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场站电池组件采用支架安装，支架结构可分为固定式和跟踪式等种类[14,15]。固定式又可分为倾角固定支架和倾角可调固定支架两种。跟踪式又可分为平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架（也称倾维度角单轴跟踪支架）和双轴跟踪支架[15]。组件的规格和安装方式对其清洁有重要影响，而且地形对组件安装影响很大，光伏组件阵列形貌复杂，会对表面清洁造成较大影响。本节重点讨论光伏组件的安装方式。

1.3.1　固定式安装方式

1. 倾角固定支架安装方式为使光伏组件能够接受最大的光照辐射，通常被设计成与水平面成一定倾斜角度，因此光伏组件及其支架系统需要承受一定风载，并保证使用寿命。当前，倾角固定安装方式是并网大型光伏电站最广泛的安装方式。其支架结构如图1.10所示，主要由前立柱、后立柱、支撑、主梁和次梁构成[16]。其中，次梁为横梁，支架前立柱高度为0.2～0.5m，主梁与地面倾角为30°～36°，后立柱高度根据电池板尺寸设计。地面光伏电站常见的光伏组件排列方式有两种，即竖向双层光伏组件排列和横向四层光伏组件排列，如图1.11所示。以尺寸规格为1956×992×40mm的光伏组件为例，在相同的长度范围内，两种排列方式容纳的组件块数相同。组件阵列安装过程中，前后阵列间（北半球一般南北方向上）要留出合适的间距B，以免出现阴影遮挡。一般按照冬至日9:00—15:00保证前后无阴影遮挡，来计算组件方阵安装的前后最小间距B，如式（1.1）。

[插图]式中，ϕ为当地纬度（北半球为正，南半球为负）；δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5°；ω为时角，上午9:00的时角为45°；H为光伏阵列或遮挡物最高点与后排可能被遮挡组件高度差，一般就是组件距地面高度与地面支撑高度之差HH-HL。

图1.10　倾角固定支架结构

图1.11　两种光伏组件排列方式

图1.12和图1.13所示为格尔木地区倾角固定竖向两层和横向四层两种安装方式的实景。早期施工的光伏电站，多采用图1.12或图1.13中的倾角固定安装方式，一般地面在施工前找平，光伏支架规格统一，支架顶端距离地面约为2.5m。从图1.12可以看出，光伏阵列表面较为平整，基本保持水平，每个阵列约容纳40～80块电池板，长度为20～50m。常规的倾角固定安装方式，在地面较为平整、支架规格统一的情况下，无论是人工还是机械清洁都比较方便。

图1.12　格尔木现场竖向双层组件安装方式

图1.13　格尔木现场横向四层组件安装方式

在青海共和地区，风沙相对较小，光伏支架规模更大，横向安装有五层，如图1.14（a）所示，甚至达到更高，支架总高度可达4.5m。随着场站数量增多，平整的戈壁滩已完全利用，光伏组件需要安装在不平整的地面，因此支架规格不再统一，通过调整前立柱和后立柱的高度适应地面，以达到光伏阵列局部平整，如图1.14（b）所示。对于许多山区、丘陵地带，适应地面安装是比较普遍的，如山西芮城，河北承德、平山等地。对于高度超过4m时，人工清洁需要加装很高的梯子才能对上面的电池板进行清洁，机械清洁对机械臂的刚性要求也较高。对于地面不平、地貌复杂的阵列，无论对人工清洁还是机械清洁都是挑战。

图1.14　两种特殊情况的安装方式

2. 倾角可调固定支架安装方式为了提高太阳光直射吸收，定期调节支架倾斜角来提高发电量。在倾角固定式支架的基础上，加上铰链、齿轮齿条、液压或千斤顶等传动机构就可实现倾斜角度可调。定期调节，通常是一段时间才调节一次，主要有月调式（每月调一次）、季调式（每季度调一次）和半年调式（每半年调一次）等方案形式[15]。青海刚察地区采用月调式，以2°为单位调节，调节范围为4°～66°。月调式春、夏、秋、冬四季的倾角分别为28°、10°、52°、62°。半年调式则当年11月至次年4月倾角为58°，5月至10月倾角为20°[15]。在高纬度、高海拔地区，且土地使用无偿或出让费极少的地区，建议采用可调支架（一年调整4次）安装方式[17]。青海大部分地区处于高海拔荒漠地区，采用分季调节方案。以格尔木地区为例，大唐国际格尔木光伏电站所采用的分季可调支架结构如图1.15所示[18]。

