光伏支架的结构分类与选型方案

光伏支架是太阳能光伏发电系统中与组件直接连接的结构，其根据光伏电站建设的具体地理位置、气候及太阳能资源条件，将组件以一定朝向与角度排列并以固定间距进行支撑。

光伏支架作为光伏发电系统重要的组成部分，直接影响着光伏组件的运行安全、破损率及建设投资。设计光伏组件前，有必要了解光伏支架的结构分类与选型方案。

1、光伏支架的结构分类

支撑光伏组件的光伏支架，根据组件的使用场景，可分为屋顶类、地面类和水面类；根据发电系统运行过程中组件角度是否可以调节，可分为固定式、倾角可调式和跟踪式三类；根据支架结构材料的刚柔特性，又可分为刚性支架与柔性支架；而跟踪式支架多为刚性支架，根据跟踪转轴的数量，可分为单轴跟踪支架和双轴跟踪支架。光伏支架结构的分类如图1.1所示。

图1.1 光伏支架结构的分类

1.1固定式支架

固定式支架也叫固定倾角支架，支架安装完成后组件倾角和方位都不能调整。固定式支架可使用于屋顶、地面及水面环境。

(1)屋顶类支架

屋顶类支架一般分为彩钢板屋顶支架、斜屋顶(瓦屋顶)支架和平屋顶支架三类。

彩钢板屋顶组件安装分为两种，一种通过彩钢板夹具或固定件直接将组件安装在彩钢板肋条上，另一种首先在彩钢板上用导轨连接件安装导轨(横梁)，再通过组件压块、螺栓垫圈、滑块螺母等在导轨上安装组件，安装方式如1.2(a)所示，常用固定件如图1.2(b)所示。

图1.2(a)彩钢板屋顶夹具安装

图1.2（b） 彩钢板屋顶夹具

斜屋顶组件安装示意图如图1.3(a)所示，其支架结构主要由屋顶固定挂钩、导轨(横梁)、组件压块、导轨连接件、螺栓垫圈、螺母滑块等组成。图1.3(b)所示是斜屋顶支架常用固定件的外形结构。

图1.3(a)斜屋面组件安装

图1.3(b)斜屋顶支架常用固定件的外形结构

上述两种支架皆具有拼装、拆卸速度快，无需焊接，防腐涂层均匀，耐久性好，安装速度快，外形美观等优点。组件距离屋面距离较短，组件不易螺栓安装，因此常采用压块进行安装。

平屋顶支架与地面类支架结构类似，如图1.4所示，一般以混凝土基础或混凝土配重块作为支架基础，根据屋顶结构不同可来用独立基础或条形基础形式。基础与支架立柱的连接可通过地脚螺栓预埋件件或直接将立柱嵌入混凝土基础中。平屋顶支架不破坏屋顶面防水层，具有结构灵活，安装便捷、可靠性强的特点。由于平屋顶支架距离屋面距离有限，一般也采用压块安装。

图1.4  平屋顶支架案例

(2)地面类支架

地面类支架分为单立柱支架、双立柱支架和单地柱支架三类。

单立柱支架也就是支架靠单排立柱支撑，每个单元只有单排支架基础。单立柱支架主要由立柱、斜支撑、导轨(横梁)、组件压块、导轨连接件、螺栓垫圈、螺母滑块等组成，立柱采用C型钢、H型钢或方钢管等材料。单立柱支架可以减少土地施工量，适用于地形地势复杂地区。单立柱支架结构如图1.5所示。

图1.5 单立柱支架结构

双立柱支架为前后立柱形式，主要由前立柱、后立柱、斜支撑、导轨(横梁)、后支撑、组件压块、导轨连接件、螺栓垫圈、螺母滑块等组成，立柱根据方阵大小采用C型钢、H型钢、方钢管、圆钢管等材料制作，其它部件根据需要采用C型钢、铝合金、不锈钢等材料。双立柱支架受力均匀、加工制作简单，适用于地势较为平坦的地区。双立柱支架结构如图1.6所示。

图1.6 双立柱支架结构

单地柱支架就是指一个方阵单元支架只有一个立柱的支架形式。由于整个方阵只有一个立柱，单套支架上可以布置的光伏组件数量有限，一般有8块、12块、16块等。单地柱支架主要由立柱、纵梁、导轨(横梁)、组件压块、导轨连接件、螺栓垫圈、螺母滑块等组成，立柱可采用钢管、预制水泥管等，纵梁、横梁由于悬挑较多，一般采用方钢管，导轨采用C型钢或铝合金。这种支架适用于地下水位较高和地面植被较丰富的地区。单地柱支架结构如图1.7所示。

