张靖典

摘要：随着科技的发展以及近几年自然灾害的增多，人类越发觉得环境的保护和可持续发展是迫在眉睫的事情。所以各个国家和国际组织都开始提出了“碳中和”这一概念。但要实现这一伟大目标，新能源的大力推广和使用是重要而且必不可少的一环。目前对于新能源的推广最主要还是大力使用电能，而在发电的模式中，太阳光伏系统（简称光伏）的比重越来越大，因此也造就了光伏产业的兴起。光伏是指利用光伏半导体材料的光生伏打效应而将太阳能转化为直流电能的设施。随着光伏产业的日趋成熟和被大量采用，如何最大增加发电效率也开始被思考和解决。目前，增加光伏发电效率主要有两种：一，对太阳能板材料的探索，增加发电效率。二，调整光伏支架，让太阳能板跟随太阳而调整角度，增加光照直射面。本文将会详细的介绍光伏支架的类型以及优缺点，综合给出简单的跟踪系统优化方案。

关键词：太阳光伏系统（Solar photovoltaic system） 光伏支架（PV support bracket） 跟踪系统（Tracking system）

引言

光伏支架是光伏电站重要的组成部分，承载着光伏电站的发电主体。因此，支架的选择直接影响着光伏组件的运行安全、破损率及投资建设收益情况。

太阳能光伏支架设计方案需要考虑很多因素，任何类型的太阳能光伏支架设计方案的组件装配部件，其最重要的优势之一必然是耐候性。 结构必须牢固可靠，能承受如大气侵蚀，风荷载和其它外部效应。

太阳能支架的最大抗风能力216公里/小时，太阳能跟踪支架最大抗风150公里/小时（大于13级台风）。以太阳能单轴跟踪支架和太阳能双轴跟踪支架为代表的新型太阳能组件支架系统，与传统的固定支架相比较，在太阳能电池板的数目相同的情况下，能极大的提高太阳能组件的发电量，采用太阳能单轴跟踪支架组件的发电量可以提高25%，而太阳能双轴支架甚至可以提高40%～60%

1.光伏支架主要类型介绍

在选择光伏支架时，需要根据不同应用条件来选择不同材料的支架。根据光伏支架主要受力杆件所采用材料的不同，可将其分为铝合金支架、钢支架以及非金属支架（柔性支架和混凝土支架），其中非金属支架（柔性支架）使用较少，而铝合金支架和钢支架各有特点。

钢支架性能稳定，制造工艺成熟，承载力高，安装简便，广泛应用于民用、工业太阳能光伏和太阳能电站中。其中，型钢均为工厂生产，规格统一，性能稳定，防腐蚀性能优良，外形美观。值得一提的是，组合钢支架系统，其现场安装，只需要使用特别设计的连接件将槽钢拼装即可，施工速度快，无需焊接，从而保证了防腐层的完整性。但是这种产品也有其缺点，那就是连接件工艺复杂，种类繁多，对生产制造、设计要求高，因此价格不菲。

金属支架混凝土支架，主要应用在大型光伏电站上，因其自重大，只能安放于野外，且基础较好的地区，但稳定性高，可以支撑尺寸巨大的电池板。

非金属支架（柔性支架），利用钢索预应力结构，类似于污水处理厂、地形复杂的山地、承重较低的屋顶、林光互补、水光互補、驾校、高速公路服务区等跨度和高度所限造成传统支架结构无法安装的场所，柔性支架则很好地解决了这一难题，有效地解决现有山谷、丘陵地带光伏电站存在的施工难度大，阳光遮挡严重，发电量低（与平整地带光伏电站对比约低过10%-35%）电站支架质量差、结构复杂等缺点。

总的来说，非金属支架（柔性支架）具有广泛的适应性、使用的灵活性、有效的安全性和土地完美二次利用经济性，是光伏支架革命性的创造。但是其也存在一点小小的弊端，那就是抵抗恶劣天气的能力不强，须避免在会出现恶劣天气的地方安装此类支架。

金属支架的使用占大多数，其中金属支架可以分为四大类：固定式支架;平单轴跟踪支架;斜单轴跟踪支架;双轴跟踪支架。

1.1 固定支架（fixed structure）

固定式支架，顾名思义支架是固定式的，是无法移动的。按照项目地点设计最佳倾角，采用固定方式安装，结构简单，牢固。其结构虽然简单，但是其制造工艺并不简单。事实上，高质量的产品往往具有多项技术专利。下面以拼装式钢支架举例说明。

