倾斜角可调光伏支架设计(课程设计)

1、- - I-倾斜角可调光伏支架设计（光伏发电技术课程设计）目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章绪论3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 能源与环境3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2太阳能3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.3光伏发电的优缺点4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.4光伏发电现状5 HY

2、PERLINK l bookmark14 o Current Document 第2章光伏发电6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.1光伏发电原理及特性6光伏电池的种类7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 光伏市场7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 光伏的应用92.3.1独立光伏系统102.3.2并网光伏系统10大规模光伏电站12光伏发电应用展望12 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第3章

3、固定式光伏支架倾斜角选择14 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 固定式光伏支架与其他支架的比较14 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.2固定可调式支架结构14 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.3固定可调式支架与固定倾角式支架主要经济指标比较15 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 常见的固定可调式光伏支架技术经济比较15 HYPERLINK l bookmark40 o Current D

4、ocument 3.5最佳倾斜角的选取16 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3.6光伏发电太阳能电池板最佳倾斜角与转换效率17 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 第4章倾斜角可调光伏支架设计19 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 倾斜角可调光伏支架的连接方式19 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 4.2倾斜角可调光伏支架的特征19 HYPERLINK l bookmark50 o Current

5、 Document 4.3倾斜角可调光伏支架的设计20 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4.4倾斜角可调光伏支架的构建21 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 4.5倾斜角可调光伏支架的优势22第五章总结错误!未定义书签。- - - -第1章绪论能源与环境近年来，由于传统发电系统所利用的燃料都是煤、天然气等有限自然资源，且它们的燃烧产物，大多都会给自然环境造成比较大的污染，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，在能源生产和消费中，煤炭约占商品能源消费构

6、成的75%，已成为我国大气污染的主要来源。所以，在高科技技术的引领之下，我国逐渐将光能、水能以及风能等清洁能源应用在了发电系统的设计当中，从而让其有效缓解了我国能源短缺以及环境污染的严重程度。无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的。中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。世界能源危机促使光伏发电快速发展，2006年1月1日我国也正式颁布了中华人民共和国可再生能源法，指明了我国的基本

7、国策和发展方向。为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点，光伏产业发展迅速，并首先在太阳能资源丰富的国家如德国、日本、美国等国家得到了大面积的推广和应用比如美国，奥巴马政府推出“绿色能源计划”，提出3年内使太阳能等可再生能源利用量增加1倍，到2012年，可再生能源发电比例提高到10%。在日本，政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标要达到2005年的40倍，并降低单位成本。2007年，中国光伏发电累计装机总量也已达10万千瓦。至2008年底，我国太阳能光伏发电累计装机约为15万千瓦，2010年预计达到30万千瓦。20

8、10年5月25日，昆明石林太阳能光伏并网实验示范电站开始运行，一期发电容量达到20兆瓦。实际上太阳能发电本身有更激动人心的计划，比如利用沙漠或海洋的空间面积发电，太空发电计划等，正待人们去遐想和研究如何利用太阳能。太阳能太阳能(SolarEnergy),一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球大气层，是地球上光和热的源泉自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源

9、。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的且属于一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。与原子核反应有关的能源正是核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称为原

10、子核能，简称核能，俗称原子能。它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外，还可以用作其它类型的动力源、热源等。图1.1光伏电站1.3光伏发电的优缺点光伏发电是清洁、可再生能源，与燃煤电厂相比，节约燃煤，排放无污染。光伏电站的建设不仅有较好的投资收益，而且对改变环境和节约资源具有明显的社会效益。为了实现能源和环境的可持续发展，国家将光伏发电作为发展的重点进行扶持。与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在：1无枯竭危险；2安全可靠，无噪声，无污染

11、排放外，绝对干净（无公害）；3不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂地区；4无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；5能源质量高；6使用者从感情上容易接受；7建设周期短，获取能源花费的时间短。缺点但是，太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点，在现有的条件下，生产国内自己使用的电池板还说的过去，不过大量出口等于污染中国，造福世界了，据统计，生产一块1mx1.5m的太阳能板必须燃烧超过40公斤煤，但即使中国最没有效率的火力发电厂也能够用这些煤生产130千瓦时的电一一这足够让2.2瓦的发光二极管（LED）灯泡按照每天工作12小时计算发光30年。而一块太阳

12、能电池板的设计寿命只有20年。1照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。光伏板制造过程中不环保不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源

