新型太陽能單立柱可調支架的研究及應用

■ 買發軍 白榮麗 張曉峰

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

0 引言

當前太陽能固定支架已被廣泛應用，其結構簡單，可靠性高，但不能伴隨季節變化調整支架傾角，太陽電池組件效率低。隨著光伏發電站建設進程的加快，光伏發電效率的提高已成為制約其發展的瓶頸之一，迫切需要引進新技術來獲取更大的發電量，而合理布置光伏組件已成為提高發電效率的重要途徑。本文介紹的新型單立柱可調支架可在成本略增的前提下獲得較大的太陽能輻射量，提高電站的發電量。

1 單立柱可調支架設計

1.1 支架構造

圖1為單立柱可調支架的構造示意圖。該支架主要組成為：檁條和豎梁縱橫交錯布置，豎梁鉸接于立柱的上端，防風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；立柱上設有一套調節裝置，包括調節箱、驅動器和調節桿，調節箱為齒輪箱，驅動器為手輪，調節桿為調節螺桿；調節箱固定在立柱上，調節桿位于調節箱內并與驅動器傳動連接，調節桿的頂端固定于豎梁的一端；轉臂支撐架穿過立柱鉸接于豎梁兩端，轉臂支撐架為半圓形圓管，其上設有若干固定孔，轉臂支撐架與立柱之間通過與固定孔匹配的插銷連接；立柱底部的方形底座可通過4個螺栓與下部基礎固定，且每個底座增設4個加強筋，提高立柱穩定性。

圖1 單立柱可調支架構造示意圖

1.2 支架材質選型

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

圖2 立柱矩形管截面參數

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

圖3 豎梁矩形管截面參數

3)轉臂支撐架：圓管(φ42 mm×t 3 mm)，截面參數如圖4所示，材質Q235。

圖4 圓管及圍鋼截面參數

4)斜拉桿、防風桿：角鋼(40 mm×40 mm×3 mm)，截面參數如圖5所示，材質Q235。

圖5 角鋼截面參數

1.3 支架調節原理

1)將調節裝置安裝在立柱與豎梁的耳板上(將下卡銷掛進立柱耳板，再旋轉角度調節裝置手輪將上卡銷卡進豎梁耳板)。此調節裝置具有自鎖功能，在完成支架傾角調節的同時，可起到支撐支架的作用，防止支架在調節過程中因為自身重力或外界環境的影響發生轉動。

2)拆卸固定立柱和轉臂支撐架的插銷，搖動驅動器手輪進行回轉運動，帶動齒輪箱(即調節箱)內的齒輪轉動，齒輪再驅動位于齒輪箱內的調節螺桿轉動并做軸向運動，帶動支架整體轉動。轉臂支撐架上設有若干固定孔，通過調節固定孔的位置，實現此支架角度的調節，此支架可完成10°～ 60°的角度調節。

3)支架轉動到需求的角度后，安裝固定立柱和轉臂支撐架的插銷，拆卸調節裝置。

2 單立柱可調支架亮點

1)本套支架采用模塊化設計理念，其中最具特色的是圖6所示的新型手搖式角度調節裝置。此裝置屬于快速安裝機構，安裝輕松、快捷，大大降低了現場安裝難度。本套新型支架將原來采用手動握住太陽能支架進行調整的方式改為通過控制角度調節裝置進行太陽能支架的角度調節。

圖6 手搖式角度調節裝置

改變后的調節方式具有的優點為：降低操作人員調節支架傾角時的勞動強度，節約時間，并輕松實現支架在10°～60°傾角范圍的調節；支架可精確調節至最佳傾角，間接提高光伏系統效率，增加電站發電量；調節裝置的調節桿分別固定于豎梁與立柱的耳板上，支架傾角調節過程中，為支架提供了額外的支點，不會讓支架在調節傾角過程中因兩端受力不平衡而產生傾斜，提高了整體安全性。

2)支架采用半圓形轉臂支撐架，方便角度調節的同時增強了支架結構的穩定性，不同角度調節如圖7所示。

圖7 不同角度調節示意圖

3)手搖式角度調節裝置可在調整角度的同時，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)的影響而發生轉動，提高了支架在角度調節過程中的安全性。角度調節裝置自鎖功能示意圖如圖8所示。

