新型太陽(yáng)能單立柱可調(diào)支架的研究及應(yīng)用

■ 買發(fā)軍 白榮麗 張曉峰

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)西安第七O五研究所海源測(cè)控技術(shù)有限公司)

0 引言

當(dāng)前太陽(yáng)能固定支架已被廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但不能伴隨季節(jié)變化調(diào)整支架傾角，太陽(yáng)電池組件效率低。隨著光伏發(fā)電站建設(shè)進(jìn)程的加快，光伏發(fā)電效率的提高已成為制約其發(fā)展的瓶頸之一，迫切需要引進(jìn)新技術(shù)來(lái)獲取更大的發(fā)電量，而合理布置光伏組件已成為提高發(fā)電效率的重要途徑。本文介紹的新型單立柱可調(diào)支架可在成本略增的前提下獲得較大的太陽(yáng)能輻射量，提高電站的發(fā)電量。

1 單立柱可調(diào)支架設(shè)計(jì)

1.1 支架構(gòu)造

圖1為單立柱可調(diào)支架的構(gòu)造示意圖。該支架主要組成為：檁條和豎梁縱橫交錯(cuò)布置，豎梁鉸接于立柱的上端，防風(fēng)桿呈人字形固定于檁條上，斜拉桿交叉固定于立柱的耳板上；立柱上設(shè)有一套調(diào)節(jié)裝置，包括調(diào)節(jié)箱、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)箱為齒輪箱，驅(qū)動(dòng)器為手輪，調(diào)節(jié)桿為調(diào)節(jié)螺桿；調(diào)節(jié)箱固定在立柱上，調(diào)節(jié)桿位于調(diào)節(jié)箱內(nèi)并與驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)連接，調(diào)節(jié)桿的頂端固定于豎梁的一端；轉(zhuǎn)臂支撐架穿過(guò)立柱鉸接于豎梁兩端，轉(zhuǎn)臂支撐架為半圓形圓管，其上設(shè)有若干固定孔，轉(zhuǎn)臂支撐架與立柱之間通過(guò)與固定孔匹配的插銷連接；立柱底部的方形底座可通過(guò)4個(gè)螺栓與下部基礎(chǔ)固定，且每個(gè)底座增設(shè)4個(gè)加強(qiáng)筋，提高立柱穩(wěn)定性。

圖1 單立柱可調(diào)支架構(gòu)造示意圖

1.2 支架材質(zhì)選型

1)立柱：矩形鋼(140 mm×120 mm×4 mm)，截面參數(shù)如圖2所示，材質(zhì)Q235。

圖2 立柱矩形管截面參數(shù)

2)豎梁：矩形鋼 (60 mm×40 mm×4 mm)，截面參數(shù)如圖3所示，材質(zhì)Q235。

圖3 豎梁矩形管截面參數(shù)

3)轉(zhuǎn)臂支撐架：圓管(φ42 mm×t 3 mm)，截面參數(shù)如圖4所示，材質(zhì)Q235。

圖4 圓管及圍鋼截面參數(shù)

4)斜拉桿、防風(fēng)桿：角鋼(40 mm×40 mm×3 mm)，截面參數(shù)如圖5所示，材質(zhì)Q235。

圖5 角鋼截面參數(shù)

1.3 支架調(diào)節(jié)原理

1)將調(diào)節(jié)裝置安裝在立柱與豎梁的耳板上(將下卡銷掛進(jìn)立柱耳板，再旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)裝置手輪將上卡銷卡進(jìn)豎梁耳板)。此調(diào)節(jié)裝置具有自鎖功能，在完成支架傾角調(diào)節(jié)的同時(shí)，可起到支撐支架的作用，防止支架在調(diào)節(jié)過(guò)程中因?yàn)樽陨碇亓蛲饨绛h(huán)境的影響發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)拆卸固定立柱和轉(zhuǎn)臂支撐架的插銷，搖動(dòng)驅(qū)動(dòng)器手輪進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪箱(即調(diào)節(jié)箱)內(nèi)的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪再驅(qū)動(dòng)位于齒輪箱內(nèi)的調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并做軸向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)支架整體轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臂支撐架上設(shè)有若干固定孔，通過(guò)調(diào)節(jié)固定孔的位置，實(shí)現(xiàn)此支架角度的調(diào)節(jié)，此支架可完成10°～ 60°的角度調(diào)節(jié)。