13、，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。1.4光伏发电现状为应对全球化石燃料加速枯竭的能源危机和日益高涨的能源需求,各国大力推动可再生能源快速发展,改变能源消费结构,可再生能源将逐渐替代常规化石燃料能源。根据德国全球变化咨询委员会的研究,要实现全球能源可持续发展,则所要求的可再生能源替代比例将从2020年的20%提升到2050年的50%。011年，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)对6种可再生能源资源(生物能、太阳能、地热能、水电、海洋能、风能)进行

14、评估,结果表明太阳能资源可开发潜力是所有可再生能源中最高的。太阳能资源开发中光伏发电存在巨大的潜能。如欧盟(EU)所有合适的屋顶和外墙覆盖着太阳能电池板，则在2020年可满足其40%的用电需求；国际能源署(IEA)研究表明，若全球干燥沙漠面积的4%安装光伏组件，则可满足全球能源需求。2010年，全球新增光伏装机容量达16.6GW，较2009年增长130%，累计光伏装机容量超过40GW。相比之下，虽然2010年新增风电装机绝对量增加，但风电市场的年增长率却出现了20年来的首次下跌，较2009年新增的装机容量下降了7%。随着技术的进步，太阳能电池效率的大幅提高、成本急剧降低及化石燃料价格的飞涨，太

15、阳能光伏开发利用则步入商业化高速发展阶段。- - - -第2章光伏发电2.1光伏发电原理及特性太阳能光伏发电技术利用太阳能电池的光生伏打效应（半导体材料表面受到太阳光照射时，其内产生大量电子-空穴对，在内建电场作用下运动并产生光生直流电），是一种将太阳辐射能直接转变为电能的发电方式。根据应用场合的不同，光伏发电系统可分为离网光伏发电系统（或独立光伏发电系统）和并网光伏发电系统。光伏发电与气象条件密切相关，出力的变化具有很强的周期性，包括日变化周期和季节变化周期；受太阳能辐射时空分布随机性和间歇性等影响，光伏发电出力具有不连续和不稳定特性，见图2.1。通过光伏发电预报技术可为电网科学调度和制定发

16、电规划提供依据，有效降低光伏发电出力波动对电网的冲击。4000350()3000250()20001500100050008-010802080308-04080508-0608-07时间（冃旧）图2.12010年8月17日武汉地区某光伏并网逆变器输出功率曲线其主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧厘米以上的P型单晶硅。包括p-n结、电极和减反射膜等部分。受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从2X2厘米至5.9X5.9厘米，输出功率为数十至数百毫瓦,它的理论光

17、电转换效率为20%，实际已达到11.2%14.8%。单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24%，实际达到18%。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。级联p-n结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的p-n结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐增长，这种电池可以充分利用日光，光电转换效率大大提高。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射体、绒面和多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。光伏电池的种类1880年欧洲就开发出以硒为基础的太阳能电池，1954年贝

18、尔实验室开发出了实用的，转换效率为6%的单晶硅太阳能电池。我国是在1958年进行太阳能电池研究的，1971年用于卫星东方红二号，1973年用于地面。太阳能电池是将光能转换为电能的器件。现在商用的太阳能电池其转换效率在8%-17%之间，实验室已有大于21%的报道；材料多数为单晶硅、多晶硅、无晶硅，也有塑料薄膜太阳能电池（*），转换效率在4%-8%之间；国内商业价格在18-38元/WP（峰瓦）。在国外，德国、澳大利亚、美国的研发能力强，日本次之。但日本的生产能力在2005年以前占世界的46.5%。澳大利亚后来居上，其BPsolar公司目前成为世界上太阳能电池领域最大的、最成功的公司。从产生技术的成

19、熟度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段:第一代太阳电池：晶体硅电池;第二代太阳电池：各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池（a-Si）、碲化镉太阳电池（CdTe）、铜铟镓硒太阳电池（CIGS）、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等；第三代太阳电池：各种超叠层太阳电池、热光伏电池（TPV）、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。电池结构划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。按照使用的基本材料不同，太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、燃料敏化电池和有机薄膜电池几种。硅基太阳电池硅基电池

20、包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。产业化晶体硅电池的效率可达到14%20%（单晶体硅电池16%20%，多晶体硅14%16%）。目前产业化太阳电池中，多晶硅和单晶硅太阳电池所占比例近90%。硅基电池广泛应用于并网发电、离网发电、商业应用等领域。光伏市场近30年来,太阳能电池技术在研发、商业化生产和市场开拓方面都获得了长足进步,已成为世界快速稳定发展的新兴产业之一。目前,全世界已有17.5万个村庄使用太阳能电池发电，美国有超过20万个家庭使用各种类型的太阳能电池发电装置。光伏系统已广泛用于通信、照明、农业灌溉、阴极保护、水质净化、环境监测、健康护理、航海和航空、公共电力，以及其它商业领域。光伏系

