固定可調(diào)式光伏支架應(yīng)用研究

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司 ■ 章榮國(guó)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)之一，也是少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主要能源的國(guó)家之一，在能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，煤炭約占商品能源消費(fèi)構(gòu)成的75%，已成為我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源。建設(shè)大型地面光伏電站有利于增加可再生能源的比例，優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，且無(wú)任何污染，減輕環(huán)保壓力，符合我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要。在光伏電站建設(shè)中，光伏支架工程量在土建工程中占比較大，因其量大面廣，約占光伏電站總造價(jià)的7%，同時(shí)采用不同類(lèi)型的光伏支架形式會(huì)影響光伏組件的發(fā)電效率，因此有必要對(duì)光伏支架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入研究。

1 目前常用光伏支架的結(jié)構(gòu)形式及性能比較

目前大型地面光伏電站光伏支架的常用形式有兩大類(lèi)：固定傾角式(如圖1所示)和跟蹤式，而根據(jù)支架跟蹤方式的不同，跟蹤式又分為斜單軸跟蹤(如圖2所示)、平單軸跟蹤(如圖3所示)和雙軸跟蹤(如圖4所示)。所謂固定傾角式支架是指以一年中光伏電池板獲得太陽(yáng)輻射量最大的傾角作為支架的安裝傾角，該傾角在電站運(yùn)行過(guò)程中始終保持不變[1]。所謂跟蹤式支架主要是通過(guò)電機(jī)控制追蹤太陽(yáng)高度角和方位角來(lái)獲得更多太陽(yáng)能輻射，從而使發(fā)電量增加的支架形式。

圖1 固定傾角式支架

圖2 斜單軸跟蹤

圖3 平單軸跟蹤

圖4 雙軸跟蹤

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)表明，全球大型地面光伏電站中約有27%采用了自動(dòng)跟蹤式，其余大部分采用固定傾角式。根據(jù)已建工程調(diào)研數(shù)據(jù)，與固定傾角式支架相比，若采用跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約15%～25%[2，3]。跟蹤式光伏支架，尤其是雙軸跟蹤式支架，不僅占地面積大，而且由于需要?jiǎng)恿ρb置不停調(diào)整電池板的角度，運(yùn)營(yíng)成本高。在使用過(guò)程中，跟蹤式支架容易出現(xiàn)故障，需要大量的人力物力進(jìn)行維護(hù)。隨著時(shí)間的推移，跟蹤式支架的動(dòng)力裝置及零部件將逐步老化磨損，使用時(shí)間越久所需的維護(hù)及維修費(fèi)用越高。此外，跟蹤式支架不停調(diào)整角度使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性偏低，抗風(fēng)能力較弱。固定傾角式支架雖然發(fā)電量不及跟蹤式支架，但是其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本及維護(hù)費(fèi)用很低，結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性好，從光伏電站的長(zhǎng)期服役效果來(lái)看，固定式支架有顯著優(yōu)勢(shì)。所以在跟蹤式支架相關(guān)技術(shù)未達(dá)到很高水平時(shí)，固定傾角式支架仍作為主要的支架形式廣泛應(yīng)用于光伏電站中。

2 固定可調(diào)式光伏支架結(jié)構(gòu)

固定可調(diào)式支架主要是根據(jù)光伏電站所在地的全年光照情況，將全年時(shí)間分成若干段，尋找到固定時(shí)間段內(nèi)發(fā)電量最大的光伏組件傾角，每年按不同時(shí)間段的最佳傾角對(duì)光伏組件的傾角進(jìn)行有限次數(shù)的調(diào)整，每次角度調(diào)整完畢后，支架利用自帶的連接件進(jìn)行固定，形成如同固定傾角式支架一樣穩(wěn)固的一種支架形式。與固定傾角式支架相比，固定可調(diào)式支架可提高發(fā)電量；與跟蹤支架相比，固定可調(diào)式支架的成本及后期維護(hù)費(fèi)用較低。固定可調(diào)式支架結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，只需在固定式支架的基礎(chǔ)上加以適當(dāng)改造即可；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，兼顧了固定式支架與跟蹤式支架的優(yōu)點(diǎn)；非連續(xù)跟蹤，采用有限次的方式按一定的周期對(duì)光伏組件的朝向進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)調(diào)節(jié)方式的不同，目前固定可調(diào)式光伏支架主要有：推拉桿式、半圓弧式、千斤頂式，具體如圖5～圖7所示。推拉桿式固定可調(diào)支架利用支架斜撐桿在基礎(chǔ)底部水平桿的卡槽中往返推拉移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏支架的角度調(diào)整，角度調(diào)整完畢后用螺栓孔位進(jìn)行固定。半圓弧式固定可調(diào)支架利用支架斜梁與A型豎桿的鉸連接進(jìn)行光伏支架角度調(diào)整，角度調(diào)整完畢后半圓弧撐桿與A型豎桿通過(guò)螺栓孔位進(jìn)行固定。千斤頂式固定可調(diào)支架通過(guò)連接在支架斜梁與豎桿間的菱形千斤頂伸縮調(diào)整支架角度，角度調(diào)整完畢后支架通過(guò)千斤頂?shù)淖枣i實(shí)現(xiàn)固定。從幾種固定可調(diào)式支架的結(jié)構(gòu)形式可知，前兩種支架的調(diào)整角度受螺栓孔數(shù)量控制，而千斤頂式固定可調(diào)支架的角度可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)次數(shù)可視具體情況增減。