首先，高质量的型钢通常具有高水平的镀锌工艺。根据国家标准的要求，镀锌层平均厚度应大于50μm，最小厚度大于45μm。事实上，很多产品的镀锌层平均厚度虽然可以达到要求，但最小厚度小于40μm，实际使用中常常出现点蚀。卤素对钢材的腐蚀速度非常快，一年之内就可能造成整体支撑结构的弱化，造成安全隐患。因此，做到高度均匀的镀锌工艺并非易事。其次，型钢钢材的连接是一个技术难点。一整套有效的连接方法，不仅包括连接件上巧妙的构思，还要配合槽钢背孔、咬合齿牙的设计等等。这其中涉及冲压、铸造等多方面钢铁冶金技术。

另外，用于承受较大荷载的双面槽钢，必须进行背靠背焊接。各种焊接工艺之间水平有很大差距。压力激光焊接可以保证全断面均匀连接，两根槽钢完全合为一体，共同受力;而电焊技术只能使两根槽钢部分固定在一起，受力形式更接近于叠合梁。有些型钢为了提高承载力，还对槽钢增加了加劲肋的冷轧。

总之，拼装式型钢支架的生产工艺存在诸多技术难点，需要冶金工程技术人员攻克技术壁垒，进一步降低其使用成本。

相比于其他类型的光伏支架，固定式支架优势也很明显，支架系统简单，安装方便，成本低，维护简单。同时缺点也很明显，不能对太阳能资源充分利用，相比跟踪支架发电量少。

1.2平单轴跟踪支架（single axis tracker）

平单轴跟踪支架的轴向一般是采用南北轴，转动轴南北方向与地面平行，跟踪方位角，适用于低纬度地区，结构相对简单，安装调试较为容易，牢固，抗风好。其运行基本原理是确保组件在东西方向上跟太阳光线成直角，所以平单轴跟踪器跟踪的是太阳的方位角，而不是高度角。由于跟踪的范围一般是在-60°至+60°，如果组件实时跟着太阳追踪，在早上或傍晚太阳高度角较小的时候，需要的跟踪角度一般会超过跟踪范围，而停留在±60°位置，此时前面一排组件会对后面一排产生遮挡。

对于平单轴跟踪支架，如果采用逆跟踪技术，可在减少阵列间距的同时，又能使光伏阵列间没有遮挡，那么就可以很好地解决跟踪系统面临的光伏发电量和占地面积的抉择问题。当确定使用逆跟踪技术后，为了提高发电量，还需要确定跟踪支架的东西间距，因为东西距离大，早晚逆跟踪算法启动的机会相对来说就会少一些，那么可保证组件平面上所接收的辐射量相对较大。当然，实际间距的选择还需要看可利用的土地面积。早上和傍晚的时候，支架能够反向旋转，使前排组件阴影刚好没遮到后排，实现入射角最大、发电量最大的目标。

1.3斜单轴跟踪支架（Oblique single shaft trestle）

平单轴跟踪支架在国内已经有了广泛的使用，通过东西向跟踪太阳轨迹，较为显著的提升了发电量，但平单轴也有其不利因素存在。

平单轴跟踪支架由于向南方向没有倾角，使得其在太阳高度角较低时辐射接收能力较差，这一点在高纬度地区表现尤其明显，平单轴跟踪支架在高纬度地区的发电量提升能力会有所下降，尤其是在冬季，发电量甚至低于固定式支架。

而斜单轴跟踪支架因为向南方向有一定的倾角，所以这种情况会较平单轴好。因此适合中、高纬度地区，北半时旋转轴北高南低，相比固定支架发电量可提高20～30%。

但是斜单轴跟踪支架也有自身的局限，其稳定性略差于平单轴跟踪支架，而且由于向南方向有倾角，使得斜单轴跟踪支架随着旋转轴的增长，北侧距离地面越来越高，而由于其后立柱不可能做太高，所以也就限制了斜单轴的旋转轴不能做成和平单轴一样很长的一根轴，而只能是独立的一个个个体，增加了其成本，维护也相对复杂，故障率自然也高，当然也增加了占地面积。

虽然斜单轴跟踪支架某些方面优于平单轴支架，但在实际应用中由于其自身的特点，也有需要注意的地方：

1.由于平单轴跟踪支架对于低太阳高度角辐射接收效率低的缺点在中高纬度地区更加明显，因此斜单轴跟踪支架也更适合于中高纬度地区;

2. 与平单轴系统组件在南北方向连续布置不同，斜单轴跟踪系统中由于组件向南有倾角，因此需要模拟并确定组件之间的南北间距;

