关键词：光伏电站；光伏支架；自适应；面板可折叠；追光模式；载荷；仿真分析
引言
随着一次能源的枯竭及生态环境的不断恶化，人们越来越重视研究与开发可再生能源，太阳能作为地球上最主要的能量来源，具有取之不尽、绿色环保、安全可靠等特点，且已成为未来新能源发展的重点。光伏电池发电是目前太阳能利用最有效的途径，而硅太阳能电池是应用最广泛的光伏电池，单晶硅电池的最高效率已经达到２４．４％。据预测，２０２０年太阳能在人类的能耗比重可达１０％，而２０５０年，太阳能占比将达５０％。某市作为我国重要的滨海城市，是我国东部沿海重要的经济中心和港口城市。近年来，某市政府高度重视生态环境的保护工作，并且采取了很多措施来改善环境，但工业污染仍然得不到有效解决。加强太阳能的开发利用，不仅可以改变能耗结构，而且还可以解决交通与能耗行业对环境的污染问题，同时能创造更大的经济效益，促进某市经济的可持续发展。因此，本文基于某市特殊的气候环境，对某并网式太阳能光伏电站的基本结构进行设计。在满足太阳能电池板获得最大日太阳光辐射量的条件下，设计出太阳能电池板支架，同时参考某市百年最大风力４４．２ｍ／ｓ求出风载，并对光伏支架进行静力学分析及结构优化，优化后变形和应力大幅降低，并且满足支架强度要求。该研究为某建设太阳能光伏电站提供了非常重要的参考价值。
1支架运行方式概述
目前大部分光伏发电行业设计的支架运行方式有固定式、单轴跟踪式和双轴跟踪式3种，其中单轴跟踪式只有一个旋转自由度即每日从东往西跟踪太阳的轨迹;双轴跟踪式具有两个旋转自由度，可以通过适时改变方位角和倾角来跟踪太阳轨迹。跟踪支架其优势在于年平均利用时数高，但价格昂贵，技术要求较高。对于自动跟踪式，其倾斜面上能最大程度的接收太阳能总辐射量，从而增加发电量。经初步计算，水平单轴跟踪方式，系统理论发电量可提高15%～20%(与固定式比较);若采用斜单轴跟踪方式，系统理论发电量可提高25%～30%(与固定式比较);若采用双轴跟踪方式，系统理论发电量可提高30%～50%(与固定式比较)。然而实际工程中效率往往比理论值小，其原因有很多，例如:太阳能电池组件间的相互投射阴影，跟踪支架运行难于同步等。
2光伏支架结构设计
2.1光伏支架追光策略
传统光伏支架追光策略目前主要有程序式追光策略和光电式追光策略2种。充分考虑到这2种追光模式存在的利与弊，本文拟采取光电式与程序式混合的追光模式来检测太阳光的高度和方位。这种混合式追光模式可以解决程序式追光固有的累计偏差问题，也可处理光电式追光存在的不稳定性等问题，在确保追光系统精度的同时，还具有较高的稳定性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其主要工作过程是：1）通电，对追光系统进行初始化设置；2）检测该时间是白天还是夜晚，假如检测结果为夜晚，则整个系统不工作，如果检测结果为白天，则系统调取1次太阳光位置计算程序，进行一轮粗略的调节，让光电传感器接收光照；3）检测是阴天还是晴天气候，如果是晴天气候，就将追光模式切换到光电式追光模式，如果是阴天气候，再继续进行程序式追光模式。
2.2钢制地锚基础
钢制地锚基础是一种较常规基础更为新颖的基础形式，其主体结构为一钢管，钢管周边焊接有螺纹状的叶片，施工时利用专门机具旋转钻入土中，施工速度较快。其受力特点是利用其叶片上覆土重、土自身的剪切力及其与土的摩擦力抵抗支架的上拔荷载，利用桩周土的嵌固作用抵抗水平力。因此，利用此种基础形式要求土具有较高的密实度；且因其施工的特殊性，主要运用于地形较为平坦、土层或强风化岩石层较厚的区域。若地形坡度较大，则因施工机具的限制可导致基础定位偏差较大；而土层密实度较小又可导致其水平承载力不足；另外，如土层内岩石较多或有下覆基岩，则无法打入土层内，可导致地锚在钻进过程中被破坏。
2.3光伏电站结构设计
依据某市特殊的海洋性气候，设计某并网式太阳能光伏电站。光伏并网发电系统是集并网运行、最大功率点跟踪（ｍａｘｉ－ｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）、孤岛检测于一体的复杂的实时控制系统，并网光伏发电系统最大的特点是并网运行，并网运行的光伏电站发电可直接输送到电网上，因此光伏并网发电系统最主要的部件之一就是逆变器；太阳能电池板在工作时，由于光照强度、环境温度等不同，其工作电压、发电功率将发生变化，为了提高太阳能电池板发电效率，需要对太阳能电池板进行最大功率点跟踪控制，使太阳能电池板时刻工作在其最大功率点；防孤岛检测是在电网发生故障停止供电时，防止光伏电站单独运转并依然向电网供电。
2.4上部支架选型方案
上部支架方案的选择关键在于需要有行之有效的措施调节东西向基础可能存在的不均匀沉降，而目前行业中普遍使用的多跨布置方案采用的是多跨连续梁的结构形式，无法设置可调节的构件用于调节基础间的不均匀沉降。而采用双立柱单跨布置方案’上部结构采用简支梁的结构形式，通过在立柱与斜梁的连接处设置双向转动可调转向件，利用此种连接方式既可以调节施工过程中的误差，又可以调节东西向不均匀沉降差。
3光伏支架机械结构仿真计算
光伏支架机械结构主要由立柱、光伏面板支撑桁架、太阳方位角追光机构、太阳高度角追光机构等组成，相互之间通过法兰盘用螺栓进行连接。通过三维设计软件Solidworks对光伏支架机械结构进行整体建模。其中，立柱为圆管，材料采用Q235钢；光伏面板支撑桁架采用铝合金型材；太阳方位角追光机构与太阳高度角追光机构采用6061铝合金材料。
结语
针对传统光伏支架抗强风能力差、发电效率不高的问题，提出了一种具有智能追光、主动避风功能的自适应光伏支架。仿真分析表明，该光伏支架可满足12级风载的强度，一阶频率为9.84Hz，远远高于风的振动频率，不容易产生共振而破坏，具有较好的稳定性。该自适应光伏支架可应用于海南省这种强风自然环境的省份，对其他省份也有重要的借鉴意义。
参考文献
［1］明杰,刘志璋,王平.无地基状态下光伏支架的稳定性测试[J].太阳能学报,2012,33(12):2068-2073.
［2］窦伟,许洪华,李晶.跟踪式光伏发电系统研究[J].太阳能学报,2007,28(2):169-173.
［3］谢文韬.太阳能光伏发电双轴跟踪的轨迹设计与控制[J].能源与节能,2015(6):78-82.
论文作者:王凯冉
论文发表刊物:《中国电业》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/24
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