圖5 推拉桿式

圖6 半圓孤式

圖7 千斤頂式

3 固定可調(diào)式支架與固定傾角式支架主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

以青海省某10 MW光伏電站為例，固定可調(diào)式支架與固定傾角式支架的電站典型經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1、表2所示。表1中的調(diào)整方案是每次調(diào)整的角度均為某一時(shí)間段的最佳傾角[4]，表2中的調(diào)整方案是每次的調(diào)整角度設(shè)置在年最佳傾角及以下。

從表1可看出，隨著一年中最大傾角的增大，陣列間距也要求同時(shí)增大，因此大的傾角會(huì)造成光伏場(chǎng)地占地面積的增大，隨著調(diào)節(jié)次數(shù)的增加發(fā)電量也相應(yīng)增加。表2是將可調(diào)傾角范圍設(shè)置在最佳傾角及以下，這種限定最大傾角的優(yōu)化方案的特點(diǎn)是不用增加光伏場(chǎng)地占地，適用于用地指標(biāo)緊張或土地費(fèi)用高的地區(qū)，其增加的發(fā)電量也較明顯。

表1 不同調(diào)整角度的典型技術(shù)指標(biāo)比較

表2 年最佳傾角及以下角度調(diào)整方案典型技術(shù)指標(biāo)比較

4 常見(jiàn)的固定可調(diào)式光伏支架技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 幾種常見(jiàn)固定可調(diào)式支架性能比較

通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)固定可調(diào)式支架的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)各種支架的建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)情況進(jìn)行分項(xiàng)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，千斤頂式可調(diào)支架的建設(shè)成本較低，并且運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)各類(lèi)固定可調(diào)式支架比固定傾角式支架增加的造價(jià)(包括支架系統(tǒng)本體造價(jià)、土地費(fèi)用、支架運(yùn)維費(fèi)用)和增加的發(fā)電量，計(jì)算出不同調(diào)節(jié)次數(shù)情況下各支架的差額內(nèi)部收益率(本處是指與固定可調(diào)式支架相比，固定傾角式支架增量投資部分的內(nèi)部收益率)，如表4所示。

表3 各種固定可調(diào)支架基本特性比較

表4 各類(lèi)固定可調(diào)支架對(duì)應(yīng)不同調(diào)節(jié)次數(shù)的差額內(nèi)部收益率

從表4可以看出，隨著調(diào)節(jié)次數(shù)的增加，差額內(nèi)部收益率增長(zhǎng)很快，只要一年中調(diào)整次數(shù)不小于3次，差額內(nèi)部收益率均高于目前青海新建光伏電站的資本金投資收益率(約18%)。因此采用固定可調(diào)支架額外增加的投資具有很好的投資回報(bào)率。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的調(diào)查和分析，對(duì)固定可調(diào)式支架得出如下幾點(diǎn)結(jié)論及建議：

1)光伏電站的固定可調(diào)式支架保持了固定傾角式支架的結(jié)構(gòu)形式，同樣利用三角形的穩(wěn)定原理，發(fā)揮了固定傾角式支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)具有調(diào)節(jié)方式便于實(shí)現(xiàn)，比以往的跟蹤式支架維護(hù)更加便利等優(yōu)點(diǎn)。

2)設(shè)計(jì)固定可調(diào)式支架時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算支架在調(diào)整到不同角度時(shí)的所有荷載狀態(tài)，保證支架在任何狀態(tài)下均符合設(shè)計(jì)要求。

3)千斤頂式固定可調(diào)支架由于存在機(jī)械傳動(dòng)裝置，因此必須保證該傳動(dòng)裝置在高寒、高原、風(fēng)沙、腐蝕等惡劣條件下的可靠性。為提高該類(lèi)支架的穩(wěn)定性，建議支架與基礎(chǔ)的連接采用A型桿。其他固定可調(diào)式支架中，轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用軸承，滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用卡槽，無(wú)動(dòng)力裝置，所以能夠適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境，具有防風(fēng)沙、耐腐蝕、耐凍的特點(diǎn)。該類(lèi)支架也可采用不依附于支架的傳動(dòng)裝置，當(dāng)角度調(diào)整固定完成后卸除，整個(gè)光伏場(chǎng)可采購(gòu)幾套循環(huán)利用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省投資目的。

4)所有固定可調(diào)式支架均存在轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接點(diǎn)，為控制支架的變形，應(yīng)降低鉸接點(diǎn)處的加工誤差，開(kāi)孔位置及直徑的加工誤差需控制在±0.5 mm以?xún)?nèi)。

5)固定可調(diào)支架設(shè)計(jì)時(shí)支架縱向的坡度建議控制在1%以?xún)?nèi)，坡度過(guò)大時(shí)支架縱向變形加大，不利于支架穩(wěn)定，且人工調(diào)節(jié)困難。

6)固定可調(diào)支架具有很好的投資回報(bào)率，但由于針對(duì)固定可調(diào)式支架的實(shí)際投運(yùn)項(xiàng)目不多，缺乏可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)，在采用該類(lèi)支架前建議對(duì)實(shí)際投運(yùn)的類(lèi)似項(xiàng)目運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查。

總體而言，固定可調(diào)式支架具有固定傾角式支架簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，而且提高了光伏電站的發(fā)電量；同時(shí)固定可調(diào)式支架不像跟蹤式支架一樣需要高昂的成本及維護(hù)費(fèi)用，擁有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的固定可調(diào)式支架形式不多，在支架結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化、支架調(diào)節(jié)時(shí)間及次數(shù)的優(yōu)化方面，都值得進(jìn)一步研究。

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