21、统的广泛应用引起了公众与政府的极大兴趣，从而使得光伏系统技术的进一步发展提供了机会。20世纪90年代后期发展更加迅速，1999年生产达到200MW，2002年年产量已超过559.3MW，较上年增长39.34%。在产业方面，各国一直通过扩大生产规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施来降低成本，并取得了巨大的进展。商品化效率从10%-13%提高到13%-17%,生产规模增从每年1-5MW发展到15-50MW，并正向2GW甚至10GW的方向发展。在各国政府清洁能源计划和相关政策、法规的推动下，产业界纷纷扩大太阳能电池的生产能力。德国的10万个屋顶光伏太阳能计划及2000年开始实施的“可再

22、生能源电力法”，对德国太阳能产业的发展起到了巨大推动作用，2000年前3个月，德国的太阳能电池总装数量等于在此之前的总和。2000年内，欧洲至少有4个全自动化太阳能电池生产线投入运行，加上其他新建厂和原有厂，总生产能力达到100MW，是4年前的10倍。在澳大利亚，BPsolar公司目前已成为世界太阳能领域最大、最成功的公司之一。该公司生产的高效率太阳能电池是世界上投入商业运行效率最高的硅太阳能电池，基于薄膜技术生产的太阳能电池板也处于领先地位，2001年，该公司25MW生产线投入运行，并在德国、西班牙等国建立了太阳能电池生产厂，2001年产量为60MW，其后两年内将达到100MW的生产能力。B

23、Psolar公司的产品已经在世界各大洲投入使用，并在60多个国家实现了商业化。在日本，夏普公司投资1亿美元，于2000年3月把其30MW太阳能电池生产线扩大成60MW。三菱公司计划将6MW的工厂扩大到12MW，并在近期把销售计划提高到50MW。三洋电器宣布，在2001-2005年间，把其太阳能电池生产能力增加8倍，现有的生产能力为每年15MW，以后每年投资0.48-0.95亿美元，到2005年，使生产能力增加到每年120MW。届时，日本太阳能电池生产能力预计达340MW，其中三洋公司占30%的份额。在美国，Ohio公司的FirstSolarofToledo正在建年生产能力100MW的薄膜CdT

24、e电池生产线，该生产线于2000年第二季度开始生产，初期年生产能力20-30MW。美国ManneSola将在Nevada建造全自动化的年产100MW太阳能电池的制造厂。近年来，发展中国家的太阳能电池产业一直保持着世界太阳能电池10%左右的产量。其中印度近几年发展迅速，居发展中国家领先地位，目前其太阳能电池年生产量约60MW，累计安装量50-60MW。世界太阳能电池市场增长更加迅速，从过去的年增长15%发展到近3年平均年增长率超过30%。太阳能电池产业的迅速崛起带动了相关领域的发展，同时太阳能电池技术还创造了许多工作岗位和就业机会。例如1996年，世界范围销售的太阳能电池产品总量超过90MW，在

25、10亿美元的全球市场，美国公司占有43%的份额，太阳能工业直接雇佣了近2万人，并在诸如玻璃制造、金属加工、管道阀门、建筑和系统设计，以及蓄电池和电气设备等领域提供了15万个工作岗位。实际上，每1亿美元的太阳能电池产品销售额就创造了3800个工作岗位。太阳能电池产业为世界140多个国家创造了可持续发展的经济机会。从1958年起，中国就近行了太阳能电池的研究，20世纪70年代初，中国成功地制造出空间使用的太阳能电源。20世纪70年代中期以来，中国自制的太阳能航标灯、太阳能灯塔、气象及通信用太阳能电源开始使用，太阳能电池技术的应用逐渐扩大到地面并逐步形成了中国的太阳能电池产业。20世纪80年代，中国

26、先后引进了美国的单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池生产设备，使中国的太阳能电池工业开始起步。目前我国大约有40多家研究机构和大学参与太阳能电池技术研究与开发活动，太阳能系统的研究与开发工作取得了很大进展，主要包括100-500W控制及逆变成套设备、1-5kW光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源、集中式光伏电站及5kW光伏并网示范系统等，在部件方面，主要有10kW、15kW逆变器及30kW正弦波逆变器等，同时还成功地研究出新型太阳能电池及组件特性测试设备。在化石能源短缺、CO2减排压力及多国财政补贴政策刺激下，光伏发电成为全球发展最快的可再生能源发电技术。根据E

