光伏電站新建工程固定可調支架討論

畢金鋒， 吳雪萍， 平曈其， 王子文

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240; 2.景瑞地產(集團)有限公司，上海 200041; 3.天津市水利基建管理處，天津 300204)

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光伏電站新建工程固定可調支架討論

畢金鋒1， 吳雪萍1， 平曈其2， 王子文3

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240; 2.景瑞地產(集團)有限公司，上海 200041; 3.天津市水利基建管理處，天津 300204)

以剛察縣扎蘇合10 MW光伏電站為例，給出固定可調式支架的結構形式，并根據光伏電站所在地的全年光照情況，將全年時間分成若干段，計算出固定時間段內發電量最大的電池板傾角。得到按季節調整的最優角度為10°、28°、52°、62°，并分析不同角度下太陽能支架結構的受力情況。結果表明,固定可調式支架在不同傾角情況下，中間立柱與橫梁連接處需加強處理。建議青海省新建光伏電站中采用固定可調式支架，對太陽能電波板的傾角進行月調、季調或半年調。

光伏電站; 固定可調支架; 發電效益

0 引 言

支架按其對太陽位置的跟蹤情況分為固定式和跟蹤式兩種，跟蹤式又分為固定可調式支架、水平單軸跟蹤支架、傾斜單軸跟蹤支架(也稱傾緯度角單軸跟蹤支架)和雙軸跟蹤支架[1-5]。相對于固定式支架，跟蹤式支架的原理復雜，結構形式多樣，實現難度高，所以國內學者對跟蹤式支架的研究較多，而對于固定式支架的優化及結構穩定性的研究較少[6-9]。本文對固定可調式支架的受力情況及對發電量的影響進行分析。

1 太陽能支架形式及其特點

1.1 太陽能支架形式

(1) 固定式支架。光伏方陣固定安裝在支架上，一般朝正南方向放置，且有一定的傾角。傾角可根據當地太陽輻射值和地理位置進行優化選擇,見圖1。

圖1 固定式太陽能支架

(2) 固定可調式。非連續跟蹤，采用月調或季調的方式按一定的周期對電池板的朝向進行調整。調整方式見圖2。

圖2 固定可調式

(3) 單軸跟蹤式。通過圍繞位于光伏方陣面上的一個軸旋轉來連續跟蹤太陽方位。旋轉軸方向通常取東西橫向、南北橫向或平行于地軸的方向。最常見為南北橫向，且有一定的傾角,如圖3所示。

圖3 單軸跟蹤式

(4) 雙軸跟蹤式。有兩個可以旋轉的軸，通過旋轉這雙軸使得方陣面始終和太陽光垂直，從而最大可能捕獲太陽能直接輻射(DNI)值,如圖4所示。

圖4 雙軸跟蹤式

1.2 不同支架形式光伏電站的對比

據最新統計，全球大型光伏電站中約有27%采用了自動跟蹤式，其余大部分采用固定式。而國內90%以上的已建電站均采用固定式支架，傾角固定可調式在大型光伏電站中使用較少[10]。

根據已建工程調研數據，與固定式支架相比，若采用水平單軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約15%;若采用斜單軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約20%;若采用雙軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約25%。但目前斜單軸和雙軸跟蹤的支架造價基本相同，比起水平單軸跟蹤方式，系統實際發電量僅提高5%，增加的電量收益難以抵消支架增加的費用[11]。

現以固定安裝式為基準，系統發電量為100%，直接投資增加百分比為100%，對1 MWp光伏陣列采用如下3種運行方式進行比較，結果列于表1。

表1 不同支架形式的對比

跟蹤式支架光伏電站，尤其是雙軸跟蹤式支架電站不僅占地面積大，而且由于需要動力裝置不停地調整電池板的角度，所以運營成本高昂。在使用過程中，跟蹤式支架容易出現故障，需要大量的人力物力進行維護，隨著時間的推移，跟蹤式支架的動力裝置及零部件將逐步老化磨損，使用時間越久所需要的維護及維修費用越高。并且，跟蹤式支架由于其不停地調整角度，結構整體穩定性偏低，抗風能力較弱[12]。固定式支架雖然發電量上不及跟蹤式支架，但是其結構形式簡單，運營成本及維護費用很低，結構的安全穩定性好，所以從光伏電站的長期服役效果來看，固定式支架有著顯著的優勢，所以在跟蹤式支架相關技術未達到一個很高水平的長時間內，固定式支架仍將作為主要的支架形式廣泛應用于光伏電站中。

