關于光伏支架及其跟蹤系統介紹

張靖典

摘要：隨著科技的發展以及近幾年自然災害的增多，人類越發覺得環境的保護和可持續發展是迫在眉睫的事情。所以各個國家和國際組織都開始提出了“碳中和”這一概念。但要實現這一偉大目標，新能源的大力推廣和使用是重要而且必不可少的一環。目前對于新能源的推廣最主要還是大力使用電能，而在發電的模式中，太陽光伏系統（簡稱光伏）的比重越來越大，因此也造就了光伏產業的興起。光伏是指利用光伏半導體材料的光生伏打效應而將太陽能轉化為直流電能的設施。隨著光伏產業的日趨成熟和被大量采用，如何最大增加發電效率也開始被思考和解決。目前，增加光伏發電效率主要有兩種：一，對太陽能板材料的探索，增加發電效率。二，調整光伏支架，讓太陽能板跟隨太陽而調整角度，增加光照直射面。本文將會詳細的介紹光伏支架的類型以及優缺點，綜合給出簡單的跟蹤系統優化方案。

關鍵詞：太陽光伏系統（Solar photovoltaic system） 光伏支架（PV support bracket） 跟蹤系統（Tracking system）

引言

光伏支架是光伏電站重要的組成部分，承載著光伏電站的發電主體。因此，支架的選擇直接影響著光伏組件的運行安全、破損率及投資建設收益情況。

太陽能光伏支架設計方案需要考慮很多因素，任何類型的太陽能光伏支架設計方案的組件裝配部件，其最重要的優勢之一必然是耐候性。 結構必須牢固可靠，能承受如大氣侵蝕，風荷載和其它外部效應。

太陽能支架的最大抗風能力216公里/小時，太陽能跟蹤支架最大抗風150公里/小時（大于13級臺風）。以太陽能單軸跟蹤支架和太陽能雙軸跟蹤支架為代表的新型太陽能組件支架系統，與傳統的固定支架相比較，在太陽能電池板的數目相同的情況下，能極大的提高太陽能組件的發電量，采用太陽能單軸跟蹤支架組件的發電量可以提高25%，而太陽能雙軸支架甚至可以提高40%～60%

1.光伏支架主要類型介紹

在選擇光伏支架時，需要根據不同應用條件來選擇不同材料的支架。根據光伏支架主要受力桿件所采用材料的不同，可將其分為鋁合金支架、鋼支架以及非金屬支架（柔性支架和混凝土支架），其中非金屬支架（柔性支架）使用較少，而鋁合金支架和鋼支架各有特點。

鋼支架性能穩定，制造工藝成熟，承載力高，安裝簡便，廣泛應用于民用、工業太陽能光伏和太陽能電站中。其中，型鋼均為工廠生產，規格統一，性能穩定，防腐蝕性能優良，外形美觀。值得一提的是，組合鋼支架系統，其現場安裝，只需要使用特別設計的連接件將槽鋼拼裝即可，施工速度快，無需焊接，從而保證了防腐層的完整性。但是這種產品也有其缺點，那就是連接件工藝復雜，種類繁多，對生產制造、設計要求高，因此價格不菲。

金屬支架混凝土支架，主要應用在大型光伏電站上，因其自重大，只能安放于野外，且基礎較好的地區，但穩定性高，可以支撐尺寸巨大的電池板。

非金屬支架（柔性支架），利用鋼索預應力結構，類似于污水處理廠、地形復雜的山地、承重較低的屋頂、林光互補、水光互補、駕校、高速公路服務區等跨度和高度所限造成傳統支架結構無法安裝的場所，柔性支架則很好地解決了這一難題，有效地解決現有山谷、丘陵地帶光伏電站存在的施工難度大，陽光遮擋嚴重，發電量低（與平整地帶光伏電站對比約低過10%-35%）電站支架質量差、結構復雜等缺點。

總的來說，非金屬支架（柔性支架）具有廣泛的適應性、使用的靈活性、有效的安全性和土地完美二次利用經濟性，是光伏支架革命性的創造。但是其也存在一點小小的弊端，那就是抵抗惡劣天氣的能力不強，須避免在會出現惡劣天氣的地方安裝此類支架。