图1.7单地柱支架案例

一般地面类支架具有一定的离地高度，既可选择压块“从上往下”安装，也可选择螺栓“从下往上”安装，因此可从安装可靠性、人工与材料经济性等方面选择组件合适的安装方式。

(3)水面类支架

随着分布式光伏发电项目的不断推进，充分利用海面、湖泊、河流等水面资源安装分布式光伏电站，实施渔光互补等新的光伏农业形式，是解决光伏发电受限于土地资源的又一途径。水面类支架一般有立柱式(图1.8)和漂浮(图1.9)两种，漂浮式支架由浮筒和支架两部分造成，浮筒采用高强度材料制作并进行连体设计，稳定性好，抗冲击能力强，可有效的防止各种水流和大风造成光伏组件的损坏。支架一般采用不锈钢、铝合金等抗腐蚀能力强的材料制作。组件安装在水面类光伏支架上时，也应着重考虑组件及组件与支架连接结构的抗腐蚀能力。

图1.8 水面立柱式支架

图1.9 水面漂浮式支架

1.2.倾角可调式支架

倾角可调式支架结构与固定式支架类似，比固定式支架多了一个调节机构，使支架的倾角可以通过手动进行调节，可调节机构有分档式和连续可调式，分档式一般设为2～3档，一年按季节调整2～3次；连续可调式则可以根据需要经常调整。为了便于倾角调整，单个支架上安装的组件不宜太多，通常安装的组件数量要正好构成一个或两个组串。倾角可调式支架有推拉杆式、圆弧式、千斤顶式和液压杆式。倾角可调式支架如图1.10所示。

图1.10 倾角可调式支架

1.3.跟踪式支架

光伏方阵采用固定式支架安装时，光伏方阵不能随着太阳位置变化而移动，无法提高光伏系统的发电效率。为提高光伏系统的发电效率和光伏方阵的有效发电量，跟踪式支架在国内外光伏发电系统中逐步得到了认可和推广应用。

自动跟踪支架可以使光伏组件始终保持与太阳光线垂直，消除固定电站的余弦损失，使光伏组件接受到更多的光能量，从而提高发电量。跟踪支架分为单轴式跟踪和双轴式跟踪，其共同点是使光伏方阵表面法线依照太阳的运动规律做相应的运动，使太阳光的入射角减小。通过自动跟踪，一方面可以提高太阳辐射能的利用率，使发电系统转换效率提高；另一方面在获取相同的发电量时可以减少光伏组件的使用量，使系统的建造成本降低。同等条件下，采用自动跟踪支架的发电量要比用固定式支架的发电量提高10%～30%(单轴跟踪)和25%～40%(双轴跟踪)，这是经过多次工程验证得出的结论，也是被光伏业界普遍认可的数据。

1.3.1.跟踪式支架的分类和适用范围

跟踪支架一般分为单轴跟踪支架和双轴跟踪支架两大类，其中，单轴跟踪支架又分为水平单轴和斜单轴跟踪，水平单轴跟踪适用于小于 30°的低纬度地区，斜单轴跟踪适用30°以上的中、高纬度地区；双轴跟踪适用于任何纬度地区和聚光光伏系统。

水平单轴跟踪就是让支架围绕一根水平方同的轴跟踪太阳进行旋转，通过跟踪太阳高度角来提高太阳光线在光伏组件面板的垂且分量，提高发电量，具体应用如图1.11所示。

图1.11 单轴跟踪支架

斜单轴跟踪就是让支架围绕一根南北方向倾斜的轴跟踪太阳进行旋转，通过转轴的倾斜角补偿纬度角，然后在转轴方向跟踪太阳高度角，以更好的增大光伏发电量，具体应用如图1.12所示。

图1.12 斜单轴跟踪支架

双轴自动跟踪系统可以使支架同时沿两个独立的轴进行旋转，一个轴可以使支架沿方位角方向自由旋转，另一个轴可以使支架沿倾角方向自由旋转，使光伏方阵平面始终与太阳光线保持垂直，以获得最大的发电量。组件绕立柱方向与横梁方向两个方向的单根立柱跟踪系统称为T型双轴跟踪支架(图1.13)，绕横梁与组件转动轴两个方向的多根立柱跟踪系统称为全维型双轴跟踪支架(图1.14)。由于跟踪支架工作时组件一直在转动，同时也存在“风致共振”现象，压块安装长久运行可能会出现松动，因此组件匹配跟踪支架安装多使用螺栓安装。

