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場站電池組件采用支架安裝，支架結構可分為固定式和跟蹤式等種類[14,15]。固定式又可分為傾角固定支架和傾角可調固定支架兩種。跟蹤式又可分為平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架（也稱傾維度角單軸跟蹤支架）和雙軸跟蹤支架[15]。組件的規格和安裝方式對其清潔有重要影響，而且地形對組件安裝影響很大，光伏組件陣列形貌復雜，會對表面清潔造成較大影響。本節重點討論光伏組件的安裝方式。

1.3.1　固定式安裝方式

1. 傾角固定支架安裝方式為使光伏組件能夠接受最大的光照輻射，通常被設計成與水平面成一定傾斜角度，因此光伏組件及其支架系統需要承受一定風載，并保證使用壽命。當前，傾角固定安裝方式是并網大型光伏電站最廣泛的安裝方式。其支架結構如圖1.10所示，主要由前立柱、后立柱、支撐、主梁和次梁構成[16]。其中，次梁為橫梁，支架前立柱高度為0.2～0.5m，主梁與地面傾角為30°～36°，后立柱高度根據電池板尺寸設計。地面光伏電站常見的光伏組件排列方式有兩種，即豎向雙層光伏組件排列和橫向四層光伏組件排列，如圖1.11所示。以尺寸規格為1956×992×40mm的光伏組件為例，在相同的長度范圍內，兩種排列方式容納的組件塊數相同。組件陣列安裝過程中，前后陣列間（北半球一般南北方向上）要留出合適的間距B，以免出現陰影遮擋。一般按照冬至日9:00—15:00保證前后無陰影遮擋，來計算組件方陣安裝的前后最小間距B，如式（1.1）。

[插圖]式中，?為當地緯度（北半球為正，南半球為負）；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為-23.5°；ω為時角，上午9:00的時角為45°；H為光伏陣列或遮擋物最高點與后排可能被遮擋組件高度差，一般就是組件距地面高度與地面支撐高度之差HH-HL。

圖1.10　傾角固定支架結構

圖1.11　兩種光伏組件排列方式

圖1.12和圖1.13所示為格爾木地區傾角固定豎向兩層和橫向四層兩種安裝方式的實景。早期施工的光伏電站，多采用圖1.12或圖1.13中的傾角固定安裝方式，一般地面在施工前找平，光伏支架規格統一，支架頂端距離地面約為2.5m。從圖1.12可以看出，光伏陣列表面較為平整，基本保持水平，每個陣列約容納40～80塊電池板，長度為20～50m。常規的傾角固定安裝方式，在地面較為平整、支架規格統一的情況下，無論是人工還是機械清潔都比較方便。

圖1.12　格爾木現場豎向雙層組件安裝方式

圖1.13　格爾木現場橫向四層組件安裝方式

在青海共和地區，風沙相對較小，光伏支架規模更大，橫向安裝有五層，如圖1.14（a）所示，甚至達到更高，支架總高度可達4.5m。隨著場站數量增多，平整的戈壁灘已完全利用，光伏組件需要安裝在不平整的地面，因此支架規格不再統一，通過調整前立柱和后立柱的高度適應地面，以達到光伏陣列局部平整，如圖1.14（b）所示。對于許多山區、丘陵地帶，適應地面安裝是比較普遍的，如山西芮城，河北承德、平山等地。對于高度超過4m時，人工清潔需要加裝很高的梯子才能對上面的電池板進行清潔，機械清潔對機械臂的剛性要求也較高。對于地面不平、地貌復雜的陣列，無論對人工清潔還是機械清潔都是挑戰。

圖1.14　兩種特殊情況的安裝方式

2. 傾角可調固定支架安裝方式為了提高太陽光直射吸收，定期調節支架傾斜角來提高發電量。在傾角固定式支架的基礎上，加上鉸鏈、齒輪齒條、液壓或千斤頂等傳動機構就可實現傾斜角度可調。定期調節，通常是一段時間才調節一次，主要有月調式（每月調一次）、季調式（每季度調一次）和半年調式（每半年調一次）等方案形式[15]。青海剛察地區采用月調式，以2°為單位調節，調節范圍為4°～66°。月調式春、夏、秋、冬四季的傾角分別為28°、10°、52°、62°。半年調式則當年11月至次年4月傾角為58°，5月至10月傾角為20°[15]。在高緯度、高海拔地區，且土地使用無償或出讓費極少的地區，建議采用可調支架（一年調整4次）安裝方式[17]。青海大部分地區處于高海拔荒漠地區，采用分季調節方案。以格爾木地區為例，大唐國際格爾木光伏電站所采用的分季可調支架結構如圖1.15所示[18]。

