桁架式跟蹤支架技術(shù)在沉陷區(qū)光伏項(xiàng)目的應(yīng)用

胡永平，鐘 平，胡書(shū)平

（1.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 概述

內(nèi)蒙古烏海市采煤沉陷區(qū)國(guó)家先進(jìn)技術(shù)光伏電站示范基地作為國(guó)家能源局力推的礦山治理專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目，是利用廢棄礦山渣場(chǎng)進(jìn)行治理，變廢為寶，是國(guó)家推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型與環(huán)境治理結(jié)合的示范項(xiàng)目。

烏海示范基地項(xiàng)目采用全國(guó)范圍內(nèi)公開(kāi)招標(biāo)方式，經(jīng)過(guò)47家單位激烈角逐和權(quán)威專家評(píng)審，最終7家單位脫穎而出，五凌電力有限公司有幸中標(biāo)50 MW。五凌烏海項(xiàng)目場(chǎng)址位于海南區(qū)煤礦渣山，地塊分散高低錯(cuò)落，渣體填筑厚度從數(shù)十米至數(shù)百米，沉降極不均勻且不充分，很多區(qū)域存在地溫超過(guò)100°、自燃、強(qiáng)腐蝕等災(zāi)害性地質(zhì)問(wèn)題。其它各中標(biāo)項(xiàng)目也都有類似問(wèn)題，由于地質(zhì)情況復(fù)雜，傳統(tǒng)光伏支架與基礎(chǔ)技術(shù)已不能滿足該類場(chǎng)址要求，再加上競(jìng)爭(zhēng)電價(jià)很低，各中標(biāo)單位在中標(biāo)后，都陷入了徘徊和猶豫中，項(xiàng)目難以形成實(shí)際開(kāi)發(fā)。

光伏支架系統(tǒng)是本項(xiàng)目最大的難點(diǎn)，當(dāng)前光伏支架類型主要有固定支架、可調(diào)支架、平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架、雙軸跟蹤支架等?；A(chǔ)有地面條形基礎(chǔ)、鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)、砼樁基礎(chǔ)或螺旋鋼樁基礎(chǔ)等型式。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，山西省大同市領(lǐng)跑光伏項(xiàng)目場(chǎng)址同為采煤沉陷區(qū)，但與本項(xiàng)目存在很大差異，該項(xiàng)目場(chǎng)址均為井坑礦，光伏建設(shè)于原始地表，沒(méi)有腐蝕、自燃高溫和環(huán)境等問(wèn)題。陳艷[1]《大型光伏電站中不同支架方案比較分析》中對(duì)光伏支架的類型與對(duì)應(yīng)場(chǎng)址匹配進(jìn)行了比選，何銀濤[2]《斜單軸跟蹤支架方陣排布間距計(jì)算》對(duì)斜單軸支架做了技術(shù)分析。孟會(huì)芳[3]《采煤沉陷區(qū)新建光伏發(fā)電項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估》通過(guò)大同采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估，對(duì)該光伏項(xiàng)目場(chǎng)址存在地裂縫、地面塌陷、繼續(xù)開(kāi)采地質(zhì)災(zāi)害等宜采取采空區(qū)分類、地裂縫和塌陷及時(shí)回填，必要時(shí)注漿等治理隱患方案。付海玲[4]在《采煤沉陷區(qū)光伏電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析》、梁甜[5]《采煤塌陷區(qū)光伏支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考》中，均有針對(duì)性地對(duì)山西大同領(lǐng)跑者光伏項(xiàng)目沉陷區(qū)場(chǎng)址，提出了對(duì)支架和基礎(chǔ)等采取一定適應(yīng)變形能力的方案。該類研究對(duì)烏?；厥痉俄?xiàng)目有一定的參考意義。

為保證項(xiàng)目盡快實(shí)施，真正起到國(guó)家先機(jī)技術(shù)示范的作用，支架和基礎(chǔ)的技術(shù)研究十分關(guān)鍵。本文通過(guò)國(guó)內(nèi)多方調(diào)研分析，并與山東電力設(shè)計(jì)院有限公司、華為公司、江山同景股份有限公司等國(guó)內(nèi)行業(yè)知名單位進(jìn)行來(lái)回計(jì)算、試驗(yàn)、分析；同時(shí)為保證項(xiàng)目收益率，初設(shè)階段對(duì)組件及電纜同步進(jìn)行了一系列比選，經(jīng)過(guò)多輪方案調(diào)研、比選，最終確定壓塊式基礎(chǔ)+桁架式跟蹤支架+雙面雙玻組件方案，項(xiàng)目于2018年4月10日開(kāi)工建設(shè)，2018年6月30日8時(shí)18分成功并網(wǎng)發(fā)電，實(shí)際總裝機(jī)48.29 MW，30個(gè)方陣。

