上海电力设计院有限公司 ■ 章荣国

0 引言

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，在能源生产和消费中，煤炭约占商品能源消费构成的75%，已成为我国大气污染的主要来源。建设大型地面光伏电站有利于增加可再生能源的比例，优化系统电源结构，且无任何污染，减轻环保压力，符合我国能源发展战略的需要。在光伏电站建设中，光伏支架工程量在土建工程中占比较大，因其量大面广，约占光伏电站总造价的7%，同时采用不同类型的光伏支架形式会影响光伏组件的发电效率，因此有必要对光伏支架的结构形式进行深入研究。

1 目前常用光伏支架的结构形式及性能比较

目前大型地面光伏电站光伏支架的常用形式有两大类：固定倾角式(如图1所示)和跟踪式，而根据支架跟踪方式的不同，跟踪式又分为斜单轴跟踪(如图2所示)、平单轴跟踪(如图3所示)和双轴跟踪(如图4所示)。所谓固定倾角式支架是指以一年中光伏电池板获得太阳辐射量最大的倾角作为支架的安装倾角，该倾角在电站运行过程中始终保持不变[1]。所谓跟踪式支架主要是通过电机控制追踪太阳高度角和方位角来获得更多太阳能辐射，从而使发电量增加的支架形式。

图1 固定倾角式支架

图2 斜单轴跟踪

图3 平单轴跟踪

图4 双轴跟踪

据最新统计表明，全球大型地面光伏电站中约有27%采用了自动跟踪式，其余大部分采用固定倾角式。根据已建工程调研数据，与固定倾角式支架相比，若采用跟踪方式，系统实际发电量可提高约15%～25%[2，3]。跟踪式光伏支架，尤其是双轴跟踪式支架，不仅占地面积大，而且由于需要动力装置不停调整电池板的角度，运营成本高。在使用过程中，跟踪式支架容易出现故障，需要大量的人力物力进行维护。随着时间的推移，跟踪式支架的动力装置及零部件将逐步老化磨损，使用时间越久所需的维护及维修费用越高。此外，跟踪式支架不停调整角度使结构整体稳定性偏低，抗风能力较弱。固定倾角式支架虽然发电量不及跟踪式支架，但是其结构形式简单，运营成本及维护费用很低，结构的安全稳定性好，从光伏电站的长期服役效果来看，固定式支架有显著优势。所以在跟踪式支架相关技术未达到很高水平时，固定倾角式支架仍作为主要的支架形式广泛应用于光伏电站中。

2 固定可调式光伏支架结构

固定可调式支架主要是根据光伏电站所在地的全年光照情况，将全年时间分成若干段，寻找到固定时间段内发电量最大的光伏组件倾角，每年按不同时间段的最佳倾角对光伏组件的倾角进行有限次数的调整，每次角度调整完毕后，支架利用自带的连接件进行固定，形成如同固定倾角式支架一样稳固的一种支架形式。与固定倾角式支架相比，固定可调式支架可提高发电量；与跟踪支架相比，固定可调式支架的成本及后期维护费用较低。固定可调式支架结构形式简单，只需在固定式支架的基础上加以适当改造即可；结构稳定性好，兼顾了固定式支架与跟踪式支架的优点；非连续跟踪，采用有限次的方式按一定的周期对光伏组件的朝向进行调整。

根据调节方式的不同，目前固定可调式光伏支架主要有：推拉杆式、半圆弧式、千斤顶式，具体如图5～图7所示。推拉杆式固定可调支架利用支架斜撑杆在基础底部水平杆的卡槽中往返推拉移动来实现光伏支架的角度调整，角度调整完毕后用螺栓孔位进行固定。半圆弧式固定可调支架利用支架斜梁与A型竖杆的铰连接进行光伏支架角度调整，角度调整完毕后半圆弧撑杆与A型竖杆通过螺栓孔位进行固定。千斤顶式固定可调支架通过连接在支架斜梁与竖杆间的菱形千斤顶伸缩调整支架角度，角度调整完毕后支架通过千斤顶的自锁实现固定。从几种固定可调式支架的结构形式可知，前两种支架的调整角度受螺栓孔数量控制，而千斤顶式固定可调支架的角度可以实现无级调节，调节次数可视具体情况增减。