27、PIA2011年的统计,20012010年全球光伏累计装机容量增长迅速，见图2.2。在灵活而富有成效的激励政策下如上网电价法(FIT)的实行，全球的光玄貯潮怖足甥a来fc脈年份图2.220012010年全球累计光伏装机容量近10年来，全球光伏的年装机容量及年增长率见图2.3。由图可看出，2008年出现历史上高位增长，年增长率达145%,在金融危机爆发后，2009年的年增长率有所放缓，但2010年实现了年增长率为130%的高增长。德国累计光伏装机容量遥遥领先其他国家，2010年年底达到18.0GW,占其电力供应的13%。642O8.642TL11tl1j020012002200320042005

28、2006200720皿20092010年份图2.320012010年全球年光伏装机容量2.3光伏的应用近年来随着技术的发展和刺激政策的出台，并网光伏发电系统市场份额不断扩大，并在2000年取代了离网光伏系统成为全球光伏应用最大的市场14。2006年全球并网光伏发电系统所占份额达到75%以上15,而发达国家并网光伏发电系统的市场份额更高。据统计, # - -2008年年底欧盟累计的并网光伏发电系统占98.7%,离网光伏系统仅占1.3%16。而根据solarbuzz2010的统计,2009年新增的离网系统不到3.7%,而新增并网系统占到96.3%以上。2007年以来,MW级并网光伏电站大量涌现，全

29、球并网光伏发电步入大规模发展阶段。2008年以来，全球建成约2000个大型并网光伏电站（容量超过200kW）,其中50%以上电站为MW级，且主要分布在西班牙、德国、美国等国。2008年新增大型并网光伏电站占当年新增光伏装机容量的53.8%。目前我国太阳能光伏发电应用形式主要为农村电气化和通信及工业供电中的独立光伏发电系统，并存在一部分光伏与建筑集成系统和荒漠光伏电站。2.3.1独立光伏系统独立光伏发电系统指采用光伏组件方阵为主要供电电源，通过独立小电网为居住相对集中的用户群供电的系统。通常供电半径不超过1km,以保证末端用户的供电电压。这样的系统一般用于解决偏远山区、沿海的村落供电问题。独立光

30、伏系统可根据有无储能设备分为两种形式:一种不带储能设备，系统发出来的电直接供负载使用，这种情况下负载的工作完全取决于太阳辐射情况;另外一种带储能设备，光伏阵列发出的电能除直接供负载使用外，剩余部分可通过储能设备（一般是蓄电池）储存起来,供需要时使用。我国政府于2002年启动的“送电到乡”工程大部分使用带储能设备的独立光伏户用系统，解决了西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川近800个无电乡的用电问题，光伏发电总容量达到19.6MWp。另一种应用比较广泛的独立系统是太阳能公共场所照明系统，北京市计划2007年在近郊安装3.3万盏太阳能路灯，其它省市政府也在不断地加大对太阳能照明系统

31、的投入力度，包括路灯、交通灯等。图2.4“送电到乡”项目照片2.3.2并网光伏系统并网光伏系统是指太阳电池方阵经过电力变换器与电网并联发电。并网光伏系统可分为户用并网光伏系统、光伏建筑一体化（BIPV）系统和大规模光伏电站。2007年8月，发展改革委、环保总局、电监会、能源办共同推出了节能发电调度办法试行）；2007年9月，国家电力监管委员会正式实施电网企业全额收购可再生能源电量监管办法，这将进一步推动大规模并网光伏系统的发展。到目前为止，我国已经实现了兆瓦级电站的建设，国家又相继支持了几个兆瓦级课题项目，力求在大规模光伏并网发电领域取得突破。户用并网光伏系统：这是专门供给家庭用电需要的光伏系

32、统，通常与电网并联，光伏阵列发出的电力供应家用电器使用，如有多余，可以输入电网。光伏阵列发出的电力不足时，则由电网向家用电器供应部分或全部电力。光伏户用系统结构较为简单，控制器和逆变器可以集成为一体，蓄电池应选择专门用于光伏系统的产品，我国有从low到lkW的系列产品。近年来，由于用户对供电可靠性的要求不断提高，户用风/光互补系统应用正在兴起。BIPV系统：BIPV系统是应用光伏发电的一种新概念，是太阳能光伏系统与现代建筑的完美结合。在现代建筑设计中，在建筑结构外表面铺设光伏组件提供电能。在城市里发展太阳能光伏发电可高效利用太阳能所发的电能，我国已经有不少示范项目成功地实现了光伏系统与建筑结合

