桁架式跟踪支架技术在沉陷区光伏项目的应用

胡永平，钟 平，胡书平

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙410004；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 概述

内蒙古乌海市采煤沉陷区国家先进技术光伏电站示范基地作为国家能源局力推的矿山治理专项规划项目，是利用废弃矿山渣场进行治理，变废为宝，是国家推进能源转型与环境治理结合的示范项目。

乌海示范基地项目采用全国范围内公开招标方式，经过47家单位激烈角逐和权威专家评审，最终7家单位脱颖而出，五凌电力有限公司有幸中标50 MW。五凌乌海项目场址位于海南区煤矿渣山，地块分散高低错落，渣体填筑厚度从数十米至数百米，沉降极不均匀且不充分，很多区域存在地温超过100°、自燃、强腐蚀等灾害性地质问题。其它各中标项目也都有类似问题，由于地质情况复杂，传统光伏支架与基础技术已不能满足该类场址要求，再加上竞争电价很低，各中标单位在中标后，都陷入了徘徊和犹豫中，项目难以形成实际开发。

光伏支架系统是本项目最大的难点，当前光伏支架类型主要有固定支架、可调支架、平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架、双轴跟踪支架等。基础有地面条形基础、钢筋混凝土独立基础、砼桩基础或螺旋钢桩基础等型式。根据资料统计，山西省大同市领跑光伏项目场址同为采煤沉陷区，但与本项目存在很大差异，该项目场址均为井坑矿，光伏建设于原始地表，没有腐蚀、自燃高温和环境等问题。陈艳[1]《大型光伏电站中不同支架方案比较分析》中对光伏支架的类型与对应场址匹配进行了比选，何银涛[2]《斜单轴跟踪支架方阵排布间距计算》对斜单轴支架做了技术分析。孟会芳[3]《采煤沉陷区新建光伏发电项目地质灾害危险性评估》通过大同采煤沉陷区地质灾害危险性评估，对该光伏项目场址存在地裂缝、地面塌陷、继续开采地质灾害等宜采取采空区分类、地裂缝和塌陷及时回填，必要时注浆等治理隐患方案。付海玲[4]在《采煤沉陷区光伏电站结构设计浅析》、梁甜[5]《采煤塌陷区光伏支架及基础设计思考》中，均有针对性地对山西大同领跑者光伏项目沉陷区场址，提出了对支架和基础等采取一定适应变形能力的方案。该类研究对乌海基地示范项目有一定的参考意义。

为保证项目尽快实施，真正起到国家先机技术示范的作用，支架和基础的技术研究十分关键。本文通过国内多方调研分析，并与山东电力设计院有限公司、华为公司、江山同景股份有限公司等国内行业知名单位进行来回计算、试验、分析；同时为保证项目收益率，初设阶段对组件及电缆同步进行了一系列比选，经过多轮方案调研、比选，最终确定压块式基础+桁架式跟踪支架+双面双玻组件方案，项目于2018年4月10日开工建设，2018年6月30日8时18分成功并网发电，实际总装机48.29 MW，30个方阵。

2 支架及基础设计

2.1 桁架式支架

五凌乌海50 MW光伏项目是国内首个真正建设在煤矿渣山的领跑者项目，项目地存在不均匀沉降、强腐蚀及高温地质、高边坡等问题，影响项目的造价和收益率，如何解决上述问题成了这个项目成败的关键。传统的光伏支架基础无论是桩基础或是条形基础均埋于地下，均不适用于该项目地质情况。经市场调研多方查找，桁架式斜单轴支架及跟踪系统，能够解决现场的主要问题。结构示意见图1。

图1 桁架式支架结构图

桁架式斜单轴支架其最大的特点是压块式基础及桁架式结构，该系统适应双面双玻组件。其主要优点如下：

（1）单轴智能跟踪系统能够实现发电量提升15%以上；

（2）针对地层高温情况，将支架旋转中心高设定为2.15 m，增加地表通风空间，降低了温度；地面用黄土进行覆盖，既隔断了地温又增加了反光率，提高发电效率；线缆敷设采用架空桥架，沿预制水泥块上部敷设，避免采用地埋敷设对线缆造成安全隐患；

（3）所有支架均有钢梁连接，形成桁架式结构。使整个光伏阵列“以点成面”形成渔网状结构，成为一体，增加支架稳定性。有效解决了局部不均匀沉降及高边坡垮塌风险带来的隐患；

（4）采用单块光伏板设计，受风面积更小，抗风能力更好；调至最佳安全位置可抵御大风、大雪、冰雹等恶劣天气；

（5）斜单轴跟踪支架设计为桁架结构，阵列内受力均匀。由于支架为桁架结构，每轴单独支架受力均由整个阵列承担，大大降低压块式水泥块横向受力要求；

（6）安全可靠（抗风、防水、防雷）：①单轴跟踪系统可以在冰雪、冰雹、大风环境下，自动调节至最优安全模式，避免外力对光伏组件的伤害，防止隐裂；②线缆架空布置结构，彻底防止了动物、虫类、雨水、地质变异等对线缆的伤害；③控制系统及组串式逆变器均吊装在单轴支架1.2 m左右处位置，降低了水汽、洪水等对地面电站的伤害；④采用了集中网格防雷技术，有效地防止雷击； ⑤支架与光伏组件连接采用专用支架接地线（BVR16 mm2，两头带OT10-8，0.4 m）接地。