2 支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 桁架式支架

五凌烏海50 MW光伏項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)真正建設(shè)在煤礦渣山的領(lǐng)跑者項(xiàng)目，項(xiàng)目地存在不均勻沉降、強(qiáng)腐蝕及高溫地質(zhì)、高邊坡等問(wèn)題，影響項(xiàng)目的造價(jià)和收益率，如何解決上述問(wèn)題成了這個(gè)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的光伏支架基礎(chǔ)無(wú)論是樁基礎(chǔ)或是條形基礎(chǔ)均埋于地下，均不適用于該項(xiàng)目地質(zhì)情況。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研多方查找，桁架式斜單軸支架及跟蹤系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)場(chǎng)的主要問(wèn)題。結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 桁架式支架結(jié)構(gòu)圖

桁架式斜單軸支架其最大的特點(diǎn)是壓塊式基礎(chǔ)及桁架式結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)適應(yīng)雙面雙玻組件。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）單軸智能跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電量提升15%以上；

（2）針對(duì)地層高溫情況，將支架旋轉(zhuǎn)中心高設(shè)定為2.15 m，增加地表通風(fēng)空間，降低了溫度；地面用黃土進(jìn)行覆蓋，既隔斷了地溫又增加了反光率，提高發(fā)電效率；線纜敷設(shè)采用架空橋架，沿預(yù)制水泥塊上部敷設(shè)，避免采用地埋敷設(shè)對(duì)線纜造成安全隱患；

（3）所有支架均有鋼梁連接，形成桁架式結(jié)構(gòu)。使整個(gè)光伏陣列“以點(diǎn)成面”形成漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為一體，增加支架穩(wěn)定性。有效解決了局部不均勻沉降及高邊坡垮塌風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的隱患；

（4）采用單塊光伏板設(shè)計(jì)，受風(fēng)面積更小，抗風(fēng)能力更好；調(diào)至最佳安全位置可抵御大風(fēng)、大雪、冰雹等惡劣天氣；

（5）斜單軸跟蹤支架設(shè)計(jì)為桁架結(jié)構(gòu)，陣列內(nèi)受力均勻。由于支架為桁架結(jié)構(gòu)，每軸單獨(dú)支架受力均由整個(gè)陣列承擔(dān)，大大降低壓塊式水泥塊橫向受力要求；

（6）安全可靠（抗風(fēng)、防水、防雷）：①單軸跟蹤系統(tǒng)可以在冰雪、冰雹、大風(fēng)環(huán)境下，自動(dòng)調(diào)節(jié)至最優(yōu)安全模式，避免外力對(duì)光伏組件的傷害，防止隱裂；②線纜架空布置結(jié)構(gòu)，徹底防止了動(dòng)物、蟲(chóng)類、雨水、地質(zhì)變異等對(duì)線纜的傷害；③控制系統(tǒng)及組串式逆變器均吊裝在單軸支架1.2 m左右處位置，降低了水汽、洪水等對(duì)地面電站的傷害；④采用了集中網(wǎng)格防雷技術(shù)，有效地防止雷擊； ⑤支架與光伏組件連接采用專用支架接地線（BVR16 mm2，兩頭帶OT10-8，0.4 m）接地。

2.2 壓塊式基礎(chǔ)

因本項(xiàng)目地處渣山平臺(tái)，根據(jù)有限元計(jì)算方陣外部與內(nèi)部的風(fēng)壓值處于下風(fēng)向，后排的支架由于前排支架的遮擋效應(yīng)，風(fēng)荷載和風(fēng)速值會(huì)降低，折減系數(shù)如表1取值：

表1 風(fēng)荷載折減系數(shù)

內(nèi)圍支架風(fēng)壓按照0.65折減系數(shù)分析，壓塊基礎(chǔ)布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地塊位置，風(fēng)荷載因素分為3種規(guī)格：500 kg330 kg180 kg，獨(dú)立地塊及風(fēng)荷載大區(qū)域基礎(chǔ)全部采用500 kg水泥塊，外圍兩排采用500 kg配重水泥塊，內(nèi)圍根據(jù)海拔高差系數(shù)比采用2種配重，采用330 kg或180 kg水泥塊。支架基礎(chǔ)采用壓塊式預(yù)制水泥塊，僅底面與地表接觸（水泥壓塊與地面接觸面積為光伏陣列面積的 1.36%），既減少了對(duì)基礎(chǔ)腐蝕的接觸面，又可以隨時(shí)移走不破壞土地。壓塊式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不用開(kāi)挖土地，移走后地下無(wú)殘留物，不破壞土地性質(zhì)，有利于土地的恢復(fù)。

2.3 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)

2.3.1 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

斜單軸跟蹤系統(tǒng)是指組件帶傾角安裝在南北向水平放置的主軸上，該主軸可根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡，按照設(shè)計(jì)跟蹤角度對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行東西方向跟蹤，盡量使太陽(yáng)光入射角度與光伏組件垂直，提高光伏組件接收太陽(yáng)輻照量，進(jìn)而提高發(fā)電量的跟蹤系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間、日期和時(shí)鐘，結(jié)合經(jīng)緯度自動(dòng)計(jì)算出太陽(yáng)所在高度角，通過(guò)傳感器反饋的光伏組件實(shí)際角度與太陽(yáng)所在角度比較。發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)光伏組件跟蹤太陽(yáng)角度。當(dāng)太陽(yáng)轉(zhuǎn)角在東45°到西45°之間光伏正常跟蹤太陽(yáng)。其余時(shí)間啟用反跟蹤算法（即在不產(chǎn)生陰影的情況下光伏板以最大接受太陽(yáng)輻射面積的角度來(lái)跟蹤太陽(yáng)）。