图1.13 双轴跟踪支架(T型）

图1.14 双轴跟踪支架(全维型）

1.3.2自动跟踪系统的工作原理与技术

1)光控跟踪技术。

光控太阳能跟踪技术纯粹利用太阳光线制导，这种跟踪技术一般通过温度适应性能强，工作较为可靠的晶体硅光敏器件和砷化镓光敏器件作为传感器件实现信号采集。

光控太阳能跟踪的工作原理有以下两种，一种是受光面平行法，依靠阴影遮挡使布置在方阵上的若干个光敏元件出现电压或电流的差异为电路提供信号，这种方法探测太阳光线范围广，性能稳定，工作可靠；另外一种方法是利用暗合投影的原理，当太阳出现偏离时，激发传感器件输出差异信号进行工作，这种传感方法的显著优点是跟踪精度高，缺点是探知太阳光线偏离位置的角度范围太有限，无法实现大角度搜索跟踪。光控太阳能主控制电路最好选用数字电路，因为模拟电路的待机损耗太大，且故障率较高。光控太阳能跟踪技术的缺点是完全依赖太阳光，一旦出现阴雨天，系统就无法实现跟踪，而一旦天气忽阴忽晴，系统会忽跟忽停或者直接放弃跟踪。

2)时控跟踪技术。

时控太阳能跟踪技术就是利用数字化单片机时间控制电路，定时跟踪，这种跟踪方法技术可靠，性能稳定，跟踪精度可达0.5°，其优点是不受阴雨天影响，跟踪可靠、性能稳定，缺点是没有光控跟踪方法的跟踪精度高。

3)光控和时控复合跟踪技术。

光控和时控复合跟踪技术是针对天气忽阴忽晴变化莫测的特点研发的。当上半天阴天时、纯光控太阳能跟踪系统就会出现上半天不跟踪的现象。当下半天晴天时，对于探测范围较广的太阳能跟踪探测器，系统可以实现跟踪，但由于太阳能跟踪传动系数比较大，所以跟踪到位需要相当长的时间，这段时间内太阳能无法收集利用。而对于探测范围较窄的太阳能跟踪器，由于其根本探测不到，所以无法跟踪。这样，尽管下半天有太阳，但系统无法采集利用。

光控和时控复合跟踪技术的跟踪方式:当天空有太阳时，系统会自动转入光控跟踪，跟踪精度不大于0.1°；当天空阴天时，跟踪系统自动转入时控跟踪，跟踪精度不大于0.5°。这样，天气在由阴转晴的瞬间，跟踪控制系统仅仅在0.5°～0.1°的跟踪精度范围内调整。这就大大缩短了系统跟踪到位的所需时间，最大限度地提高了太阳能的采集利用率。光控和时控复合跟踪系统是比较理想的跟踪方式，值得推广。

4)跟踪系统用电动机及减速机。

用于太阳能跟踪系统的电动机可以是直流电动机也可以是交流电动机，可以是步进电动机或伺服电动机。无论是那种电动机都要满足跟踪精度的要求。都必须满足防水、防尘、耐曝晒、抗严冬等室外环境要求。对于高寒地区，可以考虑采用冷库专用电动机，以满足其特殊低温环境的要求。

跟踪用减速机的传动间隙不能过大，以免因间隙过大使系统较大幅度地抖动。一般的跟踪系统减速机，要求其末级输出必须是较为精密的蜗轮蜗杆减速装置，以承受较大的脉冲负荷的冲击。

1.4.柔性光伏支架

由于山地地势复杂，传统的光伏刚性固定支架(如钢支架、铝合金支架等)受约束较大，布置不够灵活，土地利用率低，且成本较高。柔性支架采用两固定点之间张拉预应力钢绞线的方式，两固定点采用钢性基础提供反力，可实现10～40 m大间距。这种设计可规避山地起伏、植被较高等不利因素，仅在合适的部位设置基础点并张拉预应力钢绞线；同时在水深较深的渔塘也可以在保持水位不动的条件下，实现基础及柔性支架的施工。柔性支架应用场景如图1.15所示。

图 1.15 各种支架应用场景

柔性支架方案把传统钢性支架方案的檩条改为钢绞线的方式，其特点是钢绞线采用先线法提供预拉力，组件安装后在不同工况受力条件下允许钢绞线有一定的变形，从而实现大跨度支架，可满足不同地形的需要。由于钢绞线张拉预应力的存在，柱顶均会产生较大的水平拉力，导致基础底部弯矩较大，因此一般设计采用在柱顶用斜拉或支撑的方案平衡预拉力产生的水平力，以满足柱底抗倾覆的受力要求。索结构跨距通常在20～40m之间(半跨组件或一跨组件)，最高可达百米。同时，组件可高出地面2～30m，具有组件下方高净空、桩基数量少的布置优势。按照索的数量，可分为双索柔性支架(图1.16)与三索柔性支架(图1.17）