圖1.15　大唐國際格爾木光伏電站分季可調支架結構

該支架主要靠圖中的圓弧式調梁來擋位式調節光伏組件的傾角。調節角度定為4°、33°和50°，3、4、9月調節角度為33°，5—8月調節角度為4°，10—12、1、2月調節角度為50°。一組支架的調節過程為8套螺栓的松開、取下、重新安裝緊固，過程較為方便。與圓弧式可調支架類似，對固定支架做機構改進的還有推拉桿式可調支架，如圖1.16所示。

圖1.16　圓弧式和推拉桿式傾角可調支架

圓弧式除了固定孔外，也可使用齒輪齒條實現無級變速，整組支架可實現聯動。更復雜的可以在陣列一端加載伺服電機，實現每天定時調節的功能。推拉桿式，其調節點既可設置在圖1.16（b）中的底部滑軌上，也可設置在光伏組件背面的斜梁上[19]。使用齒條結構或滑道結構即可實現自動調節功能，當然也會增加安裝和維護成本。除了支架上的改進外，也可加上千斤頂或液壓泵來驅動支架運動[20]，如圖1.17所示[插圖]。千斤頂和液壓驅動更易于實現自動調節，即使人工調節也是省力省工的，但千斤頂和液壓機構會造成額外的成本。

圖1.17　千斤頂和液壓式傾角可調支架

傾角可調式光伏陣列系統與傾角固定式相比，可提高約5%的發電量。根據大唐國際格爾木二期10MW傾角可調式電站經驗，1年可增加發電量約1×106 kW·h，1年就可收回投資成本，每年增加人工成本約15萬元，而增加利潤達85萬元，按照25年計算可增加收入約2000萬元[18][插圖]。傾角可調固定安裝方式實現整組支架聯動調節，對地基和支架剛度要求都較高，當然電池板陣列表面也相對平整規范，而且由于傾角調節要求，支架整體高度不會太高，這些對清潔維護都是利好的。但在清潔過程中，尤其采用水或清潔劑時必然會噴淋到支架系統，對調節機構有很大影響。而從清潔維護角度看，傾角可調支架也較易維護，更適合于高海拔荒漠地區。

1.3.2　跟蹤式安裝方式日光在一年和一天中都是不斷變化的，電池板跟隨日光走向，更利于吸收光線，提高光電轉化率。根據跟蹤方式的不同，跟蹤式地面支架可以分為斜單軸跟蹤、平單軸跟蹤和雙軸跟蹤3種方式。平單軸和斜單軸跟蹤支架只有一個旋轉自由度，雙軸跟蹤支架具有兩個旋轉自由度。跟蹤式支架系統主要通過電機控制追蹤太陽高度角和方位角，使其傾斜面上吸收太陽光線輻射。單軸跟蹤和雙軸跟蹤比傾角固定式吸收的輻照量高約22%和25%[21]，地區不同可能會有些差異。相比于固定安裝方式，采用單軸跟蹤支架安裝組件，發電量可提高約15%，采用雙軸跟蹤支架安裝組件，發電量可提高約30%[15]，而在高海拔地區單軸跟蹤可將發電量提高約30%，雙軸跟蹤可提高約40%，但由于風沙大、故障率高，維護成本增大[18]。發電量提高的同時，跟蹤支架系統的建設投資也隨之增加約22%，同時設備故障率也大大提高，運營維護成本也相應增加約10%，電站用地面積也是傾角固定式的2倍[17]。跟蹤式支架系統較固定式更為分散，而且支架機械結構復雜，對清潔維護造成很大影響來源本書由電子工業出版社有限公司授權微信讀書進行制作與發行

