上海電力設(shè)計(jì)院有限公司 ■ 章榮國

0 引言

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國之一，也是少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主要能源的國家之一，在能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，煤炭約占商品能源消費(fèi)構(gòu)成的75%，已成為我國大氣污染的主要來源。建設(shè)大型地面光伏電站有利于增加可再生能源的比例，優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，且無任何污染，減輕環(huán)保壓力，符合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要。在光伏電站建設(shè)中，光伏支架工程量在土建工程中占比較大，因其量大面廣，約占光伏電站總造價(jià)的7%，同時(shí)采用不同類型的光伏支架形式會(huì)影響光伏組件的發(fā)電效率，因此有必要對(duì)光伏支架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入研究。

1 目前常用光伏支架的結(jié)構(gòu)形式及性能比較

目前大型地面光伏電站光伏支架的常用形式有兩大類：固定傾角式(如圖1所示)和跟蹤式，而根據(jù)支架跟蹤方式的不同，跟蹤式又分為斜單軸跟蹤(如圖2所示)、平單軸跟蹤(如圖3所示)和雙軸跟蹤(如圖4所示)。所謂固定傾角式支架是指以一年中光伏電池板獲得太陽輻射量最大的傾角作為支架的安裝傾角，該傾角在電站運(yùn)行過程中始終保持不變[1]。所謂跟蹤式支架主要是通過電機(jī)控制追蹤太陽高度角和方位角來獲得更多太陽能輻射，從而使發(fā)電量增加的支架形式。

圖1 固定傾角式支架

圖2 斜單軸跟蹤

圖3 平單軸跟蹤

圖4 雙軸跟蹤

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)表明，全球大型地面光伏電站中約有27%采用了自動(dòng)跟蹤式，其余大部分采用固定傾角式。根據(jù)已建工程調(diào)研數(shù)據(jù)，與固定傾角式支架相比，若采用跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約15%～25%[2，3]。跟蹤式光伏支架，尤其是雙軸跟蹤式支架，不僅占地面積大，而且由于需要?jiǎng)恿ρb置不停調(diào)整電池板的角度，運(yùn)營成本高。在使用過程中，跟蹤式支架容易出現(xiàn)故障，需要大量的人力物力進(jìn)行維護(hù)。隨著時(shí)間的推移，跟蹤式支架的動(dòng)力裝置及零部件將逐步老化磨損，使用時(shí)間越久所需的維護(hù)及維修費(fèi)用越高。此外，跟蹤式支架不停調(diào)整角度使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性偏低，抗風(fēng)能力較弱。固定傾角式支架雖然發(fā)電量不及跟蹤式支架，但是其結(jié)構(gòu)形式簡單，運(yùn)營成本及維護(hù)費(fèi)用很低，結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性好，從光伏電站的長期服役效果來看，固定式支架有顯著優(yōu)勢。所以在跟蹤式支架相關(guān)技術(shù)未達(dá)到很高水平時(shí)，固定傾角式支架仍作為主要的支架形式廣泛應(yīng)用于光伏電站中。

2 固定可調(diào)式光伏支架結(jié)構(gòu)

固定可調(diào)式支架主要是根據(jù)光伏電站所在地的全年光照情況，將全年時(shí)間分成若干段，尋找到固定時(shí)間段內(nèi)發(fā)電量最大的光伏組件傾角，每年按不同時(shí)間段的最佳傾角對(duì)光伏組件的傾角進(jìn)行有限次數(shù)的調(diào)整，每次角度調(diào)整完畢后，支架利用自帶的連接件進(jìn)行固定，形成如同固定傾角式支架一樣穩(wěn)固的一種支架形式。與固定傾角式支架相比，固定可調(diào)式支架可提高發(fā)電量；與跟蹤支架相比，固定可調(diào)式支架的成本及后期維護(hù)費(fèi)用較低。固定可調(diào)式支架結(jié)構(gòu)形式簡單，只需在固定式支架的基礎(chǔ)上加以適當(dāng)改造即可；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，兼顧了固定式支架與跟蹤式支架的優(yōu)點(diǎn)；非連續(xù)跟蹤，采用有限次的方式按一定的周期對(duì)光伏組件的朝向進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)調(diào)節(jié)方式的不同，目前固定可調(diào)式光伏支架主要有：推拉桿式、半圓弧式、千斤頂式，具體如圖5～圖7所示。推拉桿式固定可調(diào)支架利用支架斜撐桿在基礎(chǔ)底部水平桿的卡槽中往返推拉移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)光伏支架的角度調(diào)整，角度調(diào)整完畢后用螺栓孔位進(jìn)行固定。半圓弧式固定可調(diào)支架利用支架斜梁與A型豎桿的鉸連接進(jìn)行光伏支架角度調(diào)整，角度調(diào)整完畢后半圓弧撐桿與A型豎桿通過螺栓孔位進(jìn)行固定。千斤頂式固定可調(diào)支架通過連接在支架斜梁與豎桿間的菱形千斤頂伸縮調(diào)整支架角度，角度調(diào)整完畢后支架通過千斤頂?shù)淖枣i實(shí)現(xiàn)固定。從幾種固定可調(diào)式支架的結(jié)構(gòu)形式可知，前兩種支架的調(diào)整角度受螺栓孔數(shù)量控制，而千斤頂式固定可調(diào)支架的角度可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)次數(shù)可視具體情況增減。

圖5 推拉桿式

圖6 半圓孤式

圖7 千斤頂式

3 固定可調(diào)式支架與固定傾角式支架主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

以青海省某10 MW光伏電站為例，固定可調(diào)式支架與固定傾角式支架的電站典型經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1、表2所示。表1中的調(diào)整方案是每次調(diào)整的角度均為某一時(shí)間段的最佳傾角[4]，表2中的調(diào)整方案是每次的調(diào)整角度設(shè)置在年最佳傾角及以下。