33、的一体化模式，在有限的城市空间实现太阳能的无限利用。2004年,亚洲最大的lMWp太阳能并网光伏电站在深圳国际花卉园艺博览园落户；2005年，首都博物馆300kWp并网光伏系统建成；国家体育馆lOOkWp并网光伏电站正在施工中。这些项目充分展示了我国在太阳能光伏发电与现代建筑一体化领域的成就。图2.5深圳国际花卉园艺博览园lMWp系统图2.6首都博物馆300kWp系统- - -图2.7国家体育馆lOOkWp系统2.3.3大规模光伏电站随着化石能源的逐渐消耗殆尽，环境问题日益严重，可再生能源正在快速发展为战略替代能源，太阳能将必然成为最重要的电力能源。位于广阔的沙漠、干旱和半干旱地区的超大规模光

34、伏电站，其容量可达到1OMW以上，甚至达到几GW。据统计，我国有荒漠面积108万km2,主要分布在光照资源丰富的西北地区。规模在10MW以上，甚至达到几GW的光伏电站，可集中分布在几十km2的广阔地域。若将20%的面积用于开发太阳能光伏发电，将产生30万亿kWh电能，相当于2006年全年发电量的11倍。2005年，我国首座荒漠光伏电站在西藏羊八井地区建成，电站容量为100kWp，预计在未来几年内扩建成10MW的规模。图2.8西藏羊八井100KWp并网光伏电站2.3.4光伏发电应用展望据统计，2001年以后，我国电力需求以每年超过20%的速度增长，到2003年全国出现电力供应严重不足的现象。依照

35、目前的经济发展趋势和中国的资源情况，2010年和2020年的电力供应单靠传统的煤、水、核是不够的。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，我国拥有较丰富的太阳辐射资源,具备大规模发展光伏发电的有利条件，一个新的能源时代将离我们越来越近。- - -第3章固定式光伏支架倾斜角选择固定式光伏支架与其他支架的比较目前大型地面光伏电站光伏支架的常用形式有两大类：固定倾角式和跟踪式，而根据支架跟踪方式的不同，跟踪式又分为斜单轴跟踪、平单轴跟踪和双轴跟踪。所谓固定倾角式支架是指以一年中光伏电池板获得太阳辐射量最大的倾角作为支架的安装倾角，该倾角在电站运行过程中始终保持不变。所谓跟踪式支架主要是通过电

36、机控制追踪太阳高度角和方位角来获得更多太阳能辐射，从而使发电量增加的支架形式。据最新统计表明，全球大型地面光伏电站中约有27%采用了自动跟踪式，其余大部分采用固定倾角式。根据已建工程调研数据，与固定倾角式支架相比，若采用跟踪方式，系统实际发电量可提高约15%25%。跟踪式光伏支架，尤其是双轴跟踪式支架，不仅占地面积大，而且由于需要动力装置不停调整电池板的角度，运营成本高。在使用过程中，跟踪式支架容易出现故障，需要大量的人力物力进行维护。随着时间的推移，跟踪式支架的动力装置及零部件将逐步老化磨损，使用时间越久所需的维护及维修费用越高。此外，跟踪式支架不停调整角度使结构整体稳定性偏低，抗风能力较弱

37、。固定倾角式支架虽然发电量不及跟踪式支架，但是其结构形式简单，运营成本及维护费用很低，结构的安全稳定性好，从光伏电站的长期服役效果来看，固定式支架有显著优势。所以在跟踪式支架相关技术未达到很高水平时，固定倾角式支架仍作为主要的支架形式广泛应用于光伏电站中。固定可调式支架结构固定可调式支架主要是根据光伏电站所在地的全年光照情况，将全年时间分成若干段，寻找到固定时间段内发电量最大的光伏组件倾角，每年按不同时间段的最佳倾角对光伏组件的倾角进行有限次数的调整，每次角度调整完毕后，支架利用自带的连接件进行固定，形成如同固定倾角式支架一样稳固的一种支架形式。与固定倾角式支架相比，固定可调式支架可提高发电量