2 固定可調支架形式設計

2.1 固定可調支架

固定可調式支架是根據光伏電站所在地的全年光照情況，將全年時間分成若干段，尋找到固定時間段內發電量最大的電池板傾角，每年按不同時間的最佳傾角對電池板的傾角進行有限次數的調整，按調整次數可分為：1年2次(半年調);1年4次(季調);1年12次(月調)。以剛察縣扎蘇河10 MW光伏電站為例[13-14]，固定可調式電站發電量與固定式支架的電站發電量對比如表2所示。

表2 剛察縣扎蘇合10 MW光伏電站不同支架形式發電量對比

目前已有的固定可調式支架形式主要有拉桿式、推拉桿式、千斤頂式和半圓弧式。現場布設千斤頂等動力裝置將會提高支架成本，并且對于高寒及風沙地區，不利于千斤頂的正常工作。對固定可調式支架的設計應符合以下幾個原則：①三角形具有結構穩定性，固定可調支架的結構形式應以三角形結構為主；②結構形式簡單，調節方式便于實現；③在調整到不同角度時，應保持支架上端固定電池板的框架受力合理，避免由于框架變形而引起電池板受力不合理而損壞；④可實現多排支架同時調整，減小調整支架角度的工作量；⑤不在支架上預設動力裝置，調整支架的動力裝置可重復使用、循環作業，以降低成本；⑥盡量減少軸承、傳動裝置、千斤頂等復雜節點部件的使用，以減少運營及維護費用；⑦運行環境需考慮青海省荒漠地區高寒、高原、風沙、腐蝕等惡劣情況。

2.2 固定可調支架設計

在歐洲美元市場出現的初期，英美兩國政府對這個市場就采取了積極支持的政策。英國的目的很簡單，倫敦作為傳統的國際金融中心，第二次世界大戰之后地位明顯下降，英格蘭銀行幾度嘗試開放金融市場，但是英鎊都受到了國際投機資本的無情沖擊，而一味的資本管制，又使得倫敦金融市場的國際業務日漸萎縮，此時離岸美元市場的出現，使得倫敦金融市場可以使用美元業務替代昔日的英鎊業務，這對于維持倫敦的國際金融中心的地位無疑是有利的。

按照以上所提出的各項設計固定可調支架的原則，設計了一種支架斜撐支撐點位置可動的支架形式。參考已有的固定可調式支架形式中的推拉桿式支架，并對其作出優化，設計如圖5所示的固定可調支架形式，該形式支架每一品內共有8根桿件，其中a、b、c三根為立柱，d、e兩根為橫梁，f、g兩根為斜撐，h為支撐太陽能電池板的框架梁。5個可動節點，1、2、3號節點為轉動節點，4、5為滑動節點，通過4、5兩個節點在橫梁上的滑動而改變電池板的傾角。圖5為太陽能電池板傾角為62°、52°、28°、10°時的支架狀態。

圖5 支架狀態

圖6為多個支架組合成為整體后的作用效果，在角度調節過程中，可通過移動推桿1和桿2的位置，從而同時改變多個支架結構的角度，以保證各獨立支架間能夠同時發生轉動，以防止單個支架不同步而引起電池板變形破壞。同時，該形式支架的動力裝置可以與支架結構脫離，實現動力器械重復利用，從而達到節約成本的效果。

圖6 固定可調支架的整體裝配

如果按以上提到的4個角度對電池板傾角進行季調節，可根據不同調節角度下斜撐支點的位置，在底部橫梁上設置固定位置的卡槽，方便調節過程中對斜撐支點的定位。

2.3 結構內力計算

取一品支架進行4個角度的結構內力計算，取每品框架之間的距離為3 m，支架桿件均采用截面為40×40×2.2×2.2的槽鋼，根據《建筑結構荷載規范》[15]計算得到，在62°、52°、28°、10°時作用在支架頂部的線荷載值分別為1.72、1.60、1.34、1.4 kN/m，利用有限元軟件計算得到的各角度下的結構內力如圖7所示。

