新型太阳能单立柱可调支架的研究及应用

■ 买发军 白荣丽 张晓峰

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司；2.中国船舶重工集团西安第七O五研究所海源测控技术有限公司)

0 引言

当前太阳能固定支架已被广泛应用，其结构简单，可靠性高，但不能伴随季节变化调整支架倾角，太阳电池组件效率低。随着光伏发电站建设进程的加快，光伏发电效率的提高已成为制约其发展的瓶颈之一，迫切需要引进新技术来获取更大的发电量，而合理布置光伏组件已成为提高发电效率的重要途径。本文介绍的新型单立柱可调支架可在成本略增的前提下获得较大的太阳能辐射量，提高电站的发电量。

1 单立柱可调支架设计

1.1 支架构造

图1为单立柱可调支架的构造示意图。该支架主要组成为：檩条和竖梁纵横交错布置，竖梁铰接于立柱的上端，防风杆呈人字形固定于檩条上，斜拉杆交叉固定于立柱的耳板上；立柱上设有一套调节装置，包括调节箱、驱动器和调节杆，调节箱为齿轮箱，驱动器为手轮，调节杆为调节螺杆；调节箱固定在立柱上，调节杆位于调节箱内并与驱动器传动连接，调节杆的顶端固定于竖梁的一端；转臂支撑架穿过立柱铰接于竖梁两端，转臂支撑架为半圆形圆管，其上设有若干固定孔，转臂支撑架与立柱之间通过与固定孔匹配的插销连接；立柱底部的方形底座可通过4个螺栓与下部基础固定，且每个底座增设4个加强筋，提高立柱稳定性。

图1 单立柱可调支架构造示意图

1.2 支架材质选型

1)立柱：矩形钢(140 mm×120 mm×4 mm)，截面参数如图2所示，材质Q235。

图2 立柱矩形管截面参数

2)竖梁：矩形钢 (60 mm×40 mm×4 mm)，截面参数如图3所示，材质Q235。

图3 竖梁矩形管截面参数

3)转臂支撑架：圆管(φ42 mm×t 3 mm)，截面参数如图4所示，材质Q235。

图4 圆管及围钢截面参数

4)斜拉杆、防风杆：角钢(40 mm×40 mm×3 mm)，截面参数如图5所示，材质Q235。

图5 角钢截面参数

1.3 支架调节原理

1)将调节装置安装在立柱与竖梁的耳板上(将下卡销挂进立柱耳板，再旋转角度调节装置手轮将上卡销卡进竖梁耳板)。此调节装置具有自锁功能，在完成支架倾角调节的同时，可起到支撑支架的作用，防止支架在调节过程中因为自身重力或外界环境的影响发生转动。

2)拆卸固定立柱和转臂支撑架的插销，摇动驱动器手轮进行回转运动，带动齿轮箱(即调节箱)内的齿轮转动，齿轮再驱动位于齿轮箱内的调节螺杆转动并做轴向运动，带动支架整体转动。转臂支撑架上设有若干固定孔，通过调节固定孔的位置，实现此支架角度的调节，此支架可完成10°～ 60°的角度调节。

3)支架转动到需求的角度后，安装固定立柱和转臂支撑架的插销，拆卸调节装置。

2 单立柱可调支架亮点

1)本套支架采用模块化设计理念，其中最具特色的是图6所示的新型手摇式角度调节装置。此装置属于快速安装机构，安装轻松、快捷，大大降低了现场安装难度。本套新型支架将原来采用手动握住太阳能支架进行调整的方式改为通过控制角度调节装置进行太阳能支架的角度调节。

图6 手摇式角度调节装置

改变后的调节方式具有的优点为：降低操作人员调节支架倾角时的劳动强度，节约时间，并轻松实现支架在10°～60°倾角范围的调节；支架可精确调节至最佳倾角，间接提高光伏系统效率，增加电站发电量；调节装置的调节杆分别固定于竖梁与立柱的耳板上，支架倾角调节过程中，为支架提供了额外的支点，不会让支架在调节倾角过程中因两端受力不平衡而产生倾斜，提高了整体安全性。

