光伏电站新建工程固定可调支架讨论

毕金锋， 吴雪萍， 平曈其， 王子文

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240; 2.景瑞地产(集团)有限公司，上海 200041; 3.天津市水利基建管理处，天津 300204)



光伏电站新建工程固定可调支架讨论

毕金锋1， 吴雪萍1， 平曈其2， 王子文3

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240; 2.景瑞地产(集团)有限公司，上海 200041; 3.天津市水利基建管理处，天津 300204)

以刚察县扎苏合10 MW光伏电站为例，给出固定可调式支架的结构形式，并根据光伏电站所在地的全年光照情况，将全年时间分成若干段，计算出固定时间段内发电量最大的电池板倾角。得到按季节调整的最优角度为10°、28°、52°、62°，并分析不同角度下太阳能支架结构的受力情况。结果表明,固定可调式支架在不同倾角情况下，中间立柱与横梁连接处需加强处理。建议青海省新建光伏电站中采用固定可调式支架，对太阳能电波板的倾角进行月调、季调或半年调。

光伏电站; 固定可调支架; 发电效益

0 引 言

支架按其对太阳位置的跟踪情况分为固定式和跟踪式两种，跟踪式又分为固定可调式支架、水平单轴跟踪支架、倾斜单轴跟踪支架(也称倾纬度角单轴跟踪支架)和双轴跟踪支架[1-5]。相对于固定式支架，跟踪式支架的原理复杂，结构形式多样，实现难度高，所以国内学者对跟踪式支架的研究较多，而对于固定式支架的优化及结构稳定性的研究较少[6-9]。本文对固定可调式支架的受力情况及对发电量的影响进行分析。

1 太阳能支架形式及其特点

1.1 太阳能支架形式

(1) 固定式支架。光伏方阵固定安装在支架上，一般朝正南方向放置，且有一定的倾角。倾角可根据当地太阳辐射值和地理位置进行优化选择,见图1。

图1 固定式太阳能支架

(2) 固定可调式。非连续跟踪，采用月调或季调的方式按一定的周期对电池板的朝向进行调整。调整方式见图2。

图2 固定可调式

(3) 单轴跟踪式。通过围绕位于光伏方阵面上的一个轴旋转来连续跟踪太阳方位。旋转轴方向通常取东西横向、南北横向或平行于地轴的方向。最常见为南北横向，且有一定的倾角,如图3所示。

图3 单轴跟踪式

(4) 双轴跟踪式。有两个可以旋转的轴，通过旋转这双轴使得方阵面始终和太阳光垂直，从而最大可能捕获太阳能直接辐射(DNI)值,如图4所示。

图4 双轴跟踪式

1.2 不同支架形式光伏电站的对比

据最新统计，全球大型光伏电站中约有27%采用了自动跟踪式，其余大部分采用固定式。而国内90%以上的已建电站均采用固定式支架，倾角固定可调式在大型光伏电站中使用较少[10]。

根据已建工程调研数据，与固定式支架相比，若采用水平单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约15%;若采用斜单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约20%;若采用双轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约25%。但目前斜单轴和双轴跟踪的支架造价基本相同，比起水平单轴跟踪方式，系统实际发电量仅提高5%，增加的电量收益难以抵消支架增加的费用[11]。

现以固定安装式为基准，系统发电量为100%，直接投资增加百分比为100%，对1 MWp光伏阵列采用如下3种运行方式进行比较，结果列于表1。

表1 不同支架形式的对比

跟踪式支架光伏电站，尤其是双轴跟踪式支架电站不仅占地面积大，而且由于需要动力装置不停地调整电池板的角度，所以运营成本高昂。在使用过程中，跟踪式支架容易出现故障，需要大量的人力物力进行维护，随着时间的推移，跟踪式支架的动力装置及零部件将逐步老化磨损，使用时间越久所需要的维护及维修费用越高。并且，跟踪式支架由于其不停地调整角度，结构整体稳定性偏低，抗风能力较弱[12]。固定式支架虽然发电量上不及跟踪式支架，但是其结构形式简单，运营成本及维护费用很低，结构的安全稳定性好，所以从光伏电站的长期服役效果来看，固定式支架有着显著的优势，所以在跟踪式支架相关技术未达到一个很高水平的长时间内，固定式支架仍将作为主要的支架形式广泛应用于光伏电站中。

2 固定可调支架形式设计

2.1 固定可调支架

固定可调式支架是根据光伏电站所在地的全年光照情况，将全年时间分成若干段，寻找到固定时间段内发电量最大的电池板倾角，每年按不同时间的最佳倾角对电池板的倾角进行有限次数的调整，按调整次数可分为：1年2次(半年调);1年4次(季调);1年12次(月调)。以刚察县扎苏河10 MW光伏电站为例[13-14]，固定可调式电站发电量与固定式支架的电站发电量对比如表2所示。

表2 刚察县扎苏合10 MW光伏电站不同支架形式发电量对比

目前已有的固定可调式支架形式主要有拉杆式、推拉杆式、千斤顶式和半圆弧式。现场布设千斤顶等动力装置将会提高支架成本，并且对于高寒及风沙地区，不利于千斤顶的正常工作。对固定可调式支架的设计应符合以下几个原则：①三角形具有结构稳定性，固定可调支架的结构形式应以三角形结构为主；②结构形式简单，调节方式便于实现；③在调整到不同角度时，应保持支架上端固定电池板的框架受力合理，避免由于框架变形而引起电池板受力不合理而损坏；④可实现多排支架同时调整，减小调整支架角度的工作量；⑤不在支架上预设动力装置，调整支架的动力装置可重复使用、循环作业，以降低成本；⑥尽量减少轴承、传动装置、千斤顶等复杂节点部件的使用，以减少运营及维护费用；⑦运行环境需考虑青海省荒漠地区高寒、高原、风沙、腐蚀等恶劣情况。