1. 平單軸跟蹤支架安裝方式單軸跟蹤支架運行時陣列只能跟蹤太陽運行的方位角或高度角中的一個方向。旋轉軸可以水平南北向放置、水平東西向放置、地平面垂直放置或按所在地緯度角傾斜布置等[20]。平單軸跟蹤支架通過在東西方向上的旋轉，保證每一時刻太陽光與光伏組件表面的法線夾角最小[22]，其結構如圖1.18所示[插圖]。青藏高原春季風沙大，光伏支架需要更高的抗風性能和剛度，可采用雙主梁平單軸光伏支架系統，即在圖1.18中增加雙梁來提高旋轉軸的剛度[23]。

圖1.18　平單軸跟蹤支架結構

平單軸跟蹤支架系統廣泛應用于低緯度地區。根據南北方向有無傾角可分為標準平單軸跟蹤式和帶傾角平單軸跟蹤式，如圖1.19所示。標準平單軸跟蹤與傾角可調固定式的區別就在于調節周期，固定式調節周期長，標準平單軸跟蹤的調節頻率高，一天之內根據光線照射方向而調節。從清潔的角度看，與傾角可調固定式陣列是一致的，只是機構復雜易導致故障。而帶傾角的平單軸跟蹤式分布散開，且陣列規模小，清潔過程需要有大型移動車來保障。

圖1.19　平單軸跟蹤光伏支架

2. 斜單軸跟蹤支架安裝方式斜單軸跟蹤支架是在固定太陽能電池板傾斜角的基礎上，圍繞傾斜的旋轉軸旋轉跟蹤太陽方位角，達到最大接收輻照量的目標。嚴格地說，平單軸就是斜單軸的一種特殊形式。圖1.20所示為典型的斜單軸跟蹤支架結構。這種獨立的斜單軸跟蹤支架系統采用分散布局，陣列中光伏組件少則4塊，多則12塊，甚至20塊。圖1.21（a）和（b）的斜單軸陣列分別有10塊和12塊電池板。這種安裝方式，陣列較為分散，占地面積較大。由于斜單軸方式僅由一根旋轉軸支撐，因此抗風性能較差。這種分散的陣列結構對清潔維護也產生很大影響，很難采用固定在其表面的清潔機構來直接清潔，需要帶有一定臂長的大型車輛來輔助清潔。而大型的接觸式的清潔器也很難勝任其清潔任務，原因在于斜單軸系統整體剛性偏弱，容易造成陣列損毀。為節約場地，實現最大經濟價值，開發出了斜單軸陣列聯動機構，其支架結構如圖1.22所示。這種結構相對簡單，安裝維護方便，成本降低，配合電動推桿和聯動推桿，就可實現多組陣列聯動跟蹤。盡管實現了機構聯動，但不能實現多陣列平面一致，因此清潔維護依然無法連續進行。

圖1.20　斜單軸跟蹤支架結構

圖1.21　兩種斜單軸跟蹤式陣列

圖1.22　斜單軸陣列聯動支架結構

為了更好地發揮斜單軸跟蹤系統優勢，傾斜角可調的斜單軸跟蹤系統也被設計和開發出來，與普通斜單軸跟蹤系統相比，其支架結構較為復雜，如圖1.23所示[24]。圖1.23（a）可實現單側傾斜角的調整，圖1.23（b）可實現雙側傾斜角的調整，相較于普通斜單軸而言，通過伸縮調節桿調整后立柱高度，實現傾斜角調節功能。為了實現這一功能，增加了多個調節桿、鉸鏈等機構，結構變得更加復雜，進一步降低了支架系統的剛性和抗風性能。上述兩種結構也可以通過電動桿方式實現聯動。但傾斜角可調節機構的安裝、調節、加工、維護成本都大大提高，對于風沙較大的高海拔荒漠地區，調節工作量增大，跟蹤故障率高，可靠性低，很難在電站中規模化使用[24]。

圖1.23　兩種可聯動的斜單軸跟蹤支架結構

對組件清潔工作而言，無論是常規斜單軸還是聯動斜單軸跟蹤系統，由于電池板角度特殊，而且陣列散開，結構剛性低，支架傳動系統復雜，無法通過加載軌道實現固定爬行機器人對其進行清潔維護。而大型清潔車輛，也很難采用機械接觸式對其進行清潔，容易造成陣列損毀。比較可行的方式就是通過大型工程車載水罐和射流裝置，對其進行噴淋清潔。盡管水射流方式可采用遙噴淋方法，但對支架系統的傳動機構會產生一定影響。

