摘要：光伏支架作为太阳能太阳电池方阵的支撑结构，对系统的安全高效运行及成本控制有着重要的影响。太阳电池方阵有多种安装方式，工程上使用何种安装方式决定了项目的投资、收益以及后期的运行、维护。实际工程采用的安装方式主要包括：固定安装（固定、固定手动可调）、单轴跟踪（平轴、斜轴）、双轴跟踪，每种安装方式有各自的特点。固定安装方式是将太阳电池方阵按照一个固定的对地角度和固定的方向安装。固定手动可调装方式是将全年分为几个时间段，根据季节的不同，通过人工调节太阳电池方阵倾角的光伏组件支架择构。基于此，本文将着重分析探讨光伏支架的设计选型及经济性。
关键词：光伏支架；设计选型；经济性
1、现状及发展
根据我国可持续发展能源战略规划，至2020年非化石能源占一次能源消费比重将达到15%，太阳能装机目标达到150GW（1.5亿kW）。在可再生能源应用领域领先的德国柏林，2000年至今，可再生能源总装机量从占其全部能源消耗量的约5%升至约42%，至2050 年可再生能源的使用比例将提高至能源使用总量的80%。
太阳能是可再生能源的重要组成部分，太阳能光伏发电是一种重要的可再生能源获取方式。发展太阳能光伏发电，对于调整我国能源结构、发展社会经济、推进节能减排等均具有重要的意义，同时符合目前国家产业政策支持方向。
2、光伏支架设计要点
（1）方阵设计，在支架设计中同样如此，必须考虑好安装方式、方阵基础等因素，只有这样光伏电站支架设计工作才能顺利进行，确保光伏电站方阵与支架完美匹配，既保证了土地充分利用，也确保光伏电站效用能够充分发挥出来。
（2）组件选择和支架布置设计，如何根据自然条件和国家相关标准，选择安全系数高和经济性能高的设备，例如：支架布置方案、系统防雷接地等，只有这样光伏组件和光伏电站支架才能有效匹配起来，系统效率才能最优化处理。再有光伏电站支架设计过程中需要考虑场内道路、消防，最大限度降低光伏电站因受外在因素产生的不必要损失。同样光伏电站支架设计难点也多表现在多个方面：其一，支架假设难度比较高，受各种因素影响。在一般情况下，光伏电站选址地方先前都是未经开发，因而地表起伏程度难以确定，如若处理不当极容易形成不同于平地的山风，此时就需要对支架承载力或者是抗拔力进行预测，但是就我国目前光伏电站发展现状来说，关于这方面技术还有待提高。其二，光伏电站施工成本相对较高，众多周知，光伏电站支架对基础的强度要求比较高，换一种方式来说，施工过程中对机器设备、原材料等都有特殊要求，如果将光伏电站建于风化岩或者是白云岩地区，无疑都会加大施工难度，建设成本直线上升，这是我国光伏电站支架设计的又一难点所在。
（3）荷载取值。①风荷载。为使光伏组件能接受最大的光照辐射，它通常被设计为与水平面成一定倾角，不可避免地承受风荷载作用。同因为光伏组件及其支架系统还具有受风面积大、自重轻等特点，使风荷载成为了光伏系统承受的主要荷载。无论是顺风时对支架结构强度和变形的要求，还是逆风时对基础抗倾覆的要求，都是光伏支架设计时起控制作用的条件。因此，合理的风荷载取值是光伏支架设计的重要内容。由于光伏发电站的设计使用寿命通常为25年，因此可取重现期为25年的风荷载值作为基本风压进行计算。考虑到国内缺乏指导光伏支架设计的规范，为保证支架结构的安全性，参考国外类似规范以指导设计。文中采用25年一遇的风荷载基本组合对光伏支架进行结构设计，同时采用42m/s瞬时风速对应的极大风荷载组合进行校核。②荷载组合。光伏支架承受的主要活荷载包括风荷载、雪荷载和施工检修荷载。考虑到光伏支架为紧贴地面且重量较轻的柔性结构，地震荷载的影响较小，因此通常采用不考虑地震作用效应组合。
3、光伏支架分类及适用性
光伏支架作为太阳能太阳电池方阵的支撑结构，对系统的安全高效运行及成本控制有着重要的影响。
太阳电池方阵有多种安装方式，工程上使用何种安装方式决定了项目的投资、收益以及后期的运行、维护。实际工程采用的安装方式主要包括：固定安装（固定、固定手动可调）、单轴跟踪（平轴、斜轴）、双轴跟踪，每种安装方式有各自的特点。
固定安装方式是将太阳电池方阵按照一个固定的对地角度和固定的方向安装。
固定手动可调安装方式是将全年分为几个时间段，根据季节的不同，通过人工调节太阳电池方阵倾角的光伏组件支架结构。
单轴跟踪安装方式是将太阳电池方阵安装在一个旋转轴上，运行时方阵只能跟踪太阳运行的方位角或者高度角中的一个方向。旋转轴可以是水平南北向放置、水平东西向放置、地平面垂直放置或按所在地纬度角倾斜布置等。
双轴跟踪太阳电池方阵沿着两个旋转轴运动，能同时跟踪太阳的方位角与高度角的变化，理论上可完全跟踪太阳的运行轨迹以实现入射角为零。
对于自动跟踪式系统，其倾斜面上能最大程度地接收太阳总辐射量，从而增加了发电量。经初步计算，若采用水平单轴跟踪方式，系统理论发电量（指跟踪系统自日出开始至日落结束均没有任何遮挡的理想情况下）可提高15%--20%；若采用斜单轴跟踪方式，系统理论发电量可提高25%--30%；若采用双轴跟踪方式，系统理论发电量可提高30%--35%。然而系统实际工作效率往往小于理论值，其原因有很多，例如：太阳电池组件间的相互投射阴影，跟踪支架运行难于同步等。双轴跟踪式投资远高于单轴系统，并且占地面积较大。
