示。而且使用寿命短，抗风沙能力差，只适合做小规模实验研究或是家庭使用。
3 新技术的主要创新点及工作原理
针对以上问题，国家发明专利ZL 201010184192.8 《跟踪太阳光照的装置》、ZL20121005670 3.7《蓄能式跟踪日照的装置》、ZL20122017391 7.8《脐式聚光的太阳能电站》；ZL 201120058108.8《一种超低速、恒速阻尼缸》，国际专利PCT/CN2011/074660《跟踪日照的装置》等包含以下创新点解决相关的技术制约：
1） 蓄能式结构设计
可利用低质、低价的能源夜间蓄能。
2） 恒源式动力供给
利用重力势能工作，解决伺服动力要求稳定、强劲、可靠的问题，使设备运行平稳可靠。
3） 无源式液压阻尼控制技术
避开传统的控制理论及技术缺陷。
4） 液压扼流圈技术
满足超低速、持续大作用力的恒速阻尼控制。
5） 滑车—轨道式方案
适宜大结构设计、制造，重载荷运行；抗风沙能力强，大规模运营成本低。
6） 脐式聚光克服塔式聚光的缺陷
不仅可以建设类似普通塔式聚光的定日场，而且更可利用环山、盆地等地形地物建设更大规模的定日场（可大于几十平方公里）。
图11是新技术装备的结构原理示意图。
图11跟踪太阳光照的装置
1、采光器架或光伏电池板，2、与滑车的铰接点，3、滑车，4、连杆
与曲柄的铰接点，5、轨道中心轴，6、滑车的轨道，7、阻尼缸，
8、阻尼曲线的工作面，9、曲柄，10、连杆
它主要由采光器架1、经向跟踪部分和纬向跟踪部分组成。所述纬向跟踪部分，由带有负坡度的环形轨道6和滑车3组成。在工作状态时，使轨道的起点高于终点呈螺旋状的形式，滑车3利用其自身的重力势能，可以沿其轨道向下溜动。通过控制、调整阻尼缸7的阻尼系数来控制其溜动的速度。其工作过程是：
①、每天黎明前，将载有电池板架1的滑车3置于轨道6的高点，蓄势待发。
②、根据季节的变化，调整连杆10在曲柄9上的滑槽中的位置（夏季时稍远离曲柄的中心点，冬季时靠近中心点）来调整采光器架1的每天俯仰角∠θ的摆幅，以适应每天的太阳高度角的变化。
③、当太阳升起时，打开滑车的纬向止动装置，使滑车在自身重力的作用下沿轨道徐徐前进，通过控制、调整阻尼缸7的阻尼系数来控制其溜动的速度，使其转动速度与太阳的光照同步，直至太阳落山。
④、解除纬向阻尼作用。
⑤、滑车复位。使载有采光器架1的滑车回到起始位置以备明天使用。可以利用低谷电价时段进行。
4 新技术的主要特性
1） 不忌讳随动跟踪重量的增加
设备跟踪工作时利用自身的重力势能运行，不忌讳随动跟踪运行重量的增加，单机随动跟踪重量将达几十吨～几千吨以上，支持单机采光面积可在几百平米～几万平米以上。还可为各种镜面保洁、聚光散热或斯特林发电机、风力发电机等的随动安装创造出充分的空间；结构材料及聚光材料都可以选用低价的常见钢铁材料和耐老化的玻璃材料等。
2） 避开传统的跟踪控制理论及技术缺陷
目前所有的日照跟踪设备一般都是采用“有源驱动式”的跟踪控制技术原理，其主要技术特征是：控制执行与动力提供职能集于一身——大功率的伺服马达，不仅使设备的制造运营成本高，使用寿命短，而且还带来本文“1.现有跟踪技术的现状与应用”中所述的五个“相互制约”的问题不易分解，顾此失彼，甚是纠结。
新技术采用蓄能式结构设计与无源式液压阻尼控制技术相结合，使动力供给与控制执行角色分离；采用大闭环控制策略，跟踪的稳定控制精度可达毫～微秒级、且连续可调。彻底摆脱了传统设计理论的弊端，使大规模跟踪日照，精确聚光的想法真正能够得以实施，为太阳能行业的进一步发展奠定日照跟踪的技术基础。
5 新技术的成本优势点
新技术的成本优势表现在方案设计、制造安装、运营维护等等各个方面。
如：采用“滑车—轨道式”方案，适宜大结构设计制造，大规模、重载荷运行，抗风沙能力强；较少的单机安装量使土地利用率提高，综合实施成本较其它“有源驱动式”的轴式技术方案低70%。如
图12：
其成本优势还在于：
1） 蓄能式结构设计，可在夜间利用低质、低价能量夜间蓄能，降低能量供给成本。仅以我国实行的“波峰波谷”电价计算就可节约能量成本50%左右。
2） 全部使用常见的、低价的普通黑金属材料制造，聚光组件也可使用抗老化的玻璃质材料等。
3） 制造成本低，无须大量的高精密的机械加工。