3. 由于组件从平铺到最佳倾角之间，辐射接收量的增长率是逐渐降低的，同时由于倾角过大会使得组件南北间距过大，增加占地及支架成本。所以斜單轴跟踪系统中适量提升组件倾角即可，倾角不宜过大。

1.4双轴跟踪支架（Dual-axis tracker）

双轴跟踪支架是利用双轴跟踪系统跟踪太阳的光伏支架，双轴跟踪系统是一种能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置。因此，适合中、高纬度地区，传动机构复杂，故障率高，使用不广泛，相比固定支架发电量可提高20～30%，同时其成本也更高，维护更复杂，故障率更高。

2.提升发光效率原理分析

目前，增加光伏发电效率主要有两种：一，对太阳能板材料的探索，增加发电效率。二，调整光伏支架，让太阳能板跟随太阳而调整角度，增加光照直射面。而本次主要从光伏支架的调整去提高发电效率，以支架的跟踪系统作为分析对象。

2.1跟踪控制方式

跟踪控制系统主要有两种跟踪控制方式：

1.光线控制（光控），就是使用光传感器，跟据不同区域光线强弱区别，判断太阳位置，然后驱动电机转动支架进行追踪。

2.时间控制（时控），根据当地经度坐标和纬度坐标以及时区时间，利用天文学计算公式，计算太阳所处天空的坐标，然后驱动电机转动支架进行追踪。

目前国内公司大多都是将两种控制原理结合，但是大部分都是以时控为主，光控为辅。当天气良好的情况下，利用时控追踪太阳大约位置，然后利用光控进行精确调节;当天气条件不好的时候，单独利用时控进行追踪，避免天空杂光干扰。

另外也可以采用另一种结合方式：仍然以时控为主，光控为辅，即天气良好

的情况下，单纯只利用光控进行追踪，如果遇到阴雨天气，则自动转跳到时控方式进行追踪。

时控方式中，使用GPS 模块来获取当地的经纬度和时间。保证坐标和时间的精度，从而提高追踪精确程度。入下图所示，分别是光控跟踪流程以及时控跟踪流程。

2.2时控太阳方位计算

2.3机械结构

跟踪电站的机械结构主要分为三大部分，立柱，横梁和网架。立柱与横梁的连接处为x轴减速机，横梁和网架的连接处为y轴减速机，钢结构支架全部采用热镀锌，保证20年以上的使用寿命。

网架采用错层设计，这种z形结构，可以保证网架在转动时，重心和轴心处于同一位置，从而消除了减速机偏重。

3.结论

本文详细介绍了目前光伏支架的类型，分析了各种光伏支架的特点以及缺点。从光伏支架的不断进化中，我们不难看出，始终都是为了让光照利用率不断提高，以此达到增加发电量的目的。因此，本文也详细介绍了跟踪支架的跟踪角度的计算，以及跟踪启动的算法。同时，作者也探讨了逆向跟踪对发电量的影响。

作者通过对跟踪系统的控制方式的研究，列出了两种控制方式，即光线控制（光控）和时间控制（时控）。为了更加完整的提升光照效率，作者给出了光线控制与时间控制相结合的控制方式：以光线控制为主，时间控制为辅。并且对于结合控制方式，衍生出了两种结合控制方式：

（1）当天气良好，光线充足的情况下，利用时控追踪太阳大约位置，然后利用光控进行精确调节;当天气条件不好的时候，单独利用时控进行追踪，这也避免了雨水折射光线产生杂光的干扰。

（2）依然以时控为主，光控为辅，天气良好的情况下，只利用光控方式进行追踪，如果遇到阴雨天气，只利用时控方式进行追踪。

参考文献：

[1]一个废弃的跟踪电站.光伏工匠论坛，2015，97

[2]许英朝， 魏秀东， 卢欣霁， 李洋洋， 崔悦， 林苗茜. 太阳能光伏聚光器的研究进展[J]. 光学与光电技术， 2020， 18（5）： 86

[3] 宋明辉 .聚光多结太阳能电池的设计、制备及可靠性研究[D].武汉： 华中科技大学， 2012.

[4] BouchardS，ThibaultS. GRINplanarwaveguide concentrator used with asingleaxistracker[J]. OpticsExpress， 2014，22（102）： A248-A258.

[5] 郝国强，袁爱谊，李红，等 .聚光光伏技术研究[J].电源技术， 2017，41（8）： 1217-1220.

[6]颉栋，颜鲁薪. 固定式光伏支架设计. 实用科技. 中小企业管理与科技. 2014，27：230-231.