图5 推拉杆式

图6 半圆孤式

图7 千斤顶式

3 固定可调式支架与固定倾角式支架主要经济指标比较

以青海省某10 MW光伏电站为例，固定可调式支架与固定倾角式支架的电站典型经济指标对比如表1、表2所示。表1中的调整方案是每次调整的角度均为某一时间段的最佳倾角[4]，表2中的调整方案是每次的调整角度设置在年最佳倾角及以下。

从表1可看出，随着一年中最大倾角的增大，阵列间距也要求同时增大，因此大的倾角会造成光伏场地占地面积的增大，随着调节次数的增加发电量也相应增加。表2是将可调倾角范围设置在最佳倾角及以下，这种限定最大倾角的优化方案的特点是不用增加光伏场地占地，适用于用地指标紧张或土地费用高的地区，其增加的发电量也较明显。

表1 不同调整角度的典型技术指标比较

表2 年最佳倾角及以下角度调整方案典型技术指标比较

4 常见的固定可调式光伏支架技术经济比较

4.1 几种常见固定可调式支架性能比较

通过对几种常见固定可调式支架的现场调研，对各种支架的建设成本、运营和维护情况进行分项对比，对比结果如表3所示。从表3可以看出，千斤顶式可调支架的建设成本较低，并且运营维护方便。

4.2 经济效益分析

根据各类固定可调式支架比固定倾角式支架增加的造价(包括支架系统本体造价、土地费用、支架运维费用)和增加的发电量，计算出不同调节次数情况下各支架的差额内部收益率(本处是指与固定可调式支架相比，固定倾角式支架增量投资部分的内部收益率)，如表4所示。

表3 各种固定可调支架基本特性比较

表4 各类固定可调支架对应不同调节次数的差额内部收益率

从表4可以看出，随着调节次数的增加，差额内部收益率增长很快，只要一年中调整次数不小于3次，差额内部收益率均高于目前青海新建光伏电站的资本金投资收益率(约18%)。因此采用固定可调支架额外增加的投资具有很好的投资回报率。

5 结论及建议

通过对多个实际项目的调查和分析，对固定可调式支架得出如下几点结论及建议：

1)光伏电站的固定可调式支架保持了固定倾角式支架的结构形式，同样利用三角形的稳定原理，发挥了固定倾角式支架结构简单、安全可靠的优点；同时具有调节方式便于实现，比以往的跟踪式支架维护更加便利等优点。

2)设计固定可调式支架时应注意验算支架在调整到不同角度时的所有荷载状态，保证支架在任何状态下均符合设计要求。

3)千斤顶式固定可调支架由于存在机械传动装置，因此必须保证该传动装置在高寒、高原、风沙、腐蚀等恶劣条件下的可靠性。为提高该类支架的稳定性，建议支架与基础的连接采用A型杆。其他固定可调式支架中，转动节点使用轴承，滑动节点使用卡槽，无动力装置，所以能够适应更加恶劣的环境，具有防风沙、耐腐蚀、耐冻的特点。该类支架也可采用不依附于支架的传动装置，当角度调整固定完成后卸除，整个光伏场可采购几套循环利用，以实现节省投资目的。

4)所有固定可调式支架均存在转动的铰接点，为控制支架的变形，应降低铰接点处的加工误差，开孔位置及直径的加工误差需控制在±0.5 mm以内。

5)固定可调支架设计时支架纵向的坡度建议控制在1%以内，坡度过大时支架纵向变形加大，不利于支架稳定，且人工调节困难。

6)固定可调支架具有很好的投资回报率，但由于针对固定可调式支架的实际投运项目不多，缺乏可借鉴的成熟经验，在采用该类支架前建议对实际投运的类似项目运行情况进行调查。

总体而言，固定可调式支架具有固定倾角式支架简单可靠的特点，而且提高了光伏电站的发电量；同时固定可调式支架不像跟踪式支架一样需要高昂的成本及维护费用，拥有广阔的应用前景。现有的固定可调式支架形式不多，在支架结构形式的优化、支架调节时间及次数的优化方面，都值得进一步研究。

[1] 黄天云， 白盛强. 倾角可调光伏支架结构的研究[J].太阳能，2013(15)：34 － 36.

[2] 邓霞， 邹新， 王峰. 光伏阵列可调支架的技术研究[A].第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集[C]， 南京： 东南大学出版社，2010.

[3] 时剑. 支架季调式光伏发电系统应用研究[J].水电能源科学 ， 2010， 28(12)： 157 － 158

[4] GB 50797-2012， 光伏发电站设计规范[S].