上海電力設計院有限公司 ■ 章榮國

0 引言

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國之一，也是少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一，在能源生產和消費中，煤炭約占商品能源消費構成的75%，已成為我國大氣污染的主要來源。建設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)電源結構，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的7%，同時采用不同類型的光伏支架形式會影響光伏組件的發(fā)電效率，因此有必要對光伏支架的結構形式進行深入研究。

1 目前常用光伏支架的結構形式及性能比較

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)計表明，全球大型地面光伏電站中約有27%采用了自動跟蹤式，其余大部分采用固定傾角式。根據(jù)已建工程調研數(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，而且由于需要動力裝置不停調整電池板的角度，運營成本高。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，使用時間越久所需的維護及維修費用越高。此外，跟蹤式支架不停調整角度使結構整體穩(wěn)定性偏低，抗風能力較弱。固定傾角式支架雖然發(fā)電量不及跟蹤式支架，但是其結構形式簡單，運營成本及維護費用很低，結構的安全穩(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技術未達到很高水平時，固定傾角式支架仍作為主要的支架形式廣泛應用于光伏電站中。

2 固定可調式光伏支架結構

固定可調式支架主要是根據(jù)光伏電站所在地的全年光照情況，將全年時間分成若干段，尋找到固定時間段內發(fā)電量最大的光伏組件傾角，每年按不同時間段的最佳傾角對光伏組件的傾角進行有限次數(shù)的調整，每次角度調整完畢后，支架利用自帶的連接件進行固定，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，固定可調式支架可提高發(fā)電量；與跟蹤支架相比，固定可調式支架的成本及后期維護費用較低。固定可調式支架結構形式簡單，只需在固定式支架的基礎上加以適當改造即可；結構穩(wěn)定性好，兼顧了固定式支架與跟蹤式支架的優(yōu)點；非連續(xù)跟蹤，采用有限次的方式按一定的周期對光伏組件的朝向進行調整。

根據(jù)調節(jié)方式的不同，目前固定可調式光伏支架主要有：推拉桿式、半圓弧式、千斤頂式，具體如圖5～圖7所示。推拉桿式固定可調支架利用支架斜撐桿在基礎底部水平桿的卡槽中往返推拉移動來實現(xiàn)光伏支架的角度調整，角度調整完畢后用螺栓孔位進行固定。半圓弧式固定可調支架利用支架斜梁與A型豎桿的鉸連接進行光伏支架角度調整，角度調整完畢后半圓弧撐桿與A型豎桿通過螺栓孔位進行固定。千斤頂式固定可調支架通過連接在支架斜梁與豎桿間的菱形千斤頂伸縮調整支架角度，角度調整完畢后支架通過千斤頂?shù)淖枣i實現(xiàn)固定。從幾種固定可調式支架的結構形式可知，前兩種支架的調整角度受螺栓孔數(shù)量控制，而千斤頂式固定可調支架的角度可以實現(xiàn)無級調節(jié)，調節(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 固定可調式支架與固定傾角式支架主要經濟指標比較

以青海省某10 MW光伏電站為例，固定可調式支架與固定傾角式支架的電站典型經濟指標對比如表1、表2所示。表1中的調整方案是每次調整的角度均為某一時間段的最佳傾角[4]，表2中的調整方案是每次的調整角度設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增大，因此大的傾角會造成光伏場地占地面積的增大，隨著調節(jié)次數(shù)的增加發(fā)電量也相應增加。表2是將可調傾角范圍設置在最佳傾角及以下，這種限定最大傾角的優(yōu)化方案的特點是不用增加光伏場地占地，適用于用地指標緊張或土地費用高的地區(qū)，其增加的發(fā)電量也較明顯。

表1 不同調整角度的典型技術指標比較

表2 年最佳傾角及以下角度調整方案典型技術指標比較

4 常見的固定可調式光伏支架技術經濟比較

4.1 幾種常見固定可調式支架性能比較

通過對幾種常見固定可調式支架的現(xiàn)場調研，對各種支架的建設成本、運營和維護情況進行分項對比，對比結果如表3所示。從表3可以看出，千斤頂式可調支架的建設成本較低，并且運營維護方便。

4.2 經濟效益分析

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

表3 各種固定可調支架基本特性比較

表4 各類固定可調支架對應不同調節(jié)次數(shù)的差額內部收益率

從表4可以看出，隨著調節(jié)次數(shù)的增加，差額內部收益率增長很快，只要一年中調整次數(shù)不小于3次，差額內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%)。因此采用固定可調支架額外增加的投資具有很好的投資回報率。

5 結論及建議

通過對多個實際項目的調查和分析，對固定可調式支架得出如下幾點結論及建議：

1)光伏電站的固定可調式支架保持了固定傾角式支架的結構形式，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構簡單、安全可靠的優(yōu)點；同時具有調節(jié)方式便于實現(xiàn)，比以往的跟蹤式支架維護更加便利等優(yōu)點。

2)設計固定可調式支架時應注意驗算支架在調整到不同角度時的所有荷載狀態(tài)，保證支架在任何狀態(tài)下均符合設計要求。

3)千斤頂式固定可調支架由于存在機械傳動裝置，因此必須保證該傳動裝置在高寒、高原、風沙、腐蝕等惡劣條件下的可靠性。為提高該類支架的穩(wěn)定性，建議支架與基礎的連接采用A型桿。其他固定可調式支架中，轉動節(jié)點使用軸承，滑動節(jié)點使用卡槽，無動力裝置，所以能夠適應更加惡劣的環(huán)境，具有防風沙、耐腐蝕、耐凍的特點。該類支架也可采用不依附于支架的傳動裝置，當角度調整固定完成后卸除，整個光伏場可采購幾套循環(huán)利用，以實現(xiàn)節(jié)省投資目的。

4)所有固定可調式支架均存在轉動的鉸接點，為控制支架的變形，應降低鉸接點處的加工誤差，開孔位置及直徑的加工誤差需控制在±0.5 mm以內。

5)固定可調支架設計時支架縱向的坡度建議控制在1%以內，坡度過大時支架縱向變形加大，不利于支架穩(wěn)定，且人工調節(jié)困難。

6)固定可調支架具有很好的投資回報率，但由于針對固定可調式支架的實際投運項目不多，缺乏可借鑒的成熟經驗，在采用該類支架前建議對實際投運的類似項目運行情況進行調查。

總體而言，固定可調式支架具有固定傾角式支架簡單可靠的特點，而且提高了光伏電站的發(fā)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?，F(xiàn)有的固定可調式支架形式不多，在支架結構形式的優(yōu)化、支架調節(jié)時間及次數(shù)的優(yōu)化方面，都值得進一步研究。

[1] 黃天云， 白盛強. 傾角可調光伏支架結構的研究[J].太陽能，2013(15)：34 － 36.

[2] 鄧霞， 鄒新， 王峰. 光伏陣列可調支架的技術研究[A].第十一屆中國光伏大會暨展覽會會議論文集[C]， 南京： 東南大學出版社，2010.

[3] 時劍. 支架季調式光伏發(fā)電系統(tǒng)應用研究[J].水電能源科學 ， 2010， 28(12)： 157 － 158

[4] GB 50797-2012， 光伏發(fā)電站設計規(guī)范[S].