2.2 固定可调支架设计

在欧洲美元市场出现的初期，英美两国政府对这个市场就采取了积极支持的政策。英国的目的很简单，伦敦作为传统的国际金融中心，第二次世界大战之后地位明显下降，英格兰银行几度尝试开放金融市场，但是英镑都受到了国际投机资本的无情冲击，而一味的资本管制，又使得伦敦金融市场的国际业务日渐萎缩，此时离岸美元市场的出现，使得伦敦金融市场可以使用美元业务替代昔日的英镑业务，这对于维持伦敦的国际金融中心的地位无疑是有利的。

按照以上所提出的各项设计固定可调支架的原则，设计了一种支架斜撑支撑点位置可动的支架形式。参考已有的固定可调式支架形式中的推拉杆式支架，并对其作出优化，设计如图5所示的固定可调支架形式，该形式支架每一品内共有8根杆件，其中a、b、c三根为立柱，d、e两根为横梁，f、g两根为斜撑，h为支撑太阳能电池板的框架梁。5个可动节点，1、2、3号节点为转动节点，4、5为滑动节点，通过4、5两个节点在横梁上的滑动而改变电池板的倾角。图5为太阳能电池板倾角为62°、52°、28°、10°时的支架状态。

图5 支架状态

图6为多个支架组合成为整体后的作用效果，在角度调节过程中，可通过移动推杆1和杆2的位置，从而同时改变多个支架结构的角度，以保证各独立支架间能够同时发生转动，以防止单个支架不同步而引起电池板变形破坏。同时，该形式支架的动力装置可以与支架结构脱离，实现动力器械重复利用，从而达到节约成本的效果。

图6 固定可调支架的整体装配

如果按以上提到的4个角度对电池板倾角进行季调节，可根据不同调节角度下斜撑支点的位置，在底部横梁上设置固定位置的卡槽，方便调节过程中对斜撑支点的定位。

2.3 结构内力计算

取一品支架进行4个角度的结构内力计算，取每品框架之间的距离为3 m，支架杆件均采用截面为40×40×2.2×2.2的槽钢，根据《建筑结构荷载规范》[15]计算得到，在62°、52°、28°、10°时作用在支架顶部的线荷载值分别为1.72、1.60、1.34、1.4 kN/m，利用有限元软件计算得到的各角度下的结构内力如图7所示。

图7 支架内力分布情况

从图中可以看出，在倾角62°时，3个立柱的内力最大，达22 MPa；倾角52°时，靠后面的支撑的内力较大，最大为8 MPa，并且在两个支撑与横梁的节点处及中间立柱与横梁的节点处的内力较大，量值也在8 MPa左右；倾角28°时，后立柱的内力较大，后支撑与横梁的节点处内力较大，均达到7 MPa；倾角10°时，3个立柱的内力较大，达到18 MPa，而其余杆件的内力均较小。

综合各角度可以看出，3个短立柱及靠后的长支撑杆需要做加强处理，而节点中，在每个角度下支撑与横梁的连接处均需要对横梁进行加强处理，中间立柱与横梁的连接处也需要做适当加强处理。总体来看，采用截面为40×40×2.2×2.2的槽钢，结构内力均未达到钢材的屈服强度，所以结构安全稳定性良好。

3 结 语

(2) 新建光伏电站的固定可调式支架结构形式参考了青海省已建工程固定式支架的特点，可与已建工程改造后的支架形式相一致，由此保证支架原件的构造,调整角度的动力设备及调整角度的施工工艺相同，为已建工程的改造、新建工程的建设及后期电站的运营带来方便。

(3) 固定可调支架中，转动节点使用轴承，滑动节点使用卡槽，动力装置不依附于支架，现场不设置液压装置及传动装置，所以能够适应更加恶劣的环境，具有防风沙、耐腐蚀、耐冻的特点。

(4) 固定可调支架与固定式支架在建构形式上变动较小，使用材料与固定式支架相当，现场不设置动力装置，在1年调4次的情况下，与固定式支架相比，可增加发电量6%左右，具有明显的经济可靠性。

对比各种支架形式的特点，综合考虑青海省的环境条件，建议青海省新建光伏工程中采用固定可调式支架，对太阳能电池板的倾角进行月调、季调或半年调。参考已建工程中的固定式支架形式，建议采用推拉杆式固定可调支架。在支架整体装配后，如果支架横向的稳定性较好，建议推杆采用可拆卸的结构形式，便于循环利用，也可以节约成本，如果支架的横向稳定性不好，可将推杆设置在支架的装配中，用于连接每品支架，增加其横向稳定性。建议针对该形式的固定可调式支架设计与之配套的动力装置，动力装置不依附于支架结构，可循环利用，以实现节约成本的目的。

总体而言，固定可调式支架具有固定式支架简单可靠的特点，而且提高了光伏电站的发电量，同时固定可调式支架不像跟踪式支架一样需要高昂的成本及维护费用，拥有广阔的应用前景。现有的固定可调式支架形式不多，在支架结构形式的优化及支架调节时间及次数的优化方面，都值得进一步研究。

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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

毕金锋(1988-)，男，河北承德人，博士生，主要从事岩土力学方面研究工作。E-mail：Belong@sjtu.edu.cn

吴雪萍(1961-)，女，上海人，本科，工程师，主要从事岩土力学的实验教学和研究工作。E-mail:wxping61@sjtu.edu.cn

TK 513.4

A

1006-7167(2016)04-0039-04