光伏電站新建工程固定可調(diào)支架討論

畢金鋒， 吳雪萍， 平曈其， 王子文

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240; 2.景瑞地產(chǎn)(集團(tuán))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(diào)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(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240; 2.景瑞地產(chǎn)(集團(tuán))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(diào)式支架的結(jié)構(gòu)形式，并根據(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，計(jì)算出固定時(shí)間段內(nèi)發(fā)電量最大的電池板傾角。得到按季節(jié)調(diào)整的最優(yōu)角度為10°、28°、52°、62°，并分析不同角度下太陽(yáng)能支架結(jié)構(gòu)的受力情況。結(jié)果表明,固定可調(diào)式支架在不同傾角情況下，中間立柱與橫梁連接處需加強(qiáng)處理。建議青海省新建光伏電站中采用固定可調(diào)式支架，對(duì)太陽(yáng)能電波板的傾角進(jìn)行月調(diào)、季調(diào)或半年調(diào)。

光伏電站; 固定可調(diào)支架; 發(fā)電效益

0 引 言

支架按其對(duì)太陽(yáng)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(diào)式支架、水平單軸跟蹤支架、傾斜單軸跟蹤支架(也稱(chēng)傾緯度角單軸跟蹤支架)和雙軸跟蹤支架[1-5]。相對(duì)于固定式支架，跟蹤式支架的原理復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多樣，實(shí)現(xiàn)難度高，所以國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)跟蹤式支架的研究較多，而對(duì)于固定式支架的優(yōu)化及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究較少[6-9]。本文對(duì)固定可調(diào)式支架的受力情況及對(duì)發(fā)電量的影響進(jìn)行分析。

1 太陽(yáng)能支架形式及其特點(diǎn)

1.1 太陽(yáng)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(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射值和地理位置進(jìn)行優(yōu)化選擇,見(jiàn)圖1。

圖1 固定式太陽(yáng)能支架

(2) 固定可調(diào)式。非連續(xù)跟蹤，采用月調(diào)或季調(diào)的方式按一定的周期對(duì)電池板的朝向進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方式見(jiàn)圖2。

圖2 固定可調(diào)式

(3) 單軸跟蹤式。通過(guò)圍繞位于光伏方陣面上的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)連續(xù)跟蹤太陽(yáng)方位。旋轉(zhuǎn)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(jiàn)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(gè)可以旋轉(zhuǎn)的軸，通過(guò)旋轉(zhuǎn)這雙軸使得方陣面始終和太陽(yáng)光垂直，從而最大可能捕獲太陽(yáng)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(duì)比

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，全球大型光伏電站中約有27%采用了自動(dòng)跟蹤式，其余大部分采用固定式。而國(guó)內(nèi)90%以上的已建電站均采用固定式支架，傾角固定可調(diào)式在大型光伏電站中使用較少[10]。

根據(jù)已建工程調(diào)研數(shù)據(jù)，與固定式支架相比，若采用水平單軸跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約15%;若采用斜單軸跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約20%;若采用雙軸跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約25%。但目前斜單軸和雙軸跟蹤的支架造價(jià)基本相同，比起水平單軸跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量?jī)H提高5%，增加的電量收益難以抵消支架增加的費(fèi)用[11]。

現(xiàn)以固定安裝式為基準(zhǔn)，系統(tǒng)發(fā)電量為100%，直接投資增加百分比為100%，對(duì)1 MWp光伏陣列采用如下3種運(yùn)行方式進(jìn)行比較，結(jié)果列于表1。