從表1可看出，隨著一年中最大傾角的增大，陣列間距也要求同時(shí)增大，因此大的傾角會(huì)造成光伏場地占地面積的增大，隨著調(diào)節(jié)次數(shù)的增加發(fā)電量也相應(yīng)增加。表2是將可調(diào)傾角范圍設(shè)置在最佳傾角及以下，這種限定最大傾角的優(yōu)化方案的特點(diǎn)是不用增加光伏場地占地，適用于用地指標(biāo)緊張或土地費(fèi)用高的地區(qū)，其增加的發(fā)電量也較明顯。

表1 不同調(diào)整角度的典型技術(shù)指標(biāo)比較

表2 年最佳傾角及以下角度調(diào)整方案典型技術(shù)指標(biāo)比較

4 常見的固定可調(diào)式光伏支架技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 幾種常見固定可調(diào)式支架性能比較

通過對(duì)幾種常見固定可調(diào)式支架的現(xiàn)場調(diào)研，對(duì)各種支架的建設(shè)成本、運(yùn)營和維護(hù)情況進(jìn)行分項(xiàng)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，千斤頂式可調(diào)支架的建設(shè)成本較低，并且運(yùn)營維護(hù)方便。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)各類固定可調(diào)式支架比固定傾角式支架增加的造價(jià)(包括支架系統(tǒng)本體造價(jià)、土地費(fèi)用、支架運(yùn)維費(fèi)用)和增加的發(fā)電量，計(jì)算出不同調(diào)節(jié)次數(shù)情況下各支架的差額內(nèi)部收益率(本處是指與固定可調(diào)式支架相比，固定傾角式支架增量投資部分的內(nèi)部收益率)，如表4所示。

表3 各種固定可調(diào)支架基本特性比較

表4 各類固定可調(diào)支架對(duì)應(yīng)不同調(diào)節(jié)次數(shù)的差額內(nèi)部收益率

從表4可以看出，隨著調(diào)節(jié)次數(shù)的增加，差額內(nèi)部收益率增長很快，只要一年中調(diào)整次數(shù)不小于3次，差額內(nèi)部收益率均高于目前青海新建光伏電站的資本金投資收益率(約18%)。因此采用固定可調(diào)支架額外增加的投資具有很好的投資回報(bào)率。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的調(diào)查和分析，對(duì)固定可調(diào)式支架得出如下幾點(diǎn)結(jié)論及建議：

1)光伏電站的固定可調(diào)式支架保持了固定傾角式支架的結(jié)構(gòu)形式，同樣利用三角形的穩(wěn)定原理，發(fā)揮了固定傾角式支架結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)具有調(diào)節(jié)方式便于實(shí)現(xiàn)，比以往的跟蹤式支架維護(hù)更加便利等優(yōu)點(diǎn)。

2)設(shè)計(jì)固定可調(diào)式支架時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算支架在調(diào)整到不同角度時(shí)的所有荷載狀態(tài)，保證支架在任何狀態(tài)下均符合設(shè)計(jì)要求。

3)千斤頂式固定可調(diào)支架由于存在機(jī)械傳動(dòng)裝置，因此必須保證該傳動(dòng)裝置在高寒、高原、風(fēng)沙、腐蝕等惡劣條件下的可靠性。為提高該類支架的穩(wěn)定性，建議支架與基礎(chǔ)的連接采用A型桿。其他固定可調(diào)式支架中，轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用軸承，滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用卡槽，無動(dòng)力裝置，所以能夠適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境，具有防風(fēng)沙、耐腐蝕、耐凍的特點(diǎn)。該類支架也可采用不依附于支架的傳動(dòng)裝置，當(dāng)角度調(diào)整固定完成后卸除，整個(gè)光伏場可采購幾套循環(huán)利用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省投資目的。

4)所有固定可調(diào)式支架均存在轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接點(diǎn)，為控制支架的變形，應(yīng)降低鉸接點(diǎn)處的加工誤差，開孔位置及直徑的加工誤差需控制在±0.5 mm以內(nèi)。

5)固定可調(diào)支架設(shè)計(jì)時(shí)支架縱向的坡度建議控制在1%以內(nèi)，坡度過大時(shí)支架縱向變形加大，不利于支架穩(wěn)定，且人工調(diào)節(jié)困難。

6)固定可調(diào)支架具有很好的投資回報(bào)率，但由于針對(duì)固定可調(diào)式支架的實(shí)際投運(yùn)項(xiàng)目不多，缺乏可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)，在采用該類支架前建議對(duì)實(shí)際投運(yùn)的類似項(xiàng)目運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查。

總體而言，固定可調(diào)式支架具有固定傾角式支架簡單可靠的特點(diǎn)，而且提高了光伏電站的發(fā)電量；同時(shí)固定可調(diào)式支架不像跟蹤式支架一樣需要高昂的成本及維護(hù)費(fèi)用，擁有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的固定可調(diào)式支架形式不多，在支架結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化、支架調(diào)節(jié)時(shí)間及次數(shù)的優(yōu)化方面，都值得進(jìn)一步研究。

[1] 黃天云， 白盛強(qiáng). 傾角可調(diào)光伏支架結(jié)構(gòu)的研究[J].太陽能，2013(15)：34 － 36.

[2] 鄧霞， 鄒新， 王峰. 光伏陣列可調(diào)支架的技術(shù)研究[A].第十一屆中國光伏大會(huì)暨展覽會(huì)會(huì)議論文集[C]， 南京： 東南大學(xué)出版社，2010.

[3] 時(shí)劍. 支架季調(diào)式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].水電能源科學(xué) ， 2010， 28(12)： 157 － 158

[4] GB 50797-2012， 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].