刚察扎苏合光伏电站固定支架可调性探讨

展宗洋，罗先启

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

0 引言

能源是促进国民经济发展的重要保障。近年来，世界能源行业面临着能源枯竭和环境保护的双重压力，在此背景下，优先发展可再生能源已成为世界共识，而太阳能以其安全、清洁、资源充足、技术可靠等优点成为当代新能源开发的重要方向［1-6］。自20世纪70年代起，我国光伏发电产业发展迅速，但是发电效率不高成为制约其发展的因素之一。太阳辐射量、最大功率峰值跟踪、电池组件的转换效率、逆变器的整机效率等影响到光伏系统的发电效率。其中，光伏电站支架倾角是影响发电效率的又一重要因素［7-9］。因此，根据光伏电站的具体情况设计更具经济性和适用性的支架形式，具有巨大的经济价值。

刚察扎苏合10 MW光伏发电工程位于刚察县泉吉乡，其地理坐标为东经99°44′～99°52′，北纬37°12′～37°18′之间，距刚察县城45 km。电站设光伏阵列区、汇集站和生产生活综合区。整个地块南北长744.2 m、东西宽359.6 m，平均海拔3 310 m，总占地面积为0.267 614 km2。场区地势平缓，地形开阔，多为草场区。工程包括光伏阵列区支架、逆变器室、箱变室及综合楼等［10］。

刚察扎苏合光伏电站一个单元包括44块电池板，一个单元的电池板面积为71.7 m2，总共有950个单元，整个光伏电站的电池板总面积为68 115 m2。太阳能电池板为多晶体电池板，自由放置在地面上，没有额外的通风措施。刚察的纬度为37°20′（北半球），经度为东经100°8′，海拔为3 303 m［11］。根据上述资料采用PVsyst软件计算太阳能支架倾角不同方案的发电情况［12］。数据来自Meteonorm的全球气候数据库。分别计算固定式、月调式、季调式及1 a调节2次的发电量。计算结果为原方案（固定支架，倾角39°）发电量为1 730万kW／a时；月调式方案（倾角每月调整一次）发电量为1 839万kW／a时，与固定式相比增加了6.31%的发电量；季调式方案（倾角每季调整1次）发电量为1 820万kW／a时，与固定式相比增加了5.15%的发电量；半年调节（倾角每年调整两次）发电量为1 800万kW／a时，与固定式相比增加了4%的发电量。

安装跟踪系统能够较大幅度提高发电效率，但因初期投入成本高、稳定性差等因素而难以广泛应用。结合青海省光伏电站高寒、高原、风沙、腐蚀环境条件，研制一种新型的，适合荒漠地区的固定可调支架具有广泛的工程实用价值［13］。

目前国内90%以上已建电站采用固定式支架［14］。青海省已建光伏电站绝大多数也是采用固定式支架，因此，研究固定支架改为固定可调支架的可行性，并提出固定支架改为固定可调支架结构形式及其实施方案，具有极大的经济价值。

1 固定支架可调性分析

1.1 改造思路

刚察扎苏合光伏电站目前采用的是固定支架，如图1所示，固定支架的电池板倾角为39°。

图1 固定支架原型图

改造方案的基本思想是：将前立柱顶部与横梁的连接方式改为铰接，取消原结构中的斜支撑杆和后立柱，使用可动支撑杆1、2，如图2所示。其中可动支撑杆顶部与横梁的连接方式均为铰接，与底部新增横梁的连接方式为活动铰接。即可动支撑杆底部可在新增横梁上移动，且在连接处可发生转动。新增横梁的作用是承受可动支撑杆的荷载作用，其两端搭在两根桩上。该支架通过将可动支撑杆1与2的平动来实现调节电池板的倾角，支架倾角不同时的示意图如图3所示。

图2 改造后支架结构示意图

1.2 方案对比

根据刚察光伏电站支架调节方式发电效益的计算结果［15］，若采用季调式方案，太阳能电池板最优倾角分别是62°，52°，28°，10°，其支架示意图如图4 所示。由于调整范围较大，可动支撑杆的长度不能改变，当电池板倾角为10°时，新增横梁需悬挑的长度较大，会造成较大的弯矩，在受力方面不易。因此，本文建议采用1 a调节2次，调整角度分别为52°（秋季与冬季），28°（春季与夏季），采用此调整方案，年发电量与固定式相比能提高4%左右。1 a调整2次方案的结构示意图如图5所示。