表1 不同支架形式的對(duì)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?jiǎng)恿ρb置不停地調(diào)整電池板的角度，所以運(yùn)營(yíng)成本高昂。在使用過(guò)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)間越久所需要的維護(hù)及維修費(fèi)用越高。并且，跟蹤式支架由于其不停地調(diào)整角度，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性偏低，抗風(fēng)能力較弱[12]。固定式支架雖然發(fā)電量上不及跟蹤式支架，但是其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本及維護(hù)費(fèi)用很低，結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性好，所以從光伏電站的長(zhǎng)期服役效果來(lái)看，固定式支架有著顯著的優(yōu)勢(shì)，所以在跟蹤式支架相關(guān)技術(shù)未達(dá)到一個(gè)很高水平的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，固定式支架仍將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)支架形式設(shè)計(jì)

2.1 固定可調(diào)支架

固定可調(diào)式支架是根據(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)電量最大的電池板傾角，每年按不同時(shí)間的最佳傾角對(duì)電池板的傾角進(jìn)行有限次數(shù)的調(diào)整，按調(diào)整次數(shù)可分為：1年2次(半年調(diào));1年4次(季調(diào));1年12次(月調(diào))。以剛察縣扎蘇河10 MW光伏電站為例[13-14]，固定可調(diào)式電站發(fā)電量與固定式支架的電站發(fā)電量對(duì)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(fā)電量對(duì)比

目前已有的固定可調(diào)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(xiàn)場(chǎng)布設(shè)千斤頂?shù)葎?dòng)力裝置將會(huì)提高支架成本，并且對(duì)于高寒及風(fēng)沙地區(qū)，不利于千斤頂?shù)恼９ぷ鳌?duì)固定可調(diào)式支架的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下幾個(gè)原則：①三角形具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，固定可調(diào)支架的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)以三角形結(jié)構(gòu)為主；②結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方式便于實(shí)現(xiàn)；③在調(diào)整到不同角度時(shí)，應(yīng)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(shí)現(xiàn)多排支架同時(shí)調(diào)整，減小調(diào)整支架角度的工作量；⑤不在支架上預(yù)設(shè)動(dòng)力裝置，調(diào)整支架的動(dòng)力裝置可重復(fù)使用、循環(huán)作業(yè)，以降低成本；⑥盡量減少軸承、傳動(dòng)裝置、千斤頂?shù)葟?fù)雜節(jié)點(diǎn)部件的使用，以減少運(yùn)營(yíng)及維護(hù)費(fèi)用；⑦運(yùn)行環(huán)境需考慮青海省荒漠地區(qū)高寒、高原、風(fēng)沙、腐蝕等惡劣情況。

2.2 固定可調(diào)支架設(shè)計(jì)

在歐洲美元市場(chǎng)出現(xiàn)的初期，英美兩國(guó)政府對(duì)這個(gè)市場(chǎng)就采取了積極支持的政策。英國(guó)的目的很簡(jiǎn)單，倫敦作為傳統(tǒng)的國(guó)際金融中心，第二次世界大戰(zhàn)之后地位明顯下降，英格蘭銀行幾度嘗試開(kāi)放金融市場(chǎng)，但是英鎊都受到了國(guó)際投機(jī)資本的無(wú)情沖擊，而一味的資本管制，又使得倫敦金融市場(chǎng)的國(guó)際業(yè)務(wù)日漸萎縮，此時(shí)離岸美元市場(chǎng)的出現(xiàn)，使得倫敦金融市場(chǎng)可以使用美元業(yè)務(wù)替代昔日的英鎊業(yè)務(wù)，這對(duì)于維持倫敦的國(guó)際金融中心的地位無(wú)疑是有利的。

按照以上所提出的各項(xiàng)設(shè)計(jì)固定可調(diào)支架的原則，設(shè)計(jì)了一種支架斜撐支撐點(diǎn)位置可動(dòng)的支架形式。參考已有的固定可調(diào)式支架形式中的推拉桿式支架，并對(duì)其作出優(yōu)化，設(shè)計(jì)如圖5所示的固定可調(diào)支架形式，該形式支架每一品內(nèi)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(yáng)能電池板的框架梁。5個(gè)可動(dòng)節(jié)點(diǎn)，1、2、3號(hào)節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，4、5為滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)4、5兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在橫梁上的滑動(dòng)而改變電池板的傾角。圖5為太陽(yáng)能電池板傾角為62°、52°、28°、10°時(shí)的支架狀態(tài)。