图1.15　大唐国际格尔木光伏电站分季可调支架结构

该支架主要靠图中的圆弧式调梁来挡位式调节光伏组件的倾角。调节角度定为4°、33°和50°，3、4、9月调节角度为33°，5—8月调节角度为4°，10—12、1、2月调节角度为50°。一组支架的调节过程为8套螺栓的松开、取下、重新安装紧固，过程较为方便。与圆弧式可调支架类似，对固定支架做机构改进的还有推拉杆式可调支架，如图1.16所示。

图1.16　圆弧式和推拉杆式倾角可调支架

圆弧式除了固定孔外，也可使用齿轮齿条实现无级变速，整组支架可实现联动。更复杂的可以在阵列一端加载伺服电机，实现每天定时调节的功能。推拉杆式，其调节点既可设置在图1.16（b）中的底部滑轨上，也可设置在光伏组件背面的斜梁上[19]。使用齿条结构或滑道结构即可实现自动调节功能，当然也会增加安装和维护成本。除了支架上的改进外，也可加上千斤顶或液压泵来驱动支架运动[20]，如图1.17所示[插图]。千斤顶和液压驱动更易于实现自动调节，即使人工调节也是省力省工的，但千斤顶和液压机构会造成额外的成本。

图1.17　千斤顶和液压式倾角可调支架

倾角可调式光伏阵列系统与倾角固定式相比，可提高约5%的发电量。根据大唐国际格尔木二期10MW倾角可调式电站经验，1年可增加发电量约1×106 kW·h，1年就可收回投资成本，每年增加人工成本约15万元，而增加利润达85万元，按照25年计算可增加收入约2000万元[18][插图]。倾角可调固定安装方式实现整组支架联动调节，对地基和支架刚度要求都较高，当然电池板阵列表面也相对平整规范，而且由于倾角调节要求，支架整体高度不会太高，这些对清洁维护都是利好的。但在清洁过程中，尤其采用水或清洁剂时必然会喷淋到支架系统，对调节机构有很大影响。而从清洁维护角度看，倾角可调支架也较易维护，更适合于高海拔荒漠地区。

1.3.2　跟踪式安装方式日光在一年和一天中都是不断变化的，电池板跟随日光走向，更利于吸收光线，提高光电转化率。根据跟踪方式的不同，跟踪式地面支架可以分为斜单轴跟踪、平单轴跟踪和双轴跟踪3种方式。平单轴和斜单轴跟踪支架只有一个旋转自由度，双轴跟踪支架具有两个旋转自由度。跟踪式支架系统主要通过电机控制追踪太阳高度角和方位角，使其倾斜面上吸收太阳光线辐射。单轴跟踪和双轴跟踪比倾角固定式吸收的辐照量高约22%和25%[21]，地区不同可能会有些差异。相比于固定安装方式，采用单轴跟踪支架安装组件，发电量可提高约15%，采用双轴跟踪支架安装组件，发电量可提高约30%[15]，而在高海拔地区单轴跟踪可将发电量提高约30%，双轴跟踪可提高约40%，但由于风沙大、故障率高，维护成本增大[18]。发电量提高的同时，跟踪支架系统的建设投资也随之增加约22%，同时设备故障率也大大提高，运营维护成本也相应增加约10%，电站用地面积也是倾角固定式的2倍[17]。跟踪式支架系统较固定式更为分散，而且支架机械结构复杂，对清洁维护造成很大影响来源本书由电子工业出版社有限公司授权微信读书进行制作与发行