图3 平移可动支撑杆底部实现电池板倾角的调节

图4 太阳能电池板倾角不同时支架示意图（季调式）

图5 不同太阳能电池板倾角时支架示意图（1 a调2次）

1.3 52°和28°方案结构设计

（1）电池板倾角为28°。当电池板倾角为28°时，其示意图如图6所示。

图6 电池板倾角为28°时支架示意图（mm）

（2）电池板倾角为52°。当电池板倾角为52°时，其示意图如图7所示。

图7 电池板倾角为52°时支架示意图（mm）

2 受力校核

由于支架结构进行了调整，所以需要对调整角度后的支架进行受力分析。考虑到可调支撑杆1、2与新增横梁尚未确定，此处可调支撑杆1按照原斜支撑杆的参数，可调支撑杆2与新增横梁按原后立柱的参数。支架受到的荷载主要包括电池板质量、风荷载、雪荷载、自重荷载。电池板的恒载为0.2 GPa，当地的基本风压为0.35 GPa，基本雪压为0.15 GPa。根据《建筑结构荷载规范》［16］风荷载的组合值取0.6，雪荷载的组合值取0.7。风压高度变化系数取1.17；而结构高度较小，无须考虑风振系数。风荷载体型系数、雪荷载屋面积雪分布系数根据支架结构倾角具体给出。恒荷载的分项系数取1.2，活荷载的分项系数取1.4。支架各个杆件几何、材料参数根据N076S-J01-05号计图纸获得。主钢结构采用Q235-B，强度设计值：抗拉是215 MPa，抗剪是125 MPa。此处对倾角分别为28°、52°时的支架进行受力分析。

2.1 电池板倾角为28°时受力校核

考虑了上述荷载作用下，电池板倾角为28°时，风荷载体型系数、雪荷载屋面积雪分布系数分别为0.2和0.8。结构的轴力图、剪力图、弯矩图如图8所示。其中，轴力最大值为12.5 kN，轴向最大拉应力为28.6 MPa，在新增横梁取得。剪力的最大值为10.49 kN，最大剪应力为24.0 MPa，在新增横梁取得，轴力和剪力均满足强度要求。计算得可动支撑杆1与2的轴心受压构件折减系数φ 分别为0.41、0.51，N／φ 分别为70.6、22.4 MPa，小于材料的屈服应力，满足稳定条件。

2.2 电池板倾角为52°时受力校核

考虑了上述荷载作用下，电池板倾角为52°时，风荷载体型系数、雪荷载屋面积雪分布系数分别为0.7和0。结构的轴力图，剪力图，弯矩图如图9所示。其中，轴力的最大值为17.55 kN，为拉力，轴向最大拉应力为51.3 MPa，在横梁取得。剪力的最大值为17.52 kN，最大剪应力为40.1 MPa，在前立柱底部取得。轴力和剪力均满足强度要求。计算得斜支撑杆与后立柱的轴心受压构件折减系数φ 分别为0.41、0.51，N／φ分别为63.9 MPa、41.0 MPa，小于材料的屈服应力，满足稳定条件。

图8 电池板倾角为28°时受力情况

图9 电池板倾角为52°时受力情况

各个杆件按照原结构的尺寸进行受力分析结果如表1所示，可看出各项强度指标均满足规范要求。

表1 支架受力情况分析

3 结语

（1）从可调性来看，对太阳能电池板支架的倾角进行调整是可行的。调节的原则是保证原电池板结构不变及其支撑节点不变，支架的三角形稳定结构形式不变，结构构件形式不变。

（2）从受力分析来看，本文计算采用的杆件参数与原结构相似，计算结果表明，改造方案从受力来说是可行的。

（3）从经济分析方面考虑，改造设计时可以考虑将原斜支撑杆和后立柱改造为可动支撑杆1和2。因此，改造方案中仅改变原节点的连接方式和增加了横梁，投入不大，如果按0.5 a调节（2个倾角变化），发电量可以增加4.32%，如果季调调节（4个倾角），年发电量增加5.15%。