圖5 支架狀態(tài)

圖6為多個(gè)支架組合成為整體后的作用效果，在角度調(diào)節(jié)過(guò)程中，可通過(guò)移動(dòng)推桿1和桿2的位置，從而同時(shí)改變多個(gè)支架結(jié)構(gòu)的角度，以保證各獨(dú)立支架間能夠同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止單個(gè)支架不同步而引起電池板變形破壞。同時(shí)，該形式支架的動(dòng)力裝置可以與支架結(jié)構(gòu)脫離，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力器械重復(fù)利用，從而達(dá)到節(jié)約成本的效果。

圖6 固定可調(diào)支架的整體裝配

如果按以上提到的4個(gè)角度對(duì)電池板傾角進(jìn)行季調(diào)節(jié)，可根據(jù)不同調(diào)節(jié)角度下斜撐支點(diǎn)的位置，在底部橫梁上設(shè)置固定位置的卡槽，方便調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)斜撐支點(diǎn)的定位。

2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

取一品支架進(jìn)行4個(gè)角度的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)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(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[15]計(jì)算得到，在62°、52°、28°、10°時(shí)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(jì)算得到的各角度下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖7所示。

圖7 支架內(nèi)力分布情況

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

綜合各角度可以看出，3個(gè)短立柱及靠后的長(zhǎng)支撐桿需要做加強(qiáng)處理，而節(jié)點(diǎn)中，在每個(gè)角度下支撐與橫梁的連接處均需要對(duì)橫梁進(jìn)行加強(qiáng)處理，中間立柱與橫梁的連接處也需要做適當(dāng)加強(qiáng)處理。總體來(lái)看，采用截面為40×40×2.2×2.2的槽鋼，結(jié)構(gòu)內(nèi)力均未達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

(2) 新建光伏電站的固定可調(diào)式支架結(jié)構(gòu)形式參考了青海省已建工程固定式支架的特點(diǎn)，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(gòu)造,調(diào)整角度的動(dòng)力設(shè)備及調(diào)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(shè)及后期電站的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)方便。

(3) 固定可調(diào)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，動(dòng)力裝置不依附于支架，現(xiàn)場(chǎng)不設(shè)置液壓裝置及傳動(dòng)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)。

(4) 固定可調(diào)支架與固定式支架在建構(gòu)形式上變動(dòng)較小，使用材料與固定式支架相當(dāng)，現(xiàn)場(chǎng)不設(shè)置動(dòng)力裝置，在1年調(diào)4次的情況下，與固定式支架相比，可增加發(fā)電量6%左右，具有明顯的經(jīng)濟(jì)可靠性。

對(duì)比各種支架形式的特點(diǎn)，綜合考慮青海省的環(huán)境條件，建議青海省新建光伏工程中采用固定可調(diào)式支架，對(duì)太陽(yáng)能電池板的傾角進(jìn)行月調(diào)、季調(diào)或半年調(diào)。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(diào)支架。在支架整體裝配后，如果支架橫向的穩(wěn)定性較好，建議推桿采用可拆卸的結(jié)構(gòu)形式，便于循環(huán)利用，也可以節(jié)約成本，如果支架的橫向穩(wěn)定性不好，可將推桿設(shè)置在支架的裝配中，用于連接每品支架，增加其橫向穩(wěn)定性。建議針對(duì)該形式的固定可調(diào)式支架設(shè)計(jì)與之配套的動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置不依附于支架結(jié)構(gòu)，可循環(huán)利用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目的。

總體而言，固定可調(diào)式支架具有固定式支架簡(jiǎn)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。現(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)化及支架調(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。

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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(xué)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(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作。E-mail:wxping61@sjtu.edu.cn

TK 513.4

A

1006-7167(2016)04-0039-04