金屬支架的使用占大多數，其中金屬支架可以分為四大類：固定式支架;平單軸跟蹤支架;斜單軸跟蹤支架;雙軸跟蹤支架。

1.1 固定支架（fixed structure）

固定式支架，顧名思義支架是固定式的，是無法移動的。按照項目地點設計最佳傾角，采用固定方式安裝，結構簡單，牢固。其結構雖然簡單，但是其制造工藝并不簡單。事實上，高質量的產品往往具有多項技術專利。下面以拼裝式鋼支架舉例說明。

首先，高質量的型鋼通常具有高水平的鍍鋅工藝。根據國家標準的要求，鍍鋅層平均厚度應大于50μm，最小厚度大于45μm。事實上，很多產品的鍍鋅層平均厚度雖然可以達到要求，但最小厚度小于40μm，實際使用中常常出現點蝕。鹵素對鋼材的腐蝕速度非常快，一年之內就可能造成整體支撐結構的弱化，造成安全隱患。因此，做到高度均勻的鍍鋅工藝并非易事。其次，型鋼鋼材的連接是一個技術難點。一整套有效的連接方法，不僅包括連接件上巧妙的構思，還要配合槽鋼背孔、咬合齒牙的設計等等。這其中涉及沖壓、鑄造等多方面鋼鐵冶金技術。

另外，用于承受較大荷載的雙面槽鋼，必須進行背靠背焊接。各種焊接工藝之間水平有很大差距。壓力激光焊接可以保證全斷面均勻連接，兩根槽鋼完全合為一體，共同受力;而電焊技術只能使兩根槽鋼部分固定在一起，受力形式更接近于疊合梁。有些型鋼為了提高承載力，還對槽鋼增加了加勁肋的冷軋。

總之，拼裝式型鋼支架的生產工藝存在諸多技術難點，需要冶金工程技術人員攻克技術壁壘，進一步降低其使用成本。

相比于其他類型的光伏支架，固定式支架優勢也很明顯，支架系統簡單，安裝方便，成本低，維護簡單。同時缺點也很明顯，不能對太陽能資源充分利用，相比跟蹤支架發電量少。

1.2平單軸跟蹤支架（single axis tracker）

平單軸跟蹤支架的軸向一般是采用南北軸，轉動軸南北方向與地面平行，跟蹤方位角，適用于低緯度地區，結構相對簡單，安裝調試較為容易，牢固，抗風好。其運行基本原理是確保組件在東西方向上跟太陽光線成直角，所以平單軸跟蹤器跟蹤的是太陽的方位角，而不是高度角。由于跟蹤的范圍一般是在-60°至+60°，如果組件實時跟著太陽追蹤，在早上或傍晚太陽高度角較小的時候，需要的跟蹤角度一般會超過跟蹤范圍，而停留在±60°位置，此時前面一排組件會對后面一排產生遮擋。

對于平單軸跟蹤支架，如果采用逆跟蹤技術，可在減少陣列間距的同時，又能使光伏陣列間沒有遮擋，那么就可以很好地解決跟蹤系統面臨的光伏發電量和占地面積的抉擇問題。當確定使用逆跟蹤技術后，為了提高發電量，還需要確定跟蹤支架的東西間距，因為東西距離大，早晚逆跟蹤算法啟動的機會相對來說就會少一些，那么可保證組件平面上所接收的輻射量相對較大。當然，實際間距的選擇還需要看可利用的土地面積。早上和傍晚的時候，支架能夠反向旋轉，使前排組件陰影剛好沒遮到后排，實現入射角最大、發電量最大的目標。

1.3斜單軸跟蹤支架（Oblique single shaft trestle）

平單軸跟蹤支架在國內已經有了廣泛的使用，通過東西向跟蹤太陽軌跡，較為顯著的提升了發電量，但平單軸也有其不利因素存在。

平單軸跟蹤支架由于向南方向沒有傾角，使得其在太陽高度角較低時輻射接收能力較差，這一點在高緯度地區表現尤其明顯，平單軸跟蹤支架在高緯度地區的發電量提升能力會有所下降，尤其是在冬季，發電量甚至低于固定式支架。

而斜單軸跟蹤支架因為向南方向有一定的傾角，所以這種情況會較平單軸好。因此適合中、高緯度地區，北半時旋轉軸北高南低，相比固定支架發電量可提高20～30%。

但是斜單軸跟蹤支架也有自身的局限，其穩定性略差于平單軸跟蹤支架，而且由于向南方向有傾角，使得斜單軸跟蹤支架隨著旋轉軸的增長，北側距離地面越來越高，而由于其后立柱不可能做太高，所以也就限制了斜單軸的旋轉軸不能做成和平單軸一樣很長的一根軸，而只能是獨立的一個個個體，增加了其成本，維護也相對復雜，故障率自然也高，當然也增加了占地面積。

