剛察扎蘇合光伏電站固定支架可調(diào)性探討

展宗洋，羅先啟

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

能源是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。近年來，世界能源行業(yè)面臨著能源枯竭和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，在此背景下，優(yōu)先發(fā)展可再生能源已成為世界共識(shí)，而太陽能以其安全、清潔、資源充足、技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)代新能源開發(fā)的重要方向［1-6］。自20世紀(jì)70年代起，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是發(fā)電效率不高成為制約其發(fā)展的因素之一。太陽輻射量、最大功率峰值跟蹤、電池組件的轉(zhuǎn)換效率、逆變器的整機(jī)效率等影響到光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。其中，光伏電站支架傾角是影響發(fā)電效率的又一重要因素［7-9］。因此，根據(jù)光伏電站的具體情況設(shè)計(jì)更具經(jīng)濟(jì)性和適用性的支架形式，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

剛察扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程位于剛察縣泉吉鄉(xiāng)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°44′～99°52′，北緯37°12′～37°18′之間，距剛察縣城45 km。電站設(shè)光伏陣列區(qū)、匯集站和生產(chǎn)生活綜合區(qū)。整個(gè)地塊南北長744.2 m、東西寬359.6 m，平均海拔3 310 m，總占地面積為0.267 614 km2。場區(qū)地勢平緩，地形開闊，多為草場區(qū)。工程包括光伏陣列區(qū)支架、逆變器室、箱變室及綜合樓等［10］。

剛察扎蘇合光伏電站一個(gè)單元包括44塊電池板，一個(gè)單元的電池板面積為71.7 m2，總共有950個(gè)單元，整個(gè)光伏電站的電池板總面積為68 115 m2。太陽能電池板為多晶體電池板，自由放置在地面上，沒有額外的通風(fēng)措施。剛察的緯度為37°20′（北半球），經(jīng)度為東經(jīng)100°8′，海拔為3 303 m［11］。根據(jù)上述資料采用PVsyst軟件計(jì)算太陽能支架傾角不同方案的發(fā)電情況［12］。數(shù)據(jù)來自Meteonorm的全球氣候數(shù)據(jù)庫。分別計(jì)算固定式、月調(diào)式、季調(diào)式及1 a調(diào)節(jié)2次的發(fā)電量。計(jì)算結(jié)果為原方案（固定支架，傾角39°）發(fā)電量為1 730萬kW／a時(shí)；月調(diào)式方案（傾角每月調(diào)整一次）發(fā)電量為1 839萬kW／a時(shí)，與固定式相比增加了6.31%的發(fā)電量；季調(diào)式方案（傾角每季調(diào)整1次）發(fā)電量為1 820萬kW／a時(shí)，與固定式相比增加了5.15%的發(fā)電量；半年調(diào)節(jié)（傾角每年調(diào)整兩次）發(fā)電量為1 800萬kW／a時(shí)，與固定式相比增加了4%的發(fā)電量。

安裝跟蹤系統(tǒng)能夠較大幅度提高發(fā)電效率，但因初期投入成本高、穩(wěn)定性差等因素而難以廣泛應(yīng)用。結(jié)合青海省光伏電站高寒、高原、風(fēng)沙、腐蝕環(huán)境條件，研制一種新型的，適合荒漠地區(qū)的固定可調(diào)支架具有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值［13］。

目前國內(nèi)90%以上已建電站采用固定式支架［14］。青海省已建光伏電站絕大多數(shù)也是采用固定式支架，因此，研究固定支架改為固定可調(diào)支架的可行性，并提出固定支架改為固定可調(diào)支架結(jié)構(gòu)形式及其實(shí)施方案，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 固定支架可調(diào)性分析

1.1 改造思路

剛察扎蘇合光伏電站目前采用的是固定支架，如圖1所示，固定支架的電池板傾角為39°。

圖1 固定支架原型圖

改造方案的基本思想是：將前立柱頂部與橫梁的連接方式改為鉸接，取消原結(jié)構(gòu)中的斜支撐桿和后立柱，使用可動(dòng)支撐桿1、2，如圖2所示。其中可動(dòng)支撐桿頂部與橫梁的連接方式均為鉸接，與底部新增橫梁的連接方式為活動(dòng)鉸接。即可動(dòng)支撐桿底部可在新增橫梁上移動(dòng)，且在連接處可發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。新增橫梁的作用是承受可動(dòng)支撐桿的荷載作用，其兩端搭在兩根樁上。該支架通過將可動(dòng)支撐桿1與2的平動(dòng)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電池板的傾角，支架傾角不同時(shí)的示意圖如圖3所示。

圖2 改造后支架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 方案對比

根據(jù)剛察光伏電站支架調(diào)節(jié)方式發(fā)電效益的計(jì)算結(jié)果［15］，若采用季調(diào)式方案，太陽能電池板最優(yōu)傾角分別是62°，52°，28°，10°，其支架示意圖如圖4 所示。由于調(diào)整范圍較大，可動(dòng)支撐桿的長度不能改變，當(dāng)電池板傾角為10°時(shí)，新增橫梁需懸挑的長度較大，會(huì)造成較大的彎矩，在受力方面不易。因此，本文建議采用1 a調(diào)節(jié)2次，調(diào)整角度分別為52°（秋季與冬季），28°（春季與夏季），采用此調(diào)整方案，年發(fā)電量與固定式相比能提高4%左右。1 a調(diào)整2次方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖3 平移可動(dòng)支撐桿底部實(shí)現(xiàn)電池板傾角的調(diào)節(jié)