3. 雙軸跟蹤支架安裝方式雙軸跟蹤支架是通過對太陽光線的實時跟蹤，保證每一時刻太陽光線與電池板表面垂直，以實現最大發電量。雙軸跟蹤系統分為高度角跟蹤和方位角跟蹤。目前雙軸跟蹤光伏支架多采用臥式蝸輪蝸桿電機減速機實現網面水平旋轉，俯仰系統驅動多采用鏈條、推桿式或立式蝸輪蝸桿電機減速機[25]，其支架結構如圖1.24所示。圖1.24中，底部是一個固定不動的立柱，立柱頂部是由小桁架組成的能夠旋轉和俯仰運動的鋼桁架結構，鋼桁架結構表面安裝光伏組件。雙軸跟蹤系統的整個結構分為三個部分：控制器、雙軸跟蹤機械結構和光伏組件[26]。其機械結構一般采用齒輪傳動機構帶動光伏陣列實現方位角跟蹤，同時通過推桿推動光伏陣列翻轉實現高度角跟蹤。

圖1.24　雙軸跟蹤支架機構

除了蝸輪蝸桿式的驅動機構，也有液壓式驅動的雙軸跟蹤支架系統，其結構如圖1.25（a）所示。圖1.25（b）所示為在雙軸跟蹤支架上安裝的光伏電站。從圖1.25（a）可以看到，采用液壓缸驅動組件豎直維度的旋轉，液壓馬達驅動水平維度的旋轉運動。從圖1.25（b）可以看到，一組支架可安裝60塊電池板，大約在18kW，因此連接地基的立柱剛性要好。這種雙軸跟蹤光伏系統也是分散布局，而且光伏組件數量多，整體高度可達6m，甚至更高，這對清潔維護提出很高要求。

圖1.25　雙軸跟蹤系統

商用的立柱式雙軸跟蹤系統的穩定性差，抗風能力弱，因此旋轉軌道式的雙軸跟蹤支架被設計開發出來，其結構如圖1.26所示。這種旋轉軌道式雙軸跟蹤系統在青海共和地區已經被安裝測試，但沒有大規模使用。盡管相較立柱式更加穩健，但由于其軌道長，密封困難，在沙漠地區容易造成故障。

圖1.26　旋轉軌道式雙軸跟蹤支架結構

4. 聚光光伏組件安裝方式聚光光伏組件要求具有跟蹤功能，因此可以選擇單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種方式。從商業應用上看，大部分企業都選擇雙軸跟蹤支架進行安裝。圖1.27所示為黃河水電格爾木二期100MW高倍聚光光伏系統。圖1.27中的雙軸跟蹤支架安裝方式與圖1.25（b）的晶體硅發電安裝方式一樣，采用立柱式。與晶體硅電池組件一樣，聚光光伏組件的雙軸跟蹤支架系統也可采用旋轉軌道式，采用蝸輪蝸桿帶動環形軌道來跟蹤方位角，絲杠螺母機構來調節高度角。由于聚光光伏系統的聚光器比電池板要重，而且要配備散熱系統，因此雙軸跟蹤機構需要更強的抗風性能。從清潔的角度講，聚光光伏組件更需要及時清潔，否則對光線會聚有很大影響，造成發電量下降。

1.3.3　光伏跟蹤系統和支架材料1. 光伏跟蹤系統目前跟蹤式光伏支架的控制方式主要分為3種，即開環跟蹤、閉環跟蹤和混合式跟蹤。開環跟蹤也稱主動式跟蹤，視日運動軌跡跟蹤，根據太陽對地運行模型進行角度調整，累計誤差較大[28]。閉環跟蹤也稱被動式跟蹤，通過光電傳感器或位置傳感器來實時監測太陽位置，根據日地運動模型計算太陽光與電池板直射角度，來控制支架機構運動，這種方式很大程度上取決于傳感器的精度和模型的準確性。混合式跟蹤是在前兩種跟蹤方式的基礎上提出來的，融合了開環跟蹤和閉環跟蹤的大部分優點，即在開環跟蹤的基礎上加上傳感器，通過傳感器的反饋信號進行電池板位置修正，減少了累計誤差帶來的影響。傳感器的信號每隔一段時間才讀取一次，也能夠有效減少誤動作的次數。當然，混合式跟蹤的安裝成本和運維成本也是最高的，一般只適用于聚光光伏系統中。各種跟蹤式支架系統的對比如表1.1所示[28]。表中相對固定式發電量提高百分比僅供參考，不同地區會有差異。其中標準平單軸的安裝成本大概在1.00～1.40元/ W，帶傾角平單軸的安裝成本則在1.45～1.80元/ W[插圖]。