雖然斜單軸跟蹤支架某些方面優于平單軸支架，但在實際應用中由于其自身的特點，也有需要注意的地方：

1.由于平單軸跟蹤支架對于低太陽高度角輻射接收效率低的缺點在中高緯度地區更加明顯，因此斜單軸跟蹤支架也更適合于中高緯度地區;

2.?與平單軸系統組件在南北方向連續布置不同，斜單軸跟蹤系統中由于組件向南有傾角，因此需要模擬并確定組件之間的南北間距;

3.?由于組件從平鋪到最佳傾角之間，輻射接收量的增長率是逐漸降低的，同時由于傾角過大會使得組件南北間距過大，增加占地及支架成本。所以斜單軸跟蹤系統中適量提升組件傾角即可，傾角不宜過大。

1.4雙軸跟蹤支架（Dual-axis tracker）

雙軸跟蹤支架是利用雙軸跟蹤系統跟蹤太陽的光伏支架，雙軸跟蹤系統是一種能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置。因此，適合中、高緯度地區，傳動機構復雜，故障率高，使用不廣泛，相比固定支架發電量可提高20～30%，同時其成本也更高，維護更復雜，故障率更高。

2.提升發光效率原理分析

目前，增加光伏發電效率主要有兩種：一，對太陽能板材料的探索，增加發電效率。二，調整光伏支架，讓太陽能板跟隨太陽而調整角度，增加光照直射面。而本次主要從光伏支架的調整去提高發電效率，以支架的跟蹤系統作為分析對象。

2.1跟蹤控制方式

跟蹤控制系統主要有兩種跟蹤控制方式：

1.光線控制（光控），就是使用光傳感器，跟據不同區域光線強弱區別，判斷太陽位置，然后驅動電機轉動支架進行追蹤。

2.時間控制（時控），根據當地經度坐標和緯度坐標以及時區時間，利用天文學計算公式，計算太陽所處天空的坐標，然后驅動電機轉動支架進行追蹤。

目前國內公司大多都是將兩種控制原理結合，但是大部分都是以時控為主，光控為輔。當天氣良好的情況下，利用時控追蹤太陽大約位置，然后利用光控進行精確調節;當天氣條件不好的時候，單獨利用時控進行追蹤，避免天空雜光干擾。

另外也可以采用另一種結合方式：仍然以時控為主，光控為輔，即天氣良好

的情況下，單純只利用光控進行追蹤，如果遇到陰雨天氣，則自動轉跳到時控方式進行追蹤。

時控方式中，使用GPS 模塊來獲取當地的經緯度和時間。保證坐標和時間的精度，從而提高追蹤精確程度。入下圖所示，分別是光控跟蹤流程以及時控跟蹤流程。

2.2時控太陽方位計算

2.3機械結構

跟蹤電站的機械結構主要分為三大部分，立柱，橫梁和網架。立柱與橫梁的連接處為x軸減速機，橫梁和網架的連接處為y軸減速機，鋼結構支架全部采用熱鍍鋅，保證20年以上的使用壽命。

網架采用錯層設計，這種z形結構，可以保證網架在轉動時，重心和軸心處于同一位置，從而消除了減速機偏重。

3.結論

本文詳細介紹了目前光伏支架的類型，分析了各種光伏支架的特點以及缺點。從光伏支架的不斷進化中，我們不難看出，始終都是為了讓光照利用率不斷提高，以此達到增加發電量的目的。因此，本文也詳細介紹了跟蹤支架的跟蹤角度的計算，以及跟蹤啟動的算法。同時，作者也探討了逆向跟蹤對發電量的影響。

作者通過對跟蹤系統的控制方式的研究，列出了兩種控制方式，即光線控制（光控）和時間控制（時控）。為了更加完整的提升光照效率，作者給出了光線控制與時間控制相結合的控制方式：以光線控制為主，時間控制為輔。并且對于結合控制方式，衍生出了兩種結合控制方式：

（1）當天氣良好，光線充足的情況下，利用時控追蹤太陽大約位置，然后利用光控進行精確調節;當天氣條件不好的時候，單獨利用時控進行追蹤，這也避免了雨水折射光線產生雜光的干擾。

（2）依然以時控為主，光控為輔，天氣良好的情況下，只利用光控方式進行追蹤，如果遇到陰雨天氣，只利用時控方式進行追蹤。

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