根据己建工程调研数据，安装晶硅类电池组件，若采用水平单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约15%，若采用斜单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约20%。在此条件下，以固定安装式为基准，对1MWp光伏阵列采用3种运行方式比较见表1。
由表1可知，固定式与自动跟踪式各有优缺点：固定式占地面积小、初始投资较低且支架系统基本免维护；自动跟踪式占地面积大、初始投资较高、需要一定的维护，但发电量较倾角固定式相比有较大提高，如不考虑后期维护工作增加的成本，采用自动跟踪式运行的光伏电站单位发电成本将有所降低。若自动跟踪式支架造价能进一步降低，则其成本的优势将更加明显；同时，若能较好解决阵列同步性及减少维护工作量，则自动跟踪式系统相较固定安装式系统将更有竞争力，特别在高辐照度地区可以产生更高的投资回报率。
4、光伏支架结构设计
目前光伏支架多采用轻型钢结构和铝合金结构体系，光伏阵列支架结构设计须考虑的荷载工况：永久荷载（组件重量）、风荷载、地震荷载、雪荷载和温度荷载。荷载重现期为25年。
结构正常使用极限状态设计采用标准组合，结构承载能力极限状态设计采用基本组合。采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。
计算荷载时主要校验风荷载组合、雪荷载组合以及恒荷载控制效应组合3大类组合荷载。
4.1 荷载组合
风荷载控制的荷载组合：L=1.26G+1.4W+1.4×0.7S；
雪荷载控制的荷载组合：L=1.2G+1.4×0.6W+1.4S；
恒荷载控制的荷载组合：L=1.35G+1.4×0.6W+1.4×0.7S
恒荷载G的计算方法：G=支架重+电池板重；
风荷载的计算方法：=Wk=W0*μz*μs*μz（方向垂直于电池板面）；
雪荷载的计算方法：Sk=μr*S0（方向垂直于水平面）。
4.2 设计主要控制参数
受压构件容许长细比：150；
受拉构件容许长细比：250；
柱项位移比：H/150；
梁的挠度：L/200。
5、建议
5.1 科学制定规划并严格落实
为了防止无序发展带来的一系列问题，政府能源主管部门应严把规划关，根据国家可再生能源总体规划，科学合理地制定光伏发电发展规划。以中长期规划指导年度规划，以年度规划指导项目核准。规范项目核准程序，避免“一哄而上”。
5.2 完善光伏发电相关政策法规
在仍主要受政策驱动的条件下，光伏发电产业的发展有赖于稳定的市场预期和发展前景。应在总结特许权招标经验的基础上，尽快确定光伏发电上网的分资源区标杆电价政策，并建立滚动调整机制。同时，还应拓宽可再生能源发展基金的资金来源，适当提高可再生能源电价附加水平，确保财政支持到位。
5.3 全力做好光伏并网服务工作
电网企业应以积极的姿态和严格的要求对待光伏发电并网问题。一方面，要从履行社会责任、服务国家能源战略大局出发，积极推动光伏并网工作；另一方面，要以严格的管理规范行业发展。抓紧研究相关技术标准，包括完善光伏发电并网技术标准和推动政府出台光伏发电设备统一的检测认证管理办法，填补标准与规定的空白，滚动修订完善现有标准。
6、结束语
光伏阵列支架设计选型要考虑结构安全性、耐久性、经济性和安装便利性，为光伏阵列的可靠安全发电提供基础保证。大型地面电站中支架一般选用冷弯薄壁型钢组成的轻型钢结构，采用金属涂层防腐措施，保证25年使用寿命，充分考虑由于阵列基础平整度偏差及中心线偏差所要求的支架安装的自适应性。
参考文献：
[1]唐炼.世界能源供需现状与发展趋势[J].国际石油经济，2005，（1）.doi：10.3969/j.issn.1004-7298.2005.01.014.
[2]吴露露.影响光伏系统高效利用太阳能的因素实验研究[D].内蒙古工业大学，2014.
[3]苗杰民.世界清洁能源发展研究综述[J].山西农业大学学报（社会科学版），2013，（7）.
[4]李士良，宋忠奎.太阳电池计量标准及量值溯源技术的研究[J].中国计量，2011，（4）.doi：10.3969/j.issn.1006-9364.2011.04.008.
[5]任惠，赵杰.分布式光伏发电系统综述[J].科技创新与应用，2015，（9）.
论文作者:文高龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/5
标签：荷载论文; 光伏论文; 支架论文; 组合论文; 方阵论文; 方式论文; 电站论文; 《基层建设》2019年第9期论文;