剛察扎蘇合光伏電站固定支架可調性探討

展宗洋，羅先啟

（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

0 引言

能源是促進國民經濟發展的重要保障。近年來，世界能源行業面臨著能源枯竭和環境保護的雙重壓力，在此背景下，優先發展可再生能源已成為世界共識，而太陽能以其安全、清潔、資源充足、技術可靠等優點成為當代新能源開發的重要方向［1-6］。自20世紀70年代起，我國光伏發電產業發展迅速，但是發電效率不高成為制約其發展的因素之一。太陽輻射量、最大功率峰值跟蹤、電池組件的轉換效率、逆變器的整機效率等影響到光伏系統的發電效率。其中，光伏電站支架傾角是影響發電效率的又一重要因素［7-9］。因此，根據光伏電站的具體情況設計更具經濟性和適用性的支架形式，具有巨大的經濟價值。

剛察扎蘇合10 MW光伏發電工程位于剛察縣泉吉鄉，其地理坐標為東經99°44′～99°52′，北緯37°12′～37°18′之間，距剛察縣城45 km。電站設光伏陣列區、匯集站和生產生活綜合區。整個地塊南北長744.2 m、東西寬359.6 m，平均海拔3 310 m，總占地面積為0.267 614 km2。場區地勢平緩，地形開闊，多為草場區。工程包括光伏陣列區支架、逆變器室、箱變室及綜合樓等［10］。

剛察扎蘇合光伏電站一個單元包括44塊電池板，一個單元的電池板面積為71.7 m2，總共有950個單元，整個光伏電站的電池板總面積為68 115 m2。太陽能電池板為多晶體電池板，自由放置在地面上，沒有額外的通風措施。剛察的緯度為37°20′（北半球），經度為東經100°8′，海拔為3 303 m［11］。根據上述資料采用PVsyst軟件計算太陽能支架傾角不同方案的發電情況［12］。數據來自Meteonorm的全球氣候數據庫。分別計算固定式、月調式、季調式及1 a調節2次的發電量。計算結果為原方案（固定支架，傾角39°）發電量為1 730萬kW／a時；月調式方案（傾角每月調整一次）發電量為1 839萬kW／a時，與固定式相比增加了6.31%的發電量；季調式方案（傾角每季調整1次）發電量為1 820萬kW／a時，與固定式相比增加了5.15%的發電量；半年調節（傾角每年調整兩次）發電量為1 800萬kW／a時，與固定式相比增加了4%的發電量。

安裝跟蹤系統能夠較大幅度提高發電效率，但因初期投入成本高、穩定性差等因素而難以廣泛應用。結合青海省光伏電站高寒、高原、風沙、腐蝕環境條件，研制一種新型的，適合荒漠地區的固定可調支架具有廣泛的工程實用價值［13］。

目前國內90%以上已建電站采用固定式支架［14］。青海省已建光伏電站絕大多數也是采用固定式支架，因此，研究固定支架改為固定可調支架的可行性，并提出固定支架改為固定可調支架結構形式及其實施方案，具有極大的經濟價值。

1 固定支架可調性分析

1.1 改造思路

剛察扎蘇合光伏電站目前采用的是固定支架，如圖1所示，固定支架的電池板傾角為39°。

圖1 固定支架原型圖

改造方案的基本思想是：將前立柱頂部與橫梁的連接方式改為鉸接，取消原結構中的斜支撐桿和后立柱，使用可動支撐桿1、2，如圖2所示。其中可動支撐桿頂部與橫梁的連接方式均為鉸接，與底部新增橫梁的連接方式為活動鉸接。即可動支撐桿底部可在新增橫梁上移動，且在連接處可發生轉動。新增橫梁的作用是承受可動支撐桿的荷載作用，其兩端搭在兩根樁上。該支架通過將可動支撐桿1與2的平動來實現調節電池板的傾角，支架傾角不同時的示意圖如圖3所示。

圖2 改造后支架結構示意圖

1.2 方案對比

根據剛察光伏電站支架調節方式發電效益的計算結果［15］，若采用季調式方案，太陽能電池板最優傾角分別是62°，52°，28°，10°，其支架示意圖如圖4 所示。由于調整范圍較大，可動支撐桿的長度不能改變，當電池板傾角為10°時，新增橫梁需懸挑的長度較大，會造成較大的彎矩，在受力方面不易。因此，本文建議采用1 a調節2次，調整角度分別為52°（秋季與冬季），28°（春季與夏季），采用此調整方案，年發電量與固定式相比能提高4%左右。1 a調整2次方案的結構示意圖如圖5所示。

