光伏电站支架系统的优化设计研究桂晓刚

光伏电站支架系统的优化设计研究桂晓刚

桂晓刚

(宁夏回族自治区电力设计院有限公司宁夏银川750001)

摘要：光伏发电场设计的重要组成部分就是光伏支架结构设计，而其设计原则目前国内缺乏相应的规范依据。以现行其他规范为指导，参考国外其他规范的要求，建立了光伏支架结构计算的理论方法，并开发了相关的优化设计程序。通过数值模拟验证，该程序准确度较好且偏于安全。采用上述优化设计程序，对光伏组件的排布方式进行了经济性分析，并推荐了最优方案。

关键词：光伏电站；光伏支架；优化设计

1光伏行业现状

早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为"光生伏特效应"，简称"光伏效应"。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。截至2011年底，中国共有电池企业约115家，总产能为36.5GW左右。其中产能1GW以上的企业共14家，占总产能的53%；在100MW和1GW之间的企业共63家，占总产能的43%；剩余的38家产能皆在100MW以内，仅占全国总产能的4%。规模、技术、成本的差异化竞争格局逐渐明晰。国内前十家组件生产商的出货量占到电池总产量的60%。中国太阳能光伏发电发展潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，到2030年光伏装机容量将达1亿千瓦，年发电量可达1300亿千瓦时，相当于少建30多个大型煤电厂。

2光伏支架概述

目前，光伏支架常用模式有固定倾角模式和跟踪模式。由于跟踪模式投资较大，占地面积是固定倾角模式的2倍左右，考虑到系统的可靠性、经济性和维护性，光伏电站普遍采用固定倾角模式。通过对甘肃地区多个光伏电站进行调研发现，固定倾角模式光伏支架主要存在以下问题：1)光伏支架设计复杂、连接部件多；2)钢材使用量大；3)施工安装工作量大；4)支架安装困难；5)对场平要求较高；6)组件角度不可调节。2光伏支架的选择光伏支架的设计原则是结构稳固、质量最小。查阅资料，镇江地区光伏支架系统的最佳倾角为30°，以此进行支架的抗风计算，合格的支架系统的砼支墩应不小于400mm×400mm×400mm，砼支墩横向间距(支架的跨度)小于等于2m。这样的支架系统恒载荷很大，会大幅减少建筑物的载荷安全余量，需要进一步优化，以提高建筑物的安全系数。减少支架系统砼支墩质量的最好办法是缩小支架的倾角，这样，组件背面风力的倾覆力矩会变小。

3新型支架方案

在对光伏支架做了大量研究的基础上，本文提出了一种可调节光伏支架方案，具体包括光伏组件与支架。其中，支架包括斜置框架、前支腿、后支腿、斜撑、前支架基础与后支架基础。后支腿包括上部后支腿与下部后支腿，上部后支腿的下部设有数个定位孔，下部后支腿上部设有数个连接孔，连接螺栓通过定位孔、连接孔将上部后支腿与下部后支腿相连接；下部后支腿底部埋置于后支架基础，前支腿底部埋置于前支架基础，上部后支腿上端与前支腿上端通过螺栓与斜置框架连接，光伏组件通过螺栓安装于斜置框架上面，斜撑一端与斜置框架连接，另一端经连接螺栓安装在后支腿。前支架基础与后支架基础为下部大、上部小的圆台形，形成倒圆锥体基础，增加了基础的抗拔力，可适应西北地区风大的恶劣环境条件。为便于安装及实现各连接部件角度及位移的变化，与上部后支腿连接部位的斜置框架上设有条形孔。主要部件的功能阐述：1)前支腿：对光伏组件起支撑作用，根据光伏组件最小离地间隙确定高度，工程实施中直接预埋于前支架基础中。2)后支腿：对光伏组件起支撑及调节倾角的作用，通过连接螺栓与不同的连接孔、定位孔相连接，实现后支腿高度的变化；下部后支腿预埋于后支架基础中，取消法兰盘、螺栓等连接材料的使用，大幅减少了工程投资及施工量。3)斜撑：对光伏组件起辅助支撑作用，增加了光伏支架的稳定性、刚度与强度。4)斜置框架：光伏组件的安装主体。5)连接件：前后支腿、斜撑、斜置框架均采用U型钢材，各部位之间的连接均采用螺栓直接固定，取消了常规的法兰盘、减少了螺栓使用量，减少了投资及施工量。斜置框架与后支腿上部分、斜撑与后支腿下部分的连接部位均采用条形孔。调节后支腿高度时，需将各连接部位的螺栓松动，即可实现后支腿、前支腿与斜置框架的连接角度变化；斜撑和斜置框架的位移增量通过条形孔实现。6)支架基础：采用钻孔混凝土浇筑式，实际工程中，钎杆变长有抖动现象，实际上是非钢体，所以浇筑混凝土形成倒圆锥体基础，增加了基础的抗拔力，能较好满足西北地区风大的恶劣环境条件。

4跟踪支架在光伏项目中的应用

光伏发电采用太阳能跟踪系统的发电量高于采用固定支架的发电量，同时光伏电池跟踪支架的不同，直接影响光伏发电的效率。针对分布式光伏项目的不同，选择与之相相适应的光伏电池跟踪支架，可大幅度提高光伏发电效率，综合度电成本比采用固定支架方案更低，同时还可缩短光伏项目的投资回收期。分布式光伏项目包括屋顶光伏、水上光伏、林光互补光伏电站和渔光互补光伏电站等。针对不同的光伏项目，光伏跟踪支架可依据以下影响因素加以选择。(1)占地面积。采用不同型式的跟踪支架，占地面积不同。固定支架的占地面积最小，其次分别为水平单轴支架和倾斜单轴支架，并且倾斜角度越大，相应的占地面积也越大。占地面积最大的为双轴跟踪支架。一般而言，单轴跟踪电站占地是固定支架电站的1.5倍，双轴跟踪电站是固定支架电站的２倍多。故对于租地成本有要求的分布式光伏项目，应考虑不同型式的跟踪支架所需的占地面积因素，可选择固定支架、水平单轴支架或者倾角较小的倾斜单轴支架等占地面积较小的支架类型，尽量不采用双轴支架或大倾角的倾斜单轴支架。（2）光伏发电量。采用不同型式的光伏跟踪支架，光伏发电量有一定的差异。以西北某省的分布式光伏电站实测数据为例，采用固定光伏支架在夏季时发电量较大，而在其他季节发电量较小；采用其他三种跟踪支架在春、秋、冬三个季节的发电量都比采用固定光伏支架时大，跟踪效果明显；采用双轴跟踪支架的发电量高于单轴支架，因为双轴跟踪支架跟踪了太阳入射角的变化，这种方式对发电量的提高最为显著。

结语

分布式光伏项目能大幅减少发电厂把电能传输给用户时的线路传输损耗，有益于社会能源健康发展。光伏支架的优化设计能够在充分利用太阳能资源的同时满足安全和经济投资需要。

参考文献:

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