2.2 压块式基础

因本项目地处渣山平台，根据有限元计算方阵外部与内部的风压值处于下风向，后排的支架由于前排支架的遮挡效应，风荷载和风速值会降低，折减系数如表1取值：

表1 风荷载折减系数

内围支架风压按照0.65折减系数分析，压块基础布置根据现场地块位置，风荷载因素分为3种规格：500 kg330 kg180 kg，独立地块及风荷载大区域基础全部采用500 kg水泥块，外围两排采用500 kg配重水泥块，内围根据海拔高差系数比采用2种配重，采用330 kg或180 kg水泥块。支架基础采用压块式预制水泥块，仅底面与地表接触（水泥压块与地面接触面积为光伏阵列面积的 1.36%），既减少了对基础腐蚀的接触面，又可以随时移走不破坏土地。压块式基础结构不用开挖土地，移走后地下无残留物，不破坏土地性质，有利于土地的恢复。

2.3 自动跟踪控制系统

2.3.1 自动跟踪系统

斜单轴跟踪系统是指组件带倾角安装在南北向水平放置的主轴上，该主轴可根据太阳运行的轨迹，按照设计跟踪角度对太阳进行东西方向跟踪，尽量使太阳光入射角度与光伏组件垂直，提高光伏组件接收太阳辐照量，进而提高发电量的跟踪系统。自动控制系统根据当前时间、日期和时钟，结合经纬度自动计算出太阳所在高度角，通过传感器反馈的光伏组件实际角度与太阳所在角度比较。发出信号控制电机转动，带动光伏组件跟踪太阳角度。当太阳转角在东45°到西45°之间光伏正常跟踪太阳。其余时间启用反跟踪算法（即在不产生阴影的情况下光伏板以最大接受太阳辐射面积的角度来跟踪太阳）。

2.3.2 反跟踪自动控制

通常光伏跟踪系统运行在早上太阳升起和下午太阳落山的部分时间里，由于太阳高度较低，因此光伏阵列间会产生阴影遮挡，造成发电量损失，而电量损失的多少和阵列间距以及纬度相关。一般跟踪器是跟随太阳运行轨迹进行运转，而反跟踪技术，顾名思义是反方向进行跟踪。

斜单轴的反跟踪技术，是由控制系统根据组件间距、阵列尺寸以及太阳高度角断定，以确保组件没有阴影遮挡。反跟踪的启动时间根据太阳转角计算，每天均有变化。

光伏系统在设计间距时，都会面临光伏发电量和占地面积的抉择问题，反跟踪技术在减少阵列间距的同时，又能使光伏阵列间没有遮挡，在提高土地利用率和增加发电效率之间找到了最佳的平衡。

2.3.3 传动系统控制模式

控制器可设置跟踪、大雪、测试3种连续运行模式，平放、向东、向西、保护4种位置命令。

根据当前时间、当地的经纬度、正南夹角、设置最大跟踪角度等参数实时连续计算出当前太阳高度角、转角、架子转角，控制架子转动使光伏板始终正对太阳直射，获得最大光照。

由于太阳光直射角度变化非常缓慢，支架调节较快，控制算法采用间隙控制，角度差约每±2°开始跟踪控制，角度差约±0.2°时停止。约10 min左右控制1次。

当大雪或冰冻来临时，光伏阵列停止跟踪运行，将支架东西向跟踪角度调整为 0°，进入保护模式，且在下雪、融雪、解冻过程中不允许跟踪，确保整个光伏阵列所受风荷载最小。

3 发电量模拟对比

使用光伏行业中较通用的 PVsyst 软件，对固定发电系统、斜单轴发电系统进行全年发电量模拟并对比，用以说明带有反跟踪系统的斜单轴跟踪系统的发电量提升。

设定情况后，根据实际需要设置两个系统，即可对支架系统进行辐照量模拟。

为方便比较，本次模拟两种支架均使用1 MW阵列，后面的发电量计算结果也使用1 MW阵列来做比较。

通过计算，可得五凌乌海50 MW发电项目辐照量数据如表2。

表2 斜单轴与固定架辐照量对比表

综合各方面因素影响，该项目地使用斜单轴跟踪系统，发电量较固定支架理论提升16.1%。斜单轴跟踪支架有旋转机构，故电站除了与固定架类似的日常运维工作外，还需要增加一些与跟踪系统相关的维护工作，而只要跟踪系统设计的结构合理，运行可靠，实际运维成本并不会有太多增加，考虑到斜单轴支架比固定架提升的辐照量巨大，电站实际的投入回报比非常可观。

4 结论

五凌乌海领跑者光伏项目采用桁架式斜单轴跟踪支架系统有效解决了场址不均匀沉降、强腐蚀及高温等地质问题，配套双面双玻组件提高了项目收益率，是国内首个真正建设在煤矿渣山的领跑者项目，在同类场址中有着很强示范作用。该项目实施，使内蒙古乌海采煤沉陷区由"包袱"变成"财富"，产业由"地下"转到"地上"，发展方式由"黑色"变成"绿色"。一排排鳞次栉比的光伏组件，不仅是对煤矿渣山土地有效利用，更是清洁能源对生态环境保护作出的巨大贡献。