图1.16 双索柔性支架

图1.17三索柔性支架

传统固定式支架由于离地高度不高，地表较高的植物生长之后会对组件造成遮挡，会导致组件产生热斑效应并造成组串失配，严重影响发电量。柔性支架与地面有足够高度，可以避免被植物遮挡影响发电量。柔性支架的倾角较小、檩条更少且离地高度高，使得光伏组件背部空间显著增大，空气流动阻力更小使得有更高风速，增强组件风冷散热，降低组件运行温度；柔性支架方阵整体具有更均匀的温度场，可以降低不同温度组件间的失配现象。实测数据统计，相比常规固定式支架，柔性支架上光伏组件运行温度降低约3℃，发电量提高约 1%～3%。柔性光伏支架由于本身平面外刚度较低，安装完成后易产生“风致共振”现象，因此与组件连接时也多采用螺栓连接方案。

2光伏支架的选型

光伏支架成本虽然在整个光伏发电系统总成本中占比不大，只有百分之几，但选型确很重要，主要考虑因素之一就是耐候性。光伏支架在25年的寿命周期内必须保证结构连续可靠，能承受环境侵蚀和风、雪载荷。还要考虑安装的安全可靠，能以最小的安装成本达到最优的使用效果。另外，后期是否能够免维护，有没有可靠的维修保证以及支架寿命周期结束以后是否可回收等都是需要考虑的重要因素。在设计和建设光伏电站时，选择固定式支架、倾角可调式支架还是跟踪式支架，需要因地制宜综合考虑，因为各种方式毕竟各有利弊，都在探索和完善之中，不同类型光伏支架的特点见表2-1。

*参考成本随市场行情波动，为大致成本，仅供参考。

固定倾角支架是在大多数场合下最经常使用的结构，安装简单，成本低，安全性较高，可以承受高风速和地震状况。支架在整个寿命周期内几乎无需维护，运维费用低，唯一的不足是在高纬度地区使用时功率输出偏低。

倾角可调式支架与固定支架相比，将全年分成几个时间段，使方阵在每个时间段都能获得平均最佳倾角条件，以此来获得优于固定支架的全年太阳能辐射量，其发电量可比固定支架提高5%左右。与跟踪式支架的技术不完善，投资成本高，故障率高，运维费用高等缺点相比，优势也很明显，是一种具有实际应用意义和经济价值的方式。

单轴跟踪支架具有更好的产能表现，与固定式支架相比，平单轴支架在低纬度地区使用可提高发电量15%～20%，在其它地区使用也可提高发电量10%～15%。斜单轴支架在不同地区使用则可提高发电量20%～30%。

双轴跟踪支架理论上具有最高的产能率，凭借双轴跟踪来调整支架倾角和方位，可以准确捕捉光照方向，比固定支架可提高发电量25%～40%。但是复杂的跟踪控制和伺服系统，较高的基础设施成本，以及频繁的维护工作和较高故障率，往往使发电量的提高不尽如人意，甚至得不偿失。

双索柔性支架理论上可适应任何地形，且用料少，组件抬高后温度相应降低，理论上可增加1%～3%左右发电量。但是在雪压工况下挠度大，且柔性支架平面外刚度较差，大风工况下组件容易吹翻，可靠性相对较差。三索柔性支架由于增加一条承重索具有较好的载荷适应性，大风工况下稳定可靠，但导致用料增加，且不能适应大角度。

所以，在支架选型时首先要考虑电站的地理位置、气候条件、当地日照时间、建设成本、工程质量和提高发电效率等。例如，在我国的西北沙漠地区，由于光照充足、地域宽广，就比较适合应用跟踪式支架，可以有效地提高发电效率。原则上讲，在高纬度地区和光照较强地区，自动跟踪支架带来的收益会比较大。

3结语

在光伏电站的设计和建设中，支架与组件的配合是至关重要的一环。随着技术的不断进步和市场需求的变化，光伏支架的设计和材料也在不断创新，以适应更广泛的环境和应用需求。采用跟踪支架系统可以增加光伏阵列的倾斜度，使太阳光直射光伏板，从而提高发电量。柔性支架技术通过采用预应力钢绞线和张拉技术，提供了更大的安装灵活性和适应性，这种支架系统能够适应不同的地形和地面条件，包括山地、水面等，有效减少了传统支架在这些条件下的限制。

随着全球对环境保护意识的提高，减少能源消耗和碳排放成为光伏产业发展的重要方向。可以预料的是，随着技术的不断进步，光伏支架和组件将更加智能化和自动化；随着新材料和新技术的出现，光伏支架的设计和材料将更加多样化和环保，这将进一步推动光伏产业的可持续发展。

责任编辑：清韵