3)支架轉(zhuǎn)動(dòng)到需求的角度后，安裝固定立柱和轉(zhuǎn)臂支撐架的插銷，拆卸調(diào)節(jié)裝置。

2 單立柱可調(diào)支架亮點(diǎn)

1)本套支架采用模塊化設(shè)計(jì)理念，其中最具特色的是圖6所示的新型手搖式角度調(diào)節(jié)裝置。此裝置屬于快速安裝機(jī)構(gòu)，安裝輕松、快捷，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝難度。本套新型支架將原來(lái)采用手動(dòng)握住太陽(yáng)能支架進(jìn)行調(diào)整的方式改為通過(guò)控制角度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行太陽(yáng)能支架的角度調(diào)節(jié)。

圖6 手搖式角度調(diào)節(jié)裝置

改變后的調(diào)節(jié)方式具有的優(yōu)點(diǎn)為：降低操作人員調(diào)節(jié)支架傾角時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約時(shí)間，并輕松實(shí)現(xiàn)支架在10°～60°傾角范圍的調(diào)節(jié)；支架可精確調(diào)節(jié)至最佳傾角，間接提高光伏系統(tǒng)效率，增加電站發(fā)電量；調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)桿分別固定于豎梁與立柱的耳板上，支架傾角調(diào)節(jié)過(guò)程中，為支架提供了額外的支點(diǎn)，不會(huì)讓支架在調(diào)節(jié)傾角過(guò)程中因兩端受力不平衡而產(chǎn)生傾斜，提高了整體安全性。

2)支架采用半圓形轉(zhuǎn)臂支撐架，方便角度調(diào)節(jié)的同時(shí)增強(qiáng)了支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不同角度調(diào)節(jié)如圖7所示。

圖7 不同角度調(diào)節(jié)示意圖

3)手搖式角度調(diào)節(jié)裝置可在調(diào)整角度的同時(shí)，利用其自鎖功能有效地支撐支架，防止支架因自身重力或外界因素(如風(fēng))的影響而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了支架在角度調(diào)節(jié)過(guò)程中的安全性。角度調(diào)節(jié)裝置自鎖功能示意圖如圖8所示。

圖8 角度調(diào)節(jié)裝置自鎖示意圖

3 單立柱可調(diào)支架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

結(jié)合青海地區(qū)某項(xiàng)目實(shí)際情況，進(jìn)行可調(diào)支架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。本項(xiàng)目選用組件尺寸為1650×992×40，20塊組件為 1個(gè)單元，每個(gè)單元支架上豎向雙排安裝2×10塊太陽(yáng)電池組件，單元支架安裝組件總尺寸為10.2 m×3.35 m(長(zhǎng)×寬)，支架每年調(diào)節(jié)2次，調(diào)節(jié)角度分別為13°和55°，支架單元布置圖如圖9所示。

圖9 支架單元布置圖

此款單立柱可調(diào)支架受力點(diǎn)主要集中于豎向的立柱上，本文通過(guò)SAP2000軟件進(jìn)行三維建模及力學(xué)分析計(jì)算對(duì)支架強(qiáng)度進(jìn)行校核。圖10、圖11分別為立柱頂端最大位移示意圖和支架最大應(yīng)力示意圖。