1. 平单轴跟踪支架安装方式单轴跟踪支架运行时阵列只能跟踪太阳运行的方位角或高度角中的一个方向。旋转轴可以水平南北向放置、水平东西向放置、地平面垂直放置或按所在地纬度角倾斜布置等[20]。平单轴跟踪支架通过在东西方向上的旋转，保证每一时刻太阳光与光伏组件表面的法线夹角最小[22]，其结构如图1.18所示[插图]。青藏高原春季风沙大，光伏支架需要更高的抗风性能和刚度，可采用双主梁平单轴光伏支架系统，即在图1.18中增加双梁来提高旋转轴的刚度[23]。

图1.18　平单轴跟踪支架结构

平单轴跟踪支架系统广泛应用于低纬度地区。根据南北方向有无倾角可分为标准平单轴跟踪式和带倾角平单轴跟踪式，如图1.19所示。标准平单轴跟踪与倾角可调固定式的区别就在于调节周期，固定式调节周期长，标准平单轴跟踪的调节频率高，一天之内根据光线照射方向而调节。从清洁的角度看，与倾角可调固定式阵列是一致的，只是机构复杂易导致故障。而带倾角的平单轴跟踪式分布散开，且阵列规模小，清洁过程需要有大型移动车来保障。

图1.19　平单轴跟踪光伏支架

2. 斜单轴跟踪支架安装方式斜单轴跟踪支架是在固定太阳能电池板倾斜角的基础上，围绕倾斜的旋转轴旋转跟踪太阳方位角，达到最大接收辐照量的目标。严格地说，平单轴就是斜单轴的一种特殊形式。图1.20所示为典型的斜单轴跟踪支架结构。这种独立的斜单轴跟踪支架系统采用分散布局，阵列中光伏组件少则4块，多则12块，甚至20块。图1.21（a）和（b）的斜单轴阵列分别有10块和12块电池板。这种安装方式，阵列较为分散，占地面积较大。由于斜单轴方式仅由一根旋转轴支撑，因此抗风性能较差。这种分散的阵列结构对清洁维护也产生很大影响，很难采用固定在其表面的清洁机构来直接清洁，需要带有一定臂长的大型车辆来辅助清洁。而大型的接触式的清洁器也很难胜任其清洁任务，原因在于斜单轴系统整体刚性偏弱，容易造成阵列损毁。为节约场地，实现最大经济价值，开发出了斜单轴阵列联动机构，其支架结构如图1.22所示。这种结构相对简单，安装维护方便，成本降低，配合电动推杆和联动推杆，就可实现多组阵列联动跟踪。尽管实现了机构联动，但不能实现多阵列平面一致，因此清洁维护依然无法连续进行。

图1.20　斜单轴跟踪支架结构

图1.21　两种斜单轴跟踪式阵列

图1.22　斜单轴阵列联动支架结构

为了更好地发挥斜单轴跟踪系统优势，倾斜角可调的斜单轴跟踪系统也被设计和开发出来，与普通斜单轴跟踪系统相比，其支架结构较为复杂，如图1.23所示[24]。图1.23（a）可实现单侧倾斜角的调整，图1.23（b）可实现双侧倾斜角的调整，相较于普通斜单轴而言，通过伸缩调节杆调整后立柱高度，实现倾斜角调节功能。为了实现这一功能，增加了多个调节杆、铰链等机构，结构变得更加复杂，进一步降低了支架系统的刚性和抗风性能。上述两种结构也可以通过电动杆方式实现联动。但倾斜角可调节机构的安装、调节、加工、维护成本都大大提高，对于风沙较大的高海拔荒漠地区，调节工作量增大，跟踪故障率高，可靠性低，很难在电站中规模化使用[24]。

图1.23　两种可联动的斜单轴跟踪支架结构

对组件清洁工作而言，无论是常规斜单轴还是联动斜单轴跟踪系统，由于电池板角度特殊，而且阵列散开，结构刚性低，支架传动系统复杂，无法通过加载轨道实现固定爬行机器人对其进行清洁维护。而大型清洁车辆，也很难采用机械接触式对其进行清洁，容易造成阵列损毁。比较可行的方式就是通过大型工程车载水罐和射流装置，对其进行喷淋清洁。尽管水射流方式可采用遥喷淋方法，但对支架系统的传动机构会产生一定影响。