4） 无高速运动部件，无磨损之虑。耐野外沙尘侵害，维修简单方便，可以做到“0”维护。
5） 有利于增加各种附加设施的随动安装，如镜面保洁，散热设备或风力发电机等。有利于提高光电转换效率和长期野外运行的使用寿命等。
6） 可采用“脐式”聚光的方案，不仅省去了建设高大的集热塔的费用，同时也降低了聚光难度；能量收集装置安装在地面上与能量转换设备的距离很短，可大幅度降低热工质的使用量和循环成本，也有利于增加储热规模和装机容量等，为大容量的能量转换及后续并网运营创造了更良好的基础条件。
7） 有利于风-光互补技术方案的实施工业化（重型）日照跟踪设备抗风能力大于8级以上。利用高大的采光器架可以形成巨大的导流、汇流装置来大大提高“柱式”风力发电的功率，大幅度提高单位土地面积的发电量。
6 新技术实施的社会、经济意义众所周知，集约式、规模化转换利用太阳能是进一步降低太阳能使用成本的必由之路。采光环节是前端的、基础性的关键技术环节，是大规模光伏发电、光热发电、光热利用等利用途径都不可回避的技术关口。
工业化（重型）日照跟踪技术装备的研制采用自主创新的蓄能式结构设计，恒源式动力供给，液压扼流圈及无源式液压阻尼控制技术等；走大结构、重载荷的设计思路，大规模现场制做与安装调试等工艺技术路线，形成适合大规模太阳能电站使用的平台式的技术装备体系。从根本上解决太阳能采集环节中的低成本、规模化、高精度、稳定性之间的矛盾：①塔式聚光的定日场规模不能太大的瓶颈问题——超远程、反射式定焦聚光的精确性与稳定性的难题；②光伏发电，尤其是大规模聚光光伏的跟踪伺服成本、运营维护成本、聚光材料的老化问题以及散热、保洁等随动设施安装等一系列相互制约的问题。在电厂建设（定日场建设）、跟踪设备制造、运营维护和聚光材料使用等各个环节都能大幅度降低成本，延长其使用寿命。至少可节省整个项目2/3的投资和运营成本，使日照跟踪技术真正得以低成本的在太阳能利用的工程实践中大规模的应用，最终大幅度的降低太阳能的发电成本，促进太阳能利用的产业化、工业化、商业化的进程。
其现实的经济效益以普通光伏发电为例：双轴跟踪系统要比“不跟踪”或“单轴跟踪”有效接收日照的比率提高30%左右。这意味着在已有的光电转换的条件下，不用再有任何提高，就可以增加30%的收益。这是一个可观的数据，对整个电站系统的运营效益是不可忽视的，也足以使整个行业摆脱靠政策补贴的尴尬！
基于高精度、稳定的日照跟踪系统的聚光光伏要比普通平板式的电池板光伏发电还具有更大的成本效益优势。
根据测算：25×25平方公里的太阳能采光面积一年的发电量与一个三峡水电站的年发电量相当。而水电站淹没的是良田沃土，太阳能发电只需要占沙漠、戈壁或者盐碱地等不毛之地。40个这样规模的太阳能电站即可满足全国现有的用电。只要投资300-500亿。占用10×10平方公里的面积即可满足一个地级市的用电要求。从目前的行业技术发展情况来看，太阳能热发电是最有发展潜力的太阳能发电技术。塔式聚光的光热发电技术又具有：大规模采光的高聚光比、低环境成本、大容量的能量转换及后续并网运营技术成熟等优势而最具工业化的应用开发前景。而大规模的超远程反射式聚光暨定日场建设仍是其最狭窄的技术瓶颈，难以突破。
表1是各种太阳能电站形式的全产业链效益综合比较。
7 结束语
新技术开发成本低，效益高，是行业、市场亟须，开发风险小。虽然，太阳能的开发利用具有地域性、季节性的局限。但是对日照跟踪的需求，并以此来提高太阳能利用系统的整体效益，是在任何条件下都是首要的。或者说：只要有太阳能利用的场合就应该有日照跟踪设备的应用，因为它可再提高现有设备的
“发电能力”30%以上，因此其市场前景是无法估量的。
太阳能的利用是“低碳环保”的需要，更是未来人类社会的能源索取的主要方向之一，其利用的规模，在技术上完全取决于阳光采集面积的大小，而采光面积的大小完全取决于采光设施的尺寸规模，因此对日照跟踪设备的尺寸规模、随动跟踪重量等基本参数的要求是不会随着社会的发展、技术的进步而缩小的，相反会有逐渐增大的强烈需求。因此在可预见的未来，市场是不可能萎缩的。业界已经对新工业化（重型）日照跟踪技术及设备表现出了不可忍耐的渴望。必将得到业界及政府产业政策的大力支持。
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