2.3.2 反跟蹤自動(dòng)控制

通常光伏跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行在早上太陽(yáng)升起和下午太陽(yáng)落山的部分時(shí)間里，由于太陽(yáng)高度較低，因此光伏陣列間會(huì)產(chǎn)生陰影遮擋，造成發(fā)電量損失，而電量損失的多少和陣列間距以及緯度相關(guān)。一般跟蹤器是跟隨太陽(yáng)運(yùn)行軌跡進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，而反跟蹤技術(shù)，顧名思義是反方向進(jìn)行跟蹤。

斜單軸的反跟蹤技術(shù)，是由控制系統(tǒng)根據(jù)組件間距、陣列尺寸以及太陽(yáng)高度角斷定，以確保組件沒(méi)有陰影遮擋。反跟蹤的啟動(dòng)時(shí)間根據(jù)太陽(yáng)轉(zhuǎn)角計(jì)算，每天均有變化。

光伏系統(tǒng)在設(shè)計(jì)間距時(shí)，都會(huì)面臨光伏發(fā)電量和占地面積的抉擇問(wèn)題，反跟蹤技術(shù)在減少陣列間距的同時(shí)，又能使光伏陣列間沒(méi)有遮擋，在提高土地利用率和增加發(fā)電效率之間找到了最佳的平衡。

2.3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)控制模式

控制器可設(shè)置跟蹤、大雪、測(cè)試3種連續(xù)運(yùn)行模式，平放、向東、向西、保護(hù)4種位置命令。

根據(jù)當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度、正南夾角、設(shè)置最大跟蹤角度等參數(shù)實(shí)時(shí)連續(xù)計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)高度角、轉(zhuǎn)角、架子轉(zhuǎn)角，控制架子轉(zhuǎn)動(dòng)使光伏板始終正對(duì)太陽(yáng)直射，獲得最大光照。

由于太陽(yáng)光直射角度變化非常緩慢，支架調(diào)節(jié)較快，控制算法采用間隙控制，角度差約每±2°開(kāi)始跟蹤控制，角度差約±0.2°時(shí)停止。約10 min左右控制1次。

當(dāng)大雪或冰凍來(lái)臨時(shí)，光伏陣列停止跟蹤運(yùn)行，將支架東西向跟蹤角度調(diào)整為 0°，進(jìn)入保護(hù)模式，且在下雪、融雪、解凍過(guò)程中不允許跟蹤，確保整個(gè)光伏陣列所受風(fēng)荷載最小。

3 發(fā)電量模擬對(duì)比

使用光伏行業(yè)中較通用的 PVsyst 軟件，對(duì)固定發(fā)電系統(tǒng)、斜單軸發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全年發(fā)電量模擬并對(duì)比，用以說(shuō)明帶有反跟蹤系統(tǒng)的斜單軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量提升。

設(shè)定情況后，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置兩個(gè)系統(tǒng)，即可對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行輻照量模擬。

為方便比較，本次模擬兩種支架均使用1 MW陣列，后面的發(fā)電量計(jì)算結(jié)果也使用1 MW陣列來(lái)做比較。

通過(guò)計(jì)算，可得五凌烏海50 MW發(fā)電項(xiàng)目輻照量數(shù)據(jù)如表2。

表2 斜單軸與固定架輻照量對(duì)比表

綜合各方面因素影響，該項(xiàng)目地使用斜單軸跟蹤系統(tǒng)，發(fā)電量較固定支架理論提升16.1%。斜單軸跟蹤支架有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，故電站除了與固定架類似的日常運(yùn)維工作外，還需要增加一些與跟蹤系統(tǒng)相關(guān)的維護(hù)工作，而只要跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠，實(shí)際運(yùn)維成本并不會(huì)有太多增加，考慮到斜單軸支架比固定架提升的輻照量巨大，電站實(shí)際的投入回報(bào)比非?？捎^。

4 結(jié)論

五凌烏海領(lǐng)跑者光伏項(xiàng)目采用桁架式斜單軸跟蹤支架系統(tǒng)有效解決了場(chǎng)址不均勻沉降、強(qiáng)腐蝕及高溫等地質(zhì)問(wèn)題，配套雙面雙玻組件提高了項(xiàng)目收益率，是國(guó)內(nèi)首個(gè)真正建設(shè)在煤礦渣山的領(lǐng)跑者項(xiàng)目，在同類場(chǎng)址中有著很強(qiáng)示范作用。該項(xiàng)目實(shí)施，使內(nèi)蒙古烏海采煤沉陷區(qū)由"包袱"變成"財(cái)富"，產(chǎn)業(yè)由"地下"轉(zhuǎn)到"地上"，發(fā)展方式由"黑色"變成"綠色"。一排排鱗次櫛比的光伏組件，不僅是對(duì)煤礦渣山土地有效利用，更是清潔能源對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)作出的巨大貢獻(xiàn)。