表1.1　各種跟蹤式支架系統對比

從表1.1中的數據可以得到，雙軸跟蹤支架相比于單軸跟蹤支架在發電量上更有優勢，但是單軸跟蹤支架由于有多個支撐點，相比于雙軸跟蹤支架要穩定得多。另外單軸還可以做成聯動式結構，用一套動力裝置同時帶動一組電池片進行跟蹤，很大程度上降低了支架的成本。單軸跟蹤系統比固定安裝系統的太陽輻射利用高，其控制方式比雙軸跟蹤系統簡單，尤其是斜單軸跟蹤系統有明顯優勢[29]。

2. 光伏支架材料當前，用于光伏支架的材質主要是鋼材和鋁合金。在青藏高原地區，環境干燥、空氣污染較輕，無涂層的耐候鋼即可滿足防腐蝕的要求。但光伏電站建在荒漠和戈壁灘上，維護成本高，所以應以“免維護”為目標，“免維護”的重要指標之一就是防腐蝕[30]。目前支架主要的防腐蝕鋼材采用熱浸鍍鋅55～80μm，鋁合金采用陽極氧化5～10μm。鋁合金在大氣環境下，處于鈍化區，其表面形成一層致密的氧化膜，阻礙了活性鋁基體表面與周圍大氣相接觸，故具有非常好的耐腐蝕性，且腐蝕速率隨時間的延長而減小。鋼材在普通條件下（C1～C4類環境），80μm鍍鋅厚度能保證使用20年以上，但在高濕度工業區或高鹽度海濱甚至溫帶海水里則腐蝕速度加快，鍍鋅量需要100μm以上并且需要每年定期維護。在防腐蝕方面鋁合金遠遠優異于鋼材，同時在外觀方面鋁合金也優于鋼材。但大型光伏電站多采用鋼材作為光伏支架選材，主要考慮成本問題，同時鋼材良好的承重性能也是優勢。

光伏支架所處環境多為干燥、寒冷的高海拔荒漠地區，鋼材的耐腐蝕性能是完全滿足要求的。但在清潔維護過程中，由于水和清潔試劑噴淋對支架表面造成一定影響，使其耐腐蝕性能降低。而在柴達木盆地，多為鹽堿區域，風沙雨雪等都攜帶著大量的鹽堿物質，也會對光伏支架的耐腐蝕性能進行考驗。

1.3.4　光伏陣列基礎工程太陽能光伏陣列基礎所受的載荷，首先要考慮風壓載荷，對光伏陣列基礎進行穩定性分析，尤其在高海拔荒漠地區，風沙強度大。陣列自身受到風吹面積大的結構，需要考慮強風吹動導致的倒塌或變形等。圖1.28為不合格的基礎，在沒安裝電池板的情況下在風力作用下沙體流動使其發生滑移。對于風沙強勁的荒漠地區，光伏陣列基礎必須考慮受到橫向風影響，基礎可能滑動或倒塌；吹進電池板背面的風使陣列結構浮起，吹過電池板下側的風產生漩渦，引起氣壓變化等。同時，地基下沉也是要考慮的因素，尤其在荒漠地區采用水射流清洗后，容易造成地基下沉，進而導致電池板表面變形甚至斷裂。光伏陣列基礎結構，從形式上分有6種，如表1.2所示。在高海拔的荒漠地區，光伏陣列基礎選擇方案多采用打樁基礎，圖1.28所示即在地面以下打樁。對于單軸跟蹤和雙軸跟蹤支架安裝方式更多采用深基樁基礎。對于傾角固定支架安裝方式，更多采用整體化的連續基礎，保證陣列的整體穩定性。

圖1.28　格爾木地區不合格基礎表

1.2光伏陣列基礎類型及適用場合