圖10 立柱頂端最大位移示意圖

圖11 支架最大應(yīng)力示意圖

鋼結(jié)構(gòu)支架均采用Q235鋼，通過(guò)分析計(jì)算得出，支架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為110 MPa，均小于210 MPa，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。立柱頂端最大水平側(cè)移f=6.9 mm，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017-2003，取水平側(cè)移限制為H/400(懸臂構(gòu)件取2H)，則f=6.9 mm<2H/400=2×1700/400=8.5 mm，表明立柱水平側(cè)移滿足規(guī)范要求。

綜上所述，此款單立柱可調(diào)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，單元支架安裝組件總尺寸為10.2 m×3.35 m(長(zhǎng)×寬)，可承受應(yīng)用面積為34.17 m2。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

4.1 支架成本分析

結(jié)合青海地區(qū)某項(xiàng)目可調(diào)支架與固定支架成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。本項(xiàng)目總?cè)萘繛?2 MWp，分為11 MWp可調(diào)支架和11 MWp固定支架，可調(diào)支架設(shè)計(jì)為1年調(diào)節(jié)2次。

固定支架價(jià)格為0.48元/W，11 MWp合計(jì)528萬(wàn)元；單立柱可調(diào)支架價(jià)格為0.56元/W，11 MWp合計(jì)616萬(wàn)元。人工調(diào)節(jié)每個(gè)單元支架需2人在15 min內(nèi)完成，本項(xiàng)目共安裝2200組可調(diào)單元支架，按照每天工作8 h、每人每天工資120元計(jì)，11 MWp光伏電站調(diào)節(jié)1次需花費(fèi)人工費(fèi)約1.8萬(wàn)元，1年調(diào)節(jié)2次，即可調(diào)支架每年比固定支架增加調(diào)節(jié)成本約3.6萬(wàn)元。

綜上所述，與固定支架相比，11 MWp單立柱可調(diào)支架增加成本88萬(wàn)元，每年增加調(diào)節(jié)費(fèi)用3.6萬(wàn)元，按照光伏電站25年壽命計(jì)算，可調(diào)支架成本共增加178萬(wàn)元。

4.2 發(fā)電量分析

結(jié)合該項(xiàng)目發(fā)電量測(cè)算結(jié)果，對(duì)比可調(diào)支架與固定支架獲得的發(fā)電量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析?？烧{(diào)支架調(diào)節(jié)角度分別為13°和55°，固定支架最佳傾角為35°。兩種支架月度發(fā)電量及年總發(fā)電量對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 可調(diào)支架與固定支架發(fā)電量對(duì)比分析表

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，與固定支架相比，可調(diào)支架每年發(fā)電量提高5.07%，按照1元/kWh的電價(jià)，可調(diào)支架每年收益比固定支架多91.02萬(wàn)元。按照光伏電站25年壽命計(jì)算，共可增加收益2548.56萬(wàn)元。

綜上所述，與固定支架相比，可調(diào)支架可在成本略增的前提下，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 單立柱可調(diào)支架的應(yīng)用

本文介紹的單立柱可調(diào)支架安裝不僅滿足抗風(fēng)、抗雪壓、耐腐蝕等性能，而且可根據(jù)不同地域的需求，實(shí)現(xiàn)10°～60°范圍的角度調(diào)節(jié)，從而充分利用當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源，達(dá)到最大的太陽(yáng)能組件發(fā)電效率?？捎糜诠夥l(fā)電獨(dú)立電站和光伏發(fā)電并網(wǎng)電站，獲得較大的發(fā)電量，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種理想的替代能源，太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是常規(guī)發(fā)電方式不能相比的。但要充分利用太陽(yáng)能，需不斷研究太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，提出新的技術(shù)創(chuàng)新，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。單立柱可調(diào)支架的應(yīng)用能通過(guò)合理布置光伏組件獲得較大太陽(yáng)能輻射量，提高發(fā)電效率。本文對(duì)單立柱可調(diào)支架系統(tǒng)的構(gòu)造、材質(zhì)選型、調(diào)節(jié)原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)支架的亮點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，該支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，值得推廣應(yīng)用。

[1] GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].