2)支架采用半圆形转臂支撑架，方便角度调节的同时增强了支架结构的稳定性，不同角度调节如图7所示。

图7 不同角度调节示意图

3)手摇式角度调节装置可在调整角度的同时，利用其自锁功能有效地支撑支架，防止支架因自身重力或外界因素(如风)的影响而发生转动，提高了支架在角度调节过程中的安全性。角度调节装置自锁功能示意图如图8所示。

图8 角度调节装置自锁示意图

3 单立柱可调支架结构力学分析

结合青海地区某项目实际情况，进行可调支架结构力学分析。本项目选用组件尺寸为1650×992×40，20块组件为 1个单元，每个单元支架上竖向双排安装2×10块太阳电池组件，单元支架安装组件总尺寸为10.2 m×3.35 m(长×宽)，支架每年调节2次，调节角度分别为13°和55°，支架单元布置图如图9所示。

图9 支架单元布置图

此款单立柱可调支架受力点主要集中于竖向的立柱上，本文通过SAP2000软件进行三维建模及力学分析计算对支架强度进行校核。图10、图11分别为立柱顶端最大位移示意图和支架最大应力示意图。

图10 立柱顶端最大位移示意图

图11 支架最大应力示意图

钢结构支架均采用Q235钢，通过分析计算得出，支架结构最大应力为110 MPa，均小于210 MPa，满足规范设计要求。立柱顶端最大水平侧移f=6.9 mm，根据钢结构设计规范GB 50017-2003，取水平侧移限制为H/400(悬臂构件取2H)，则f=6.9 mm<2H/400=2×1700/400=8.5 mm，表明立柱水平侧移满足规范要求。

综上所述，此款单立柱可调支架结构强度满足规范要求，单元支架安装组件总尺寸为10.2 m×3.35 m(长×宽)，可承受应用面积为34.17 m2。

4 经济技术分析

4.1 支架成本分析

结合青海地区某项目可调支架与固定支架成本进行经济技术分析。本项目总容量为22 MWp，分为11 MWp可调支架和11 MWp固定支架，可调支架设计为1年调节2次。

固定支架价格为0.48元/W，11 MWp合计528万元；单立柱可调支架价格为0.56元/W，11 MWp合计616万元。人工调节每个单元支架需2人在15 min内完成，本项目共安装2200组可调单元支架，按照每天工作8 h、每人每天工资120元计，11 MWp光伏电站调节1次需花费人工费约1.8万元，1年调节2次，即可调支架每年比固定支架增加调节成本约3.6万元。

综上所述，与固定支架相比，11 MWp单立柱可调支架增加成本88万元，每年增加调节费用3.6万元，按照光伏电站25年寿命计算，可调支架成本共增加178万元。

4.2 发电量分析

结合该项目发电量测算结果，对比可调支架与固定支架获得的发电量进行经济技术分析。可调支架调节角度分别为13°和55°，固定支架最佳倾角为35°。两种支架月度发电量及年总发电量对比结果如表1所示。

表1 可调支架与固定支架发电量对比分析表

通过上述数据分析，与固定支架相比，可调支架每年发电量提高5.07%，按照1元/kWh的电价，可调支架每年收益比固定支架多91.02万元。按照光伏电站25年寿命计算，共可增加收益2548.56万元。

综上所述，与固定支架相比，可调支架可在成本略增的前提下，获得可观的经济效益。

5 单立柱可调支架的应用

本文介绍的单立柱可调支架安装不仅满足抗风、抗雪压、耐腐蚀等性能，而且可根据不同地域的需求，实现10°～60°范围的角度调节，从而充分利用当地太阳能资源，达到最大的太阳能组件发电效率。可用于光伏发电独立电站和光伏发电并网电站，获得较大的发电量，具有实际应用意义。

6 结束语

太阳能是一种理想的替代能源，太阳能发电的优点是常规发电方式不能相比的。但要充分利用太阳能，需不断研究太阳能发电技术，提出新的技术创新，提高光伏发电系统的效率。单立柱可调支架的应用能通过合理布置光伏组件获得较大太阳能辐射量，提高发电效率。本文对单立柱可调支架系统的构造、材质选型、调节原理进行了详细介绍，并对支架的亮点进行简单阐述，该支架结构简单、调节方便，值得推广应用。

[1] GB 50797-2012，光伏发电站设计规范[S].

[2] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50017-2003，钢结构荷载规范[S].