光伏发电项目支架优化研究

光伏发电项目支架优化研究

尹泽、夏振华、韦志浩

广东大唐国际肇庆热电有限责任公司

摘要：光伏支架作为光伏组件的支撑结构，其安全等级以及发生破坏的后果都小于普通钢结构。按普通钢结构的设计规范指导光伏支架设计必然造成材料的浪费和造价的上升。本文对光伏支架结构的优化设计进行研究。

关键词：光伏组件；支架；太阳能

Photovoltaic bracket as a support structure of photovoltaic modules, its safety level and the consequences of damage are smaller than ordinary steel structure. According to the design specifications of ordinary steel structure to guide the design of photovoltaic bracket will inevitably lead to waste of materials and rise in cost. In this paper, the optimal design of photovoltaic support structure is studied.

一、引言

光伏支架及基础造价一般占总投资的10%左右，施工周期占总建设周期的1/3左右，光伏电站建设一般呈现工期紧、任务重的特点，而光伏电站建设占地面积巨大，相应钢材、混凝土耗费量庞大，对环境影响不可忽略，如何因地制宜的选定光伏支架及基础形式，增强环境友好性，凸现清洁能源的环保特征，并满足经济、适用、安全、工期等多方面综合要求，在光伏电站的整体设计中具有重要意义。

二、光伏支架类型选型

光伏阵列的运行方式有简单的固定式、倾角可调固定式和复杂自动跟踪系统三种类型。太阳能跟踪装置又包括“单轴跟踪”、“双轴跟踪”两种类型。跟踪器是一种支撑光伏阵列的装置，它通过围绕一个或两个轴旋转以使太阳入射到方阵表面上的入射角最小，这样太阳入射辐射最大。

固定式：组件角度、位置固定，不随时间发生变化。

倾角可调固定式：一种固定式支架，其倾角可以季节、季度、月份为周期进行人工调节。

单轴跟踪系统：利用跟踪技术，使组件围绕位于光伏方阵面上的一个轴旋转。单轴跟踪系统分为平单轴跟踪系统、斜单轴跟踪系统。

双轴跟踪系统：利用跟踪技术，通过旋转两个轴使方阵表面始终和太阳光垂直。

采用倾角可调固定式或跟踪系统，可使组件倾斜面上接受太阳辐射有所提高，但系统成本亦有增加。针对不同项目，需综合考虑地理位置、场区特点、资金条件等因素，选择最适宜运行方式。

双轴跟踪系统多采用交流电机和回转支撑驱动，这些系统虽然在发电功率方面有了极大的提高，但是存在着转动系统失灵、电机和控制器失准、轴承打滑等缺陷，成本过高，售后维修存在着技术难题，维修成本较大且容易复发，造成前期投资成本过高，运营维护成本过高，此部分的造价已经把发电量提高带来的增益完全替代，造成双轴跟踪系统在项目收益以及供货源方面存在重大问题，因此本项目不采取双轴跟踪系统方式。

根据相关资料，平单轴跟踪的适用于地面坡度小于 10°的区域，固定可调支架适用于地面坡度小于 25°的区域，固定支架适用范围较广，一般要求地面坡度不大于 35°。

所建项目为山地光伏，地形复杂，故推荐采用固定式支架。

三、光伏支架设计

1、光伏阵列的结构设计包括太阳能电池组件支架及其基础设计，主要考虑的因素有：

（1）结构自重荷载，结构自重荷载主要包括光伏组件自重、光伏支架自重本项目使用单晶双面N型组件550Wp（1134×2278,32.6kg）

（2）当地风荷载标准值，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表E.5，50年一遇基本风压取0.50kN/m2，50年一遇基本雪压取0kN/m2。

按照《光伏发电站设计规范》第6.8.7条的规定，光伏支架设计所用的风荷载和雪荷载可按25年一遇的荷载数值取值。由《建筑结构荷载规范》附录E.3.4条，25年重现期的风荷载计算公式为

计算得25年重现期的风荷载为0.42kN/m2；

又由《建筑结构荷载规范》8.2.2条，山区的建（构）筑物应考虑地形修正系数。本阶段初步确定的地形修正系数为1.5。计算得风荷载为0.63kN/m2。

光伏支架基础采用50年一遇的风荷载和雪荷载进行设计。

2、光伏支架设计

光伏支架杆件及其连接部位按照《光伏支架结构设计规程》（NB/T 10115-2018）进行设计。单柱光伏支撑结构前支撑、后支撑是双柱光伏支撑结构前支柱、后支柱的拉长版，单柱光伏支撑结构多了大型抱箍、钢柱等构件。

表1.单桩支架与双桩支架对比

从上表对比可以看出，双桩支架比单桩支架用钢量小，双桩施工周期要比单桩长， 且单桩空间利用相对多，地形适应能力弱，根据现场地形环境施工周期考虑，采用单桩支架形式。

3、光伏支架基础选型

由于固定式光伏支架垂直荷载小，主要由风荷载引起的水平力控制，采用单立柱下PHC桩即可满足受力要求。

四、结论

条形基础与独立基础施工周期较长、工程量较大、环境破坏严重，不适用与山地光伏；螺旋钢桩用钢量较大、造价较高且不适用于有腐蚀性地基。因此所建工程光伏支架选用单立柱下基础采用的预应力PHC桩基础。

参考文献：

[1] 孙惠.大型并网光伏电站关键技术及存在问题综述【J】.科技创新与应用