38、；与跟踪支架相比，固定可调式支架的成本及后期维护费用较低。固定可调式支架结构形式简单，只需在固定式支架的基础上加以适当改造即可；结构稳定性好，兼顾了固定式支架与跟踪式支架的优点；非连续跟踪，采用有限次的方式按一定的周期对光伏组件的朝向进行调整。根据调节方式的不同，目前固定可调式光伏支架主要有：推拉杆式、半圆弧式、千斤顶式。推拉杆式固定可调支架利用支架斜撑杆在基础底部水平杆的卡槽中往返推拉移动来实现光伏支架的角度调整，角度调整完毕后用螺栓孔位进行固定。半圆弧式固定可调支架利用支架斜梁与A型竖杆的铰连接进行光伏支架角度调整，角度调整完毕后半圆弧撑杆与A型竖杆通过螺栓孔位进行固定。千斤顶式固定可调支

39、架通过连接在支架斜梁与竖杆间的菱形千斤顶伸缩调整支架角度，角度调整完毕后支架通过千斤顶的自锁实现固定。从几种固定可调式支架的结构形式可知，前两种支架的调整角度受螺栓孔数量控制，而千斤顶式固定可调支架的角度可以实现无级调节，调节次数可视具体情况增减。固定可调式支架与固定倾角式支架主要经济指标比较以青海省某10MW光伏电站为例，固定可调式支架与固定倾角式支架的电站典型经济指标对比如表3.1、表3.2所示。表3.1中的调整方案是每次调整的角度均为某一时间段的最佳倾角，表3.2中的调整方案是每次的调整角度设置在年最佳倾角及以下。从表3.1可看出，随着一年中最大倾角的增大，阵列间距也要求同时增大，因此大

40、的倾角会造成光伏场地占地面积的增大，随着调节次数的增加发电量也相应增加。表3.2是将可调倾角范围设置在最佳倾角及以下，这种限定最大倾角的优化方案的特点是不用增加光伏场地占地，适用于用地指标紧张或土地费用高的地区，其增加的发电量也较明显。表3.1不同调整角度的典型经济指标比较调整角度次数（调整的角度和范围）年辐射量/MJm-2比固定倾角发电量增加系数1MW占地面积/m2比固定倾角占地增加系数1(39)7299.281.00000020660.781.0000002(14、56)7689.231.05342222769.201.1020494(14。63)7723.251.05808323198.

41、141.1228106(13。63)7735.301.05973423198.141.12281012(365)7770.921.06461423262.671.125934表3.2年最佳倾角及以下角度调整方案典型经济指标比较调整角度次数（调整的角度或范围）年辐射量/MJm-2比固定倾角发电量增加系数1MW占地面积/m2比固定倾角占地增加系数2(14、397559.751.03568420660.7817(3397728.971.05886720660.781常见的固定可调式光伏支架技术经济比较通过对几种常见固定可调式支架的现场调研，对各种支架的建设成本、运营和维护情况进行分项对比，对比结果如

42、表3.3所示。从表3.3可以看出，千斤顶式可调支架的建设成本较低，并且运营维护方便。根据各类固定可调式支架比固定倾角式支架增加的造价（包括支架系统本体造价、土地费用、支架运维费用）和增加的发电量，计算出不同调节次数情况下各支架的差额内部收益率（本处是指与固定可调式支架相比，固定倾角式支架增量投资部分的内部收益率），如表3.4所示。表3.3各种固定可调支架基本特性比较形式项目调节难易程度可实现调整角度数单阵列一次调整需要人员支架系统增加成本/兀W-1调节操作时适宜的气象条件千斤顶式易无限1人0.25小风半圆盘式难有限个5人以上0.26微风推拉杆式难有限个5人以上0.26微风- - - 支架形式不

43、同调节次数的差额内部收益率/%13511千斤顶式15.3130150200半圆盘式14.7227107141推拉杆式14.712696127表3.4各类固定可调支架对应不同调节次数的差额内部收益率图3.1千斤顶式支架图3.2半圆盘式支架图3.3推拉杆式支架3.5最佳倾斜角的选取在太阳能热利用和光伏发电的地面应用中，通常将太阳能板朝向赤道固定放置，并且与水平面形成一定的倾斜角B,因此在太阳能工程设计中，不同地区最佳倾角的选择是一个重要的技术问题。在太阳能热利用系统中，一般要求太阳能板全年接受到的太阳辐射总量最尢在并网光伏发电系统中，一般要求太阳能电池的全年发电量最大，其大小受到太阳辐射强度、光伏