3. 双轴跟踪支架安装方式双轴跟踪支架是通过对太阳光线的实时跟踪，保证每一时刻太阳光线与电池板表面垂直，以实现最大发电量。双轴跟踪系统分为高度角跟踪和方位角跟踪。目前双轴跟踪光伏支架多采用卧式蜗轮蜗杆电机减速机实现网面水平旋转，俯仰系统驱动多采用链条、推杆式或立式蜗轮蜗杆电机减速机[25]，其支架结构如图1.24所示。图1.24中，底部是一个固定不动的立柱，立柱顶部是由小桁架组成的能够旋转和俯仰运动的钢桁架结构，钢桁架结构表面安装光伏组件。双轴跟踪系统的整个结构分为三个部分：控制器、双轴跟踪机械结构和光伏组件[26]。其机械结构一般采用齿轮传动机构带动光伏阵列实现方位角跟踪，同时通过推杆推动光伏阵列翻转实现高度角跟踪。

图1.24　双轴跟踪支架机构

除了蜗轮蜗杆式的驱动机构，也有液压式驱动的双轴跟踪支架系统，其结构如图1.25（a）所示。图1.25（b）所示为在双轴跟踪支架上安装的光伏电站。从图1.25（a）可以看到，采用液压缸驱动组件竖直维度的旋转，液压马达驱动水平维度的旋转运动。从图1.25（b）可以看到，一组支架可安装60块电池板，大约在18kW，因此连接地基的立柱刚性要好。这种双轴跟踪光伏系统也是分散布局，而且光伏组件数量多，整体高度可达6m，甚至更高，这对清洁维护提出很高要求。

图1.25　双轴跟踪系统

商用的立柱式双轴跟踪系统的稳定性差，抗风能力弱，因此旋转轨道式的双轴跟踪支架被设计开发出来，其结构如图1.26所示。这种旋转轨道式双轴跟踪系统在青海共和地区已经被安装测试，但没有大规模使用。尽管相较立柱式更加稳健，但由于其轨道长，密封困难，在沙漠地区容易造成故障。

图1.26　旋转轨道式双轴跟踪支架结构

4. 聚光光伏组件安装方式聚光光伏组件要求具有跟踪功能，因此可以选择单轴跟踪和双轴跟踪两种方式。从商业应用上看，大部分企业都选择双轴跟踪支架进行安装。图1.27所示为黄河水电格尔木二期100MW高倍聚光光伏系统。图1.27中的双轴跟踪支架安装方式与图1.25（b）的晶体硅发电安装方式一样，采用立柱式。与晶体硅电池组件一样，聚光光伏组件的双轴跟踪支架系统也可采用旋转轨道式，采用蜗轮蜗杆带动环形轨道来跟踪方位角，丝杠螺母机构来调节高度角。由于聚光光伏系统的聚光器比电池板要重，而且要配备散热系统，因此双轴跟踪机构需要更强的抗风性能。从清洁的角度讲，聚光光伏组件更需要及时清洁，否则对光线会聚有很大影响，造成发电量下降。

1.3.3　光伏跟踪系统和支架材料1. 光伏跟踪系统目前跟踪式光伏支架的控制方式主要分为3种，即开环跟踪、闭环跟踪和混合式跟踪。开环跟踪也称主动式跟踪，视日运动轨迹跟踪，根据太阳对地运行模型进行角度调整，累计误差较大[28]。闭环跟踪也称被动式跟踪，通过光电传感器或位置传感器来实时监测太阳位置，根据日地运动模型计算太阳光与电池板直射角度，来控制支架机构运动，这种方式很大程度上取决于传感器的精度和模型的准确性。混合式跟踪是在前两种跟踪方式的基础上提出来的，融合了开环跟踪和闭环跟踪的大部分优点，即在开环跟踪的基础上加上传感器，通过传感器的反馈信号进行电池板位置修正，减少了累计误差带来的影响。传感器的信号每隔一段时间才读取一次，也能够有效减少误动作的次数。当然，混合式跟踪的安装成本和运维成本也是最高的，一般只适用于聚光光伏系统中。各种跟踪式支架系统的对比如表1.1所示[28]。表中相对固定式发电量提高百分比仅供参考，不同地区会有差异。其中标准平单轴的安装成本大概在1.00～1.40元/ W，带倾角平单轴的安装成本则在1.45～1.80元/ W[插图]。