圖7 支架內力分布情況

從圖中可以看出，在傾角62°時，3個立柱的內力最大，達22 MPa；傾角52°時，靠后面的支撐的內力較大，最大為8 MPa，并且在兩個支撐與橫梁的節點處及中間立柱與橫梁的節點處的內力較大，量值也在8 MPa左右；傾角28°時，后立柱的內力較大，后支撐與橫梁的節點處內力較大，均達到7 MPa；傾角10°時，3個立柱的內力較大，達到18 MPa，而其余桿件的內力均較小。

綜合各角度可以看出，3個短立柱及靠后的長支撐桿需要做加強處理，而節點中，在每個角度下支撐與橫梁的連接處均需要對橫梁進行加強處理，中間立柱與橫梁的連接處也需要做適當加強處理。總體來看，采用截面為40×40×2.2×2.2的槽鋼，結構內力均未達到鋼材的屈服強度，所以結構安全穩定性良好。

3 結 語

(2) 新建光伏電站的固定可調式支架結構形式參考了青海省已建工程固定式支架的特點，可與已建工程改造后的支架形式相一致，由此保證支架原件的構造,調整角度的動力設備及調整角度的施工工藝相同，為已建工程的改造、新建工程的建設及后期電站的運營帶來方便。

(3) 固定可調支架中，轉動節點使用軸承，滑動節點使用卡槽，動力裝置不依附于支架，現場不設置液壓裝置及傳動裝置，所以能夠適應更加惡劣的環境，具有防風沙、耐腐蝕、耐凍的特點。

(4) 固定可調支架與固定式支架在建構形式上變動較小，使用材料與固定式支架相當，現場不設置動力裝置，在1年調4次的情況下，與固定式支架相比，可增加發電量6%左右，具有明顯的經濟可靠性。

對比各種支架形式的特點，綜合考慮青海省的環境條件，建議青海省新建光伏工程中采用固定可調式支架，對太陽能電池板的傾角進行月調、季調或半年調。參考已建工程中的固定式支架形式，建議采用推拉桿式固定可調支架。在支架整體裝配后，如果支架橫向的穩定性較好，建議推桿采用可拆卸的結構形式，便于循環利用，也可以節約成本，如果支架的橫向穩定性不好，可將推桿設置在支架的裝配中，用于連接每品支架，增加其橫向穩定性。建議針對該形式的固定可調式支架設計與之配套的動力裝置，動力裝置不依附于支架結構，可循環利用，以實現節約成本的目的。

總體而言，固定可調式支架具有固定式支架簡單可靠的特點，而且提高了光伏電站的發電量，同時固定可調式支架不像跟蹤式支架一樣需要高昂的成本及維護費用，擁有廣闊的應用前景。現有的固定可調式支架形式不多，在支架結構形式的優化及支架調節時間及次數的優化方面，都值得進一步研究。

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Discussion on Adjustable Fixed Bracket in New Construction Photovoltaic Power Station

BIJin-feng1,WUXue-ping1，PINGTong-qi2,WANGZi-wen3

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China; 2. Jingrui Real Estate Limited Company, Shanghai 200241, China;3. Tianjin Water Conservancy Construction Management Office, Tianjin 300204, China)

Taking Zhasuhe 10 MW photovoltaic power station in Gangcha County, Qinghai Province as an example, the structure of the adjustable fixed bracket is provided, and the load condition of the solar brackets is analyzed under different dip angles. If adjusted quarterly, the optimum angels are 10°, 28°, 52°, 62°, respectively. According to the simulation results, the middle support should to be enhanced. The adjustable fixed bracket is proposed in new photovoltaic power station in Qinghai Province, and the dip angle of the bracket can be changed monthly, quarterly or biannually.

photovoltaic power station; adjustable fixed bracket; power generation benefit

2015-04-20

畢金鋒(1988-)，男，河北承德人，博士生，主要從事巖土力學方面研究工作。E-mail：Belong@sjtu.edu.cn

吳雪萍(1961-)，女，上海人，本科，工程師，主要從事巖土力學的實驗教學和研究工作。E-mail:wxping61@sjtu.edu.cn

TK 513.4

A

1006-7167(2016)04-0039-04