44、电池特性等因素影响，而独立光伏发电系统还受到负载、蓄电池等其他因素的影响。所以，同一纬度太阳能热利用与并网光伏发电中的太阳能板放置最佳倾角会有所不同。3.6光伏发电太阳能电池板最佳倾斜角与转换效率很多文献认为电池板倾斜角固定为当地纬度加5-15。因此本节的计算，首先计算倾斜角固定为30度的情况。在此基础上，不断增加倾斜角直到48度时，冬至正午时分太阳光线的入射角接近零，光线垂直射入倾斜面，即该角度的倾斜面在冬季可接收较多的辐照量；再从30度开始不断减小倾斜角直到1度时，夏至正午时分太阳光线的入射角接近零，即该角度的344倾斜面在夏季可接收到最多的辐照量。在逐渐增大减小倾斜角的过程中，发现倾斜角

45、为25度时可获得最大年辐照量。一年中太阳高度有四个重要节点，即春分、夏至、秋分和冬至。如果在春分时将电池板斜面调向接近夏季的最佳倾斜角，在从春分到秋分的整个夏季可以得到较大的辐照量；在秋分时将电池板斜面调向接近冬季的最佳倾斜角，则在从秋分到春分的整个冬季可以得到较大的辐照量。于是，按照春分-夏至-秋分设定一个角度，秋分-冬至-春分设定一个角度，不断改变这两个角度进行计算。通过计算分析，以年辐照量最大、均衡性最好为目标，得到最佳方案是10-41度方案，即在春分时将光伏阵列倾斜角调整为较适合夏季的10度，在秋分时将光伏阵列倾斜角调整为较适合冬季的41度。另外，有文献以最大辐照量和均衡性给出昆明地区

46、最好的倾斜角为纬度减8，即17度，为此也进行了分析计算，以做比较。不同倾斜角倾斜面上太阳辐射量的比较如表3.5所示。由表3.5可以看出，10-41度方案太阳能电池倾斜面上的太阳能辐射量是最大的，且累积偏差和最大偏差都最小，这里偏差是指月平均太阳辐射量与年平均辐射量之差。主要用来反映辐射量的均衡性。虽然14-36度方案的累积偏差小一些，但其最大偏差比10-41度方案大，且辐照量不如10-41度方案。表3.5不同倾斜角太阳辐射量的比较30度25度17度48度1度10-41度14-36度日平均辐照量kWh/m24.0284.0854.0613.7233.7734.3614.298年辐照量kWh/m2

47、1470.2211491.2011482.2401358.9351377.1301591.6121568.768年辐射量MJ/m25292.7955368.3225336.0634892.1664957.6675729.8035647.566辐射累积偏差A工2.3062.2323.8487.2658.7531.5941.456最大辐射偏差Amax0.3840.3930.7241.0331.3210.2160.229昆明属于我国太阳能资源II区，年辐射量在54006700MJ/m2，表3.5结果稍偏保守。几种固定倾斜角日平均辐照度的比较几种固定倾斜角12个月日平均辐照度kWh/m2的比较如表3.

48、6所示。表3.6几种固定倾斜角12个月日平均辐照度kWh/m2的比较月30度25度17度48度1度13.9143.7293.3744.3622.51524.4024.2784.0124.5713.25634.3484.3314.2354.1383.80044.1014.2054.3053.4874.26353.9454.1454.4043.0404.70163.7353.9804.3152.6934.77873.7824.0164.3262.7624.74083.8824.0434.2363.0874.39694.1484.2124.2493.6654.079104.3184.2564.098

49、4.2843.558113.9133.7573.4754.2452.728123.8763.6723.3134.3992.4354种较好方案的比较如表3.7所示。由表7可以看出10-41度方案是最佳方案，不仅每个月都具有较高的日均辐照度，且波动最小、均衡性最好。因此，对昆明地区而言建议采取10-41度方案，一年只需调节两次电池板的倾斜角。在没有条件调节电池板倾斜角的场合，则推荐25度固定倾斜角方案。表3.74种较好方案12个月日平均辐照度kWh/m2的比较月30度25度10-41度14-36度13.9143.7294.2274.09924.4024.2784.5574.50734.3484.3

50、314.2774.32344.1014.2054.3254.32053.9454.1454.5784.48763.7353.9804.5614.42973.7824.0164.5464.42583.8824.0434.3394.28894.1484.2124.1714.218104.3184.2564.3484.354113.9133.7574.1654.069123.8763.6724.2444.095- - 第4章倾斜角可调光伏支架设计倾斜角可调光伏支架的连接方式一种倾斜角可调节的光伏支架,其特征在于:包括连杆一（1）、用于安装光伏组件的连杆二（4）及与水平面垂直设置的连杆三（6）；连杆一