圖3 平移可動支撐桿底部實現電池板傾角的調節

圖4 太陽能電池板傾角不同時支架示意圖（季調式）

圖5 不同太陽能電池板傾角時支架示意圖（1 a調2次）

1.3 52°和28°方案結構設計

（1）電池板傾角為28°。當電池板傾角為28°時，其示意圖如圖6所示。

圖6 電池板傾角為28°時支架示意圖（mm）

（2）電池板傾角為52°。當電池板傾角為52°時，其示意圖如圖7所示。

圖7 電池板傾角為52°時支架示意圖（mm）

2 受力校核

由于支架結構進行了調整，所以需要對調整角度后的支架進行受力分析。考慮到可調支撐桿1、2與新增橫梁尚未確定，此處可調支撐桿1按照原斜支撐桿的參數，可調支撐桿2與新增橫梁按原后立柱的參數。支架受到的荷載主要包括電池板質量、風荷載、雪荷載、自重荷載。電池板的恒載為0.2 GPa，當地的基本風壓為0.35 GPa，基本雪壓為0.15 GPa。根據《建筑結構荷載規范》［16］風荷載的組合值取0.6，雪荷載的組合值取0.7。風壓高度變化系數取1.17；而結構高度較小，無須考慮風振系數。風荷載體型系數、雪荷載屋面積雪分布系數根據支架結構傾角具體給出。恒荷載的分項系數取1.2，活荷載的分項系數取1.4。支架各個桿件幾何、材料參數根據N076S-J01-05號計圖紙獲得。主鋼結構采用Q235-B，強度設計值：抗拉是215 MPa，抗剪是125 MPa。此處對傾角分別為28°、52°時的支架進行受力分析。

2.1 電池板傾角為28°時受力校核

考慮了上述荷載作用下，電池板傾角為28°時，風荷載體型系數、雪荷載屋面積雪分布系數分別為0.2和0.8。結構的軸力圖、剪力圖、彎矩圖如圖8所示。其中，軸力最大值為12.5 kN，軸向最大拉應力為28.6 MPa，在新增橫梁取得。剪力的最大值為10.49 kN，最大剪應力為24.0 MPa，在新增橫梁取得，軸力和剪力均滿足強度要求。計算得可動支撐桿1與2的軸心受壓構件折減系數φ 分別為0.41、0.51，N／φ 分別為70.6、22.4 MPa，小于材料的屈服應力，滿足穩定條件。

2.2 電池板傾角為52°時受力校核

考慮了上述荷載作用下，電池板傾角為52°時，風荷載體型系數、雪荷載屋面積雪分布系數分別為0.7和0。結構的軸力圖，剪力圖，彎矩圖如圖9所示。其中，軸力的最大值為17.55 kN，為拉力，軸向最大拉應力為51.3 MPa，在橫梁取得。剪力的最大值為17.52 kN，最大剪應力為40.1 MPa，在前立柱底部取得。軸力和剪力均滿足強度要求。計算得斜支撐桿與后立柱的軸心受壓構件折減系數φ 分別為0.41、0.51，N／φ分別為63.9 MPa、41.0 MPa，小于材料的屈服應力，滿足穩定條件。

圖8 電池板傾角為28°時受力情況

圖9 電池板傾角為52°時受力情況

各個桿件按照原結構的尺寸進行受力分析結果如表1所示，可看出各項強度指標均滿足規范要求。

表1 支架受力情況分析

3 結語

（1）從可調性來看，對太陽能電池板支架的傾角進行調整是可行的。調節的原則是保證原電池板結構不變及其支撐節點不變，支架的三角形穩定結構形式不變，結構構件形式不變。

（2）從受力分析來看，本文計算采用的桿件參數與原結構相似，計算結果表明，改造方案從受力來說是可行的。

（3）從經濟分析方面考慮，改造設計時可以考慮將原斜支撐桿和后立柱改造為可動支撐桿1和2。因此，改造方案中僅改變原節點的連接方式和增加了橫梁，投入不大，如果按0.5 a調節（2個傾角變化），發電量可以增加4.32%，如果季調調節（4個傾角），年發電量增加5.15%。