表1.1　各种跟踪式支架系统对比

从表1.1中的数据可以得到，双轴跟踪支架相比于单轴跟踪支架在发电量上更有优势，但是单轴跟踪支架由于有多个支撑点，相比于双轴跟踪支架要稳定得多。另外单轴还可以做成联动式结构，用一套动力装置同时带动一组电池片进行跟踪，很大程度上降低了支架的成本。单轴跟踪系统比固定安装系统的太阳辐射利用高，其控制方式比双轴跟踪系统简单，尤其是斜单轴跟踪系统有明显优势[29]。

2. 光伏支架材料当前，用于光伏支架的材质主要是钢材和铝合金。在青藏高原地区，环境干燥、空气污染较轻，无涂层的耐候钢即可满足防腐蚀的要求。但光伏电站建在荒漠和戈壁滩上，维护成本高，所以应以“免维护”为目标，“免维护”的重要指标之一就是防腐蚀[30]。目前支架主要的防腐蚀钢材采用热浸镀锌55～80μm，铝合金采用阳极氧化5～10μm。铝合金在大气环境下，处于钝化区，其表面形成一层致密的氧化膜，阻碍了活性铝基体表面与周围大气相接触，故具有非常好的耐腐蚀性，且腐蚀速率随时间的延长而减小。钢材在普通条件下（C1～C4类环境），80μm镀锌厚度能保证使用20年以上，但在高湿度工业区或高盐度海滨甚至温带海水里则腐蚀速度加快，镀锌量需要100μm以上并且需要每年定期维护。在防腐蚀方面铝合金远远优异于钢材，同时在外观方面铝合金也优于钢材。但大型光伏电站多采用钢材作为光伏支架选材，主要考虑成本问题，同时钢材良好的承重性能也是优势。

光伏支架所处环境多为干燥、寒冷的高海拔荒漠地区，钢材的耐腐蚀性能是完全满足要求的。但在清洁维护过程中，由于水和清洁试剂喷淋对支架表面造成一定影响，使其耐腐蚀性能降低。而在柴达木盆地，多为盐碱区域，风沙雨雪等都携带着大量的盐碱物质，也会对光伏支架的耐腐蚀性能进行考验。

1.3.4　光伏阵列基础工程太阳能光伏阵列基础所受的载荷，首先要考虑风压载荷，对光伏阵列基础进行稳定性分析，尤其在高海拔荒漠地区，风沙强度大。阵列自身受到风吹面积大的结构，需要考虑强风吹动导致的倒塌或变形等。图1.28为不合格的基础，在没安装电池板的情况下在风力作用下沙体流动使其发生滑移。对于风沙强劲的荒漠地区，光伏阵列基础必须考虑受到横向风影响，基础可能滑动或倒塌；吹进电池板背面的风使阵列结构浮起，吹过电池板下侧的风产生漩涡，引起气压变化等。同时，地基下沉也是要考虑的因素，尤其在荒漠地区采用水射流清洗后，容易造成地基下沉，进而导致电池板表面变形甚至断裂。光伏阵列基础结构，从形式上分有6种，如表1.2所示。在高海拔的荒漠地区，光伏阵列基础选择方案多采用打桩基础，图1.28所示即在地面以下打桩。对于单轴跟踪和双轴跟踪支架安装方式更多采用深基桩基础。对于倾角固定支架安装方式，更多采用整体化的连续基础，保证阵列的整体稳定性。

图1.28　格尔木地区不合格基础表

1.2光伏阵列基础类型及适用场合