51、（1）的一端与水平面铰接，另一端与所述连杆二（4）铰接；连杆三（6）的上端与所述连杆二（4）铰接，所述连杆一（1）与连杆三（6）位于连杆二（4）的两端；连杆三（6）竖直可移动设置，用于调节连杆二（4）相对水平面的倾斜角。连杆三（6）的下端固定设置有浮子（7），浮子（7）位于相应的水箱（8）中，水箱（8）设有用于调节水箱（8）中水位的水位调节系统。水位调节系统包括与水箱相连通的水位调节水箱（11），水泵a（13）、水泵b（14）和蓄水池（17），蓄水池（17）和水位调节水箱（11）相互独立，水泵a连接有从水位调节水箱进水的进水管道a（19）和排出至蓄水池的出水管道a（16）；水泵b连接有从蓄水池

52、进水的进水管道b（18）和排出至水位调节水箱的出水管道b（12）。：还包括控制器（15）和设置于水位调节水箱的水位计，控制器分别和水位计（20）、水泵a（13）、水泵b（14）电气连接。：在光伏支架连杆三（6）的下端固定设置有浮子（7），所述浮子（7）位于相应的水箱（8）中，相邻两个光伏支架的水箱（8）通过管路a（9）连通，光伏支架系统中只设有一个光伏支架的水箱（8）设有水位调节系统。水位调节系统包括与水箱相连通的水位调节水箱（11），水泵a（13）、水泵b（14）和蓄水池（17），蓄水池（17）和水位调节水箱（11）相互独立，水泵a连接有从水位调节水箱进水的进水管道a（19）和排出至蓄水池的

53、出水管道a（16）；水泵b连接有从蓄水池进水的进水管道b（18）和排出至水位调节水箱的出水管道b（12）。还包括控制器（15）和设置于水位调节水箱的水位计，控制器分别和水位计（20）、水泵a（13）、水泵b（14）电气连接。如图4.1。倾斜角可调光伏支架的特征（1）连杆一、用于安装光伏组件的连杆二及与水平面垂直设置的连杆三；连杆一的一端与水平面铰接，另一端与连杆二铰接；连杆三的上端与连杆二铰接，连杆一与连杆三位于连杆二的两端；连杆三竖直可移动设置，用于调节连杆二相对水平面的倾斜角。（2）连杆三的下端固定设置有浮子，浮子位于相应的水箱中，水箱设有有用于调节水箱中水位的水位调节系统。（3）水位调节

54、系统包括与水箱相连通的水位调节水箱，水泵a、水泵b和蓄水池，蓄水池和水位调节水箱相互独立，水泵a连接有从水位调节水箱进水的进水管道a和排出至蓄水池的出水管道a；水泵b连接有从蓄水池进水的进水管道b和排出至水位调节水箱的出水管道b。（4）控制器和设置于水位调节水箱的水位计，控制器分别和水位计、水泵a、水泵b电气连接。（5）提供一种由光伏支架组成的光伏支架系统，光伏支架包括连杆一、用于安装光伏组件的连杆二及与水平面垂直设置的连杆三；连杆一的一端与水平面铰接，另一端与连杆二铰接，连杆三的上端与连杆二铰接，连杆一与连杆三位于连杆二的两端；连杆三竖直可移动设置，用于调节连杆二相对水平面的倾斜角。在光伏支

55、架连杆三的下端固定设置有浮子，浮子位于相应的水箱中，相邻两个光伏支架的水箱通过管路a连通，光伏支架系统中只设有一个光伏支架的水箱设有水位调节系统。水位调节系统包括与水箱相连通的水位调节水箱，水泵a、水泵b和蓄水池，蓄水池和水位调节水箱相互独立，水泵a连接有从水位调节水箱进水的进水管道a和排出至蓄水池的出水管道a；水泵b连接有从蓄水池进水的进水管道b和排出至水位调节水箱的出水管道b。控制器和设置于水位调节水箱的水位计，控制器分别和水位计、水泵a、水泵b电气连接。(8)有益效果：1.连杆二分别与连杆一和连杆三铰接，同时连杆一与水平面铰接，连杆三能随意地在竖直方向上移动，同时可带动用于安装光伏组件的连杆二移动，从而实现光伏支架的倾斜角调节。2.用于调节本课题的光伏支架所采用的动力源自水的浮力，相较传统的光伏支架所采用的电机、齿轮等结构，该动力的成本更加低廉；同时每个光伏支架之间通过管道相连，根据水位向平的原理，只要调整一个光伏支架的水