大型光伏电站支架结构的优化设计分析

大型光伏电站支架结构的优化设计分析

陈晓军

珠海兴业新能源科技有限公司519085

摘要：目前光伏电站广泛应用的钢制螺旋地锚基础、微孔灌注桩基础、机械成孔钢管地锚基础、预应力管桩基础、钢筋混凝土独立基础等光伏支架基础为对象，对比分析其在基础型式及尺寸、受力特点、材料及制造工艺、适用地质条件、施工工艺、施工环境及设备、人力要求、施工成本、环境保护等方面的不同特点，并以不同地质条件下典型光伏电站支架基础选型实践，探讨根据不同项目特点的支架基础型式选型思路，为光伏电站设计及工程建设实践提供借鉴。

关键词：支架基础；对比选型；光伏电站

在光伏电站中，组件的支架形式会影响组件接收的太阳辐射量，进而影响光伏电站的发电量；另外不同形式的支架将对光伏电站的建设用地有很大影响；而且不同形式支架的成本也有较大差别。支架选型对光伏电站的经济指标、建设用地指标和建设规模都有很大影响。本文对不同支架形式的电站的占地面积、发电量和投资收益进行比较分析，讨论不同形式支架的应用推广的前景。

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［6］，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。

根据已建工程调研数据，若采用斜单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约18%，若采用双轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约25%。在此条件下，以固定安装式为基准，对光伏阵列采用3种运行方式比较如表1。

固定式支架通常有一定的倾角，安装倾角的最佳选择取决于诸多因素，如地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例和特定的场地条件等。最佳安装倾角可采用专业系统设计软件进行优化设计来确定，它应是系统全年发电量最大时的倾角。

水平单轴跟踪支架，通过其在东西方向上的旋转，以保证每一时刻太阳光与太阳电池板面的法线夹角为最小值，以此来获得较大的发电量。倾斜单轴跟踪支架，是在固定太阳电池面板倾角的基础上，围绕该倾斜的轴旋转追踪太阳方位角，以便接受更多的太阳辐射量。

双轴跟踪支架，通过其对太阳光线的实时跟踪，以保证每一时刻太阳光线都与太阳电池板面垂直，以此来获得最大的发电量。一般而言，采用跟踪支架的光伏电站发电量增益明显，但是占地面积大，支架的造价高，运营维护成本高，而且在不同的纬度地区，跟踪支架对发电量的增益效果也存在一定差别，综合考虑以上因素，在现阶段固定支架和跟踪支架不存在决定的优劣之分，跟踪支架的性价比不见得高，在实际情况中应针对具体的项目进行分析比对，选择最优的支架方案。

在国内电价政策和市场经济的推动下，2011年国内光伏电站安装容量超过3GWp，其中超过90%的光伏电站都是采用固定支架安装，为数不多的几个电站选用平单轴和斜单轴跟踪支架，而双轴跟踪支架还有大规模示范应用。考虑目前实际使用情况，下面对固定支架、平单轴跟踪支架和斜单轴跟踪支架进行重点分析比较。

3.光伏支架基础型式对比分析

目前广泛应用的光伏支架基础型式主要有钢制螺旋地锚基础、微孔灌注桩基础、机械成孔钢管地锚基础、预应力管桩基础、钢筋混凝土独立基础。本文从基础型式及尺寸、受力特点、材料及制造工艺、适用的地质条件、施工工艺、施工环境及设备、人力要求、施工成本、环境保护等各个方面对目前应用较为广泛的各类光伏支架基础进行全方位的对比分析，以便在工程实践中根据不同的项目特点，可选择合适的基础型式，保证光伏电站性能及经济效益最大化。

3.1钢制螺旋地锚基础

1）基础型式及尺寸：在钢制地锚钢管上以一定螺距、倾角焊接一定数量和直径的叶片，形成螺旋型桩体。根据有无外伸叶片和叶片的连续性，钢制地锚可分为无外伸叶片、连续螺旋叶片、间断双层螺旋叶片、间断多层螺旋叶片钢制地锚。钢制地锚钢管壁厚应≥4mm；螺旋叶片钢制地锚的叶片外伸宽度≥20mm时，叶片厚度应>5mm；当叶片宽度<20mm时，叶片厚度应≥2mm。

2）受力特点：打桩机通过对桩头施加扭矩形成竖向力下旋成桩，桩体强度高且桩尖形成扩大头，有效提高了单桩承载力。压桩后桩身具有高负荷性、稳固性、抗沉降性及抗拉拔性等性能特点。

3）材料及制造工艺：桩身采用热镀锌防腐工艺，延长螺旋桩使用寿命；加工工艺较为复杂，需要进行切割、加热、缩管、螺旋片焊接、冲孔、镀锌等，桩身质量可靠。螺旋桩直径及桩长受到产品工艺限制，当基础荷载超出螺旋桩产品承载力范围时，一般不采用螺旋桩基础。

3.2微孔灌注桩基础

1）基础型式及尺寸：桩身呈圆柱体，桩芯直径多为200～400mm之间，根据上部支架荷载、岩层分布、桩侧岩（土）层摩阻力特征值、冻土层厚度等确定桩身长度。

2）受力特点：混凝土桩芯抗压承载力，辅以沿周向布置的纵筋增强其抗拉拔性能和沿高度方向布置的螺旋箍筋增强其抗剪性能。

3）材料及制造工艺：纵筋和螺旋箍筋组成的钢筋笼多为现场工棚批量制作，混凝土桩芯采用现场浇筑，并采取必要的养护措施。

4）适用的地质条件：适用于粘性土、粉土、季节性冻土、膨胀土、密实砂土、松散～中密碎石土等。

3.3机械成孔钢管地锚基础

1）基础型式及尺寸：桩身形状与微孔灌注桩类似，但受成孔机械限制，桩芯直径较小，多为90～150mm之间。桩身成孔深度一般不超过2m。

2）受力特点：孔内填充的素混凝土承载上部支架传导下来的荷载。镀锌钢管通过沿其主受力方向焊接下引至桩身底部带肋钢筋的方式，增加与混凝土的接触面积，有效提高基础的抗拔性能。

3）材料及制造工艺：桩身采用素混凝土浇筑，桩身内含镀锌钢管，钢管埋入基础一定深度，与桩身有效锚固。镀锌钢管为工厂批量预制件，桩身混凝土为现场浇筑。

结论

跟踪支架可以明显提高大型光伏电站的发电量，但是综合跟踪支架的成本增加、安全可靠性及占地面积等因素，其实用性大打折扣。平单轴跟踪支架成本增加略低，对于低纬度地区光伏电站发电量增益更为明显，占地面积增加不大，但是综合其可靠稳定性等因素，对电站的投资收益率几乎没有增益，提高其可靠稳定性是其推广应用的基础；小倾角斜单轴跟踪支架成本增加略高，发电量较高，占地面积增加不大，其运维成本和安全可靠性与平单轴跟踪支架相当，对电站的投资收益率有较大增益，应用潜力很大；最佳倾角斜单轴跟踪支架的发电量增益最大，对电站的投资收益率增益最大，但是其占地面积太大，而且考虑到稳定可靠性，推广前景很小。

参考文献：

[1]赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化，2011（12）.

[2]赵春江，杨金焕，陈中华，等.太阳能光伏发电应用的现状与前景[J].节能技术，2007（5）.

[3]李天下.太阳能光伏支架系统的应用[J].中国建设动态：阳光能源，2010（5）