圖8 角度調節裝置自鎖示意圖

3 單立柱可調支架結構力學分析

結合青海地區某項目實際情況，進行可調支架結構力學分析。本項目選用組件尺寸為1650×992×40，20塊組件為 1個單元，每個單元支架上豎向雙排安裝2×10塊太陽電池組件，單元支架安裝組件總尺寸為10.2 m×3.35 m(長×寬)，支架每年調節2次，調節角度分別為13°和55°，支架單元布置圖如圖9所示。

圖9 支架單元布置圖

此款單立柱可調支架受力點主要集中于豎向的立柱上，本文通過SAP2000軟件進行三維建模及力學分析計算對支架強度進行校核。圖10、圖11分別為立柱頂端最大位移示意圖和支架最大應力示意圖。

圖10 立柱頂端最大位移示意圖

圖11 支架最大應力示意圖

鋼結構支架均采用Q235鋼，通過分析計算得出，支架結構最大應力為110 MPa，均小于210 MPa，滿足規范設計要求。立柱頂端最大水平側移f=6.9 mm，根據鋼結構設計規范GB 50017-2003，取水平側移限制為H/400(懸臂構件取2H)，則f=6.9 mm<2H/400=2×1700/400=8.5 mm，表明立柱水平側移滿足規范要求。

綜上所述，此款單立柱可調支架結構強度滿足規范要求，單元支架安裝組件總尺寸為10.2 m×3.35 m(長×寬)，可承受應用面積為34.17 m2。

4 經濟技術分析

4.1 支架成本分析

結合青海地區某項目可調支架與固定支架成本進行經濟技術分析。本項目總容量為22 MWp，分為11 MWp可調支架和11 MWp固定支架，可調支架設計為1年調節2次。

固定支架價格為0.48元/W，11 MWp合計528萬元；單立柱可調支架價格為0.56元/W，11 MWp合計616萬元。人工調節每個單元支架需2人在15 min內完成，本項目共安裝2200組可調單元支架，按照每天工作8 h、每人每天工資120元計，11 MWp光伏電站調節1次需花費人工費約1.8萬元，1年調節2次，即可調支架每年比固定支架增加調節成本約3.6萬元。

綜上所述，與固定支架相比，11 MWp單立柱可調支架增加成本88萬元，每年增加調節費用3.6萬元，按照光伏電站25年壽命計算，可調支架成本共增加178萬元。

4.2 發電量分析

結合該項目發電量測算結果，對比可調支架與固定支架獲得的發電量進行經濟技術分析。可調支架調節角度分別為13°和55°，固定支架最佳傾角為35°。兩種支架月度發電量及年總發電量對比結果如表1所示。

表1 可調支架與固定支架發電量對比分析表

通過上述數據分析，與固定支架相比，可調支架每年發電量提高5.07%，按照1元/kWh的電價，可調支架每年收益比固定支架多91.02萬元。按照光伏電站25年壽命計算，共可增加收益2548.56萬元。

綜上所述，與固定支架相比，可調支架可在成本略增的前提下，獲得可觀的經濟效益。

5 單立柱可調支架的應用

本文介紹的單立柱可調支架安裝不僅滿足抗風、抗雪壓、耐腐蝕等性能，而且可根據不同地域的需求，實現10°～60°范圍的角度調節，從而充分利用當地太陽能資源，達到最大的太陽能組件發電效率。可用于光伏發電獨立電站和光伏發電并網電站，獲得較大的發電量，具有實際應用意義。

6 結束語

太陽能是一種理想的替代能源，太陽能發電的優點是常規發電方式不能相比的。但要充分利用太陽能，需不斷研究太陽能發電技術，提出新的技術創新，提高光伏發電系統的效率。單立柱可調支架的應用能通過合理布置光伏組件獲得較大太陽能輻射量，提高發電效率。本文對單立柱可調支架系統的構造、材質選型、調節原理進行了詳細介紹，并對支架的亮點進行簡單闡述，該支架結構簡單、調節方便，值得推廣應用。

[1] GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

[2] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[3] GB 50017-2003，鋼結構荷載規范[S].