圖4 太陽能電池板傾角不同時(shí)支架示意圖（季調(diào)式）

圖5 不同太陽能電池板傾角時(shí)支架示意圖（1 a調(diào)2次）

1.3 52°和28°方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）電池板傾角為28°。當(dāng)電池板傾角為28°時(shí)，其示意圖如圖6所示。

圖6 電池板傾角為28°時(shí)支架示意圖（mm）

（2）電池板傾角為52°。當(dāng)電池板傾角為52°時(shí)，其示意圖如圖7所示。

圖7 電池板傾角為52°時(shí)支架示意圖（mm）

2 受力校核

由于支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，所以需要對調(diào)整角度后的支架進(jìn)行受力分析?？紤]到可調(diào)支撐桿1、2與新增橫梁尚未確定，此處可調(diào)支撐桿1按照原斜支撐桿的參數(shù)，可調(diào)支撐桿2與新增橫梁按原后立柱的參數(shù)。支架受到的荷載主要包括電池板質(zhì)量、風(fēng)荷載、雪荷載、自重荷載。電池板的恒載為0.2 GPa，當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓為0.35 GPa，基本雪壓為0.15 GPa。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［16］風(fēng)荷載的組合值取0.6，雪荷載的組合值取0.7。風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.17；而結(jié)構(gòu)高度較小，無須考慮風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)荷載體型系數(shù)、雪荷載屋面積雪分布系數(shù)根據(jù)支架結(jié)構(gòu)傾角具體給出。恒荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.4。支架各個(gè)桿件幾何、材料參數(shù)根據(jù)N076S-J01-05號(hào)計(jì)圖紙獲得。主鋼結(jié)構(gòu)采用Q235-B，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：抗拉是215 MPa，抗剪是125 MPa。此處對傾角分別為28°、52°時(shí)的支架進(jìn)行受力分析。

2.1 電池板傾角為28°時(shí)受力校核

考慮了上述荷載作用下，電池板傾角為28°時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)、雪荷載屋面積雪分布系數(shù)分別為0.2和0.8。結(jié)構(gòu)的軸力圖、剪力圖、彎矩圖如圖8所示。其中，軸力最大值為12.5 kN，軸向最大拉應(yīng)力為28.6 MPa，在新增橫梁取得。剪力的最大值為10.49 kN，最大剪應(yīng)力為24.0 MPa，在新增橫梁取得，軸力和剪力均滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算得可動(dòng)支撐桿1與2的軸心受壓構(gòu)件折減系數(shù)φ 分別為0.41、0.51，N／φ 分別為70.6、22.4 MPa，小于材料的屈服應(yīng)力，滿足穩(wěn)定條件。

2.2 電池板傾角為52°時(shí)受力校核

考慮了上述荷載作用下，電池板傾角為52°時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)、雪荷載屋面積雪分布系數(shù)分別為0.7和0。結(jié)構(gòu)的軸力圖，剪力圖，彎矩圖如圖9所示。其中，軸力的最大值為17.55 kN，為拉力，軸向最大拉應(yīng)力為51.3 MPa，在橫梁取得。剪力的最大值為17.52 kN，最大剪應(yīng)力為40.1 MPa，在前立柱底部取得。軸力和剪力均滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算得斜支撐桿與后立柱的軸心受壓構(gòu)件折減系數(shù)φ 分別為0.41、0.51，N／φ分別為63.9 MPa、41.0 MPa，小于材料的屈服應(yīng)力，滿足穩(wěn)定條件。

圖8 電池板傾角為28°時(shí)受力情況

圖9 電池板傾角為52°時(shí)受力情況

各個(gè)桿件按照原結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行受力分析結(jié)果如表1所示，可看出各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1 支架受力情況分析

3 結(jié)語

（1）從可調(diào)性來看，對太陽能電池板支架的傾角進(jìn)行調(diào)整是可行的。調(diào)節(jié)的原則是保證原電池板結(jié)構(gòu)不變及其支撐節(jié)點(diǎn)不變，支架的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式不變，結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式不變。

（2）從受力分析來看，本文計(jì)算采用的桿件參數(shù)與原結(jié)構(gòu)相似，計(jì)算結(jié)果表明，改造方案從受力來說是可行的。

（3）從經(jīng)濟(jì)分析方面考慮，改造設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將原斜支撐桿和后立柱改造為可動(dòng)支撐桿1和2。因此，改造方案中僅改變原節(jié)點(diǎn)的連接方式和增加了橫梁，投入不大，如果按0.5 a調(diào)節(jié)（2個(gè)傾角變化），發(fā)電量可以增加4.32%，如果季調(diào)調(diào)節(jié)（4個(gè)傾角），年發(fā)電量增加5.15%。