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胡蟲
上海电气电站设备有限公司发电机厂（200240 ) Features and Development Trend of the Photovoltaic Tracking Bracket Product
HU Lei
Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd. Generator Plant
摘要：从发电原理和平准化度电成本角度来看，光伏是未来最有发展潜力的新能源利用方式。作为光伏 发电系统的关键设备之一，至少需要从成本和可靠性两 个维度来理解跟踪支架产品的特点。文章根据现有支架 行业主流企业的产品特点，对跟踪支架的发展趋势进行 预测。 关键词：光伏跟踪支架产品特点发展趋势
中图分类号：T M359文献标识码：B
DOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2021.01.014
Abstract: From the perspective of the principle of power generation and levelized cost of energy, photovoltaic is the most potential new energy utilization mode in the future. As one of the key equipments in the photovoltaic power generation system, it is necessary to understand the tracking bracket products from two dimensions of the cost and reliability. Development trend of the tracking bracket products is predicated in accordance with features of the product by main enterprises in the current tracking bracket industry.
Keywords: photovoltaic tracking bracket product features development trend
随着全球能源低碳化的发展，清洁能源逐渐 取代传统能源的趋势越来越明显。在现有的清 洁能源中，太阳能光伏发电是未来最有发展潜力 的新能源利用方式之一。
根据国际可再生能源署（I R E N A)的统计' 光伏是近10年来平准化度电成本（Levelized Cost of E n e r g y，简称L C O E)降低最显著的可 再生能源：2019年，加权后的L C O E已降至每度0.068美元，比2010年下降82%，下降幅度远超其 它可再生能源。
上述数据是全球光伏电站平准化度电成本 的加权平均结果，如果以电站系统运营能力较高 的头部光伏电站的真实上网电价为例进行分析，结论更为明显：
上海电气EPC总包、正在执行中的迪拜穆罕 默德•本拉希德•阿勒马克图姆太阳能公园（Mohammed Bin Rashid A1Maktoum Solar Park)IV 期项目，光伏上网电价为每度2.40美分；而上海 电气刚刚签署EPC总包合同的V期项目，光伏上 网电价为每度1.695 3美分。
作为对比，2018年我国最低上网电价由青海 格尔木500 MW领跑者项目创造，为每度0.316元 人民币，而当地火电脱硫标杆电价为每度0.324 7 元人民币。这是国内光伏上网电价首次低于火电，具有里程碑意义。随着光伏发电成本的持续 走低，2020年我国已经有相当比例的集中式光伏 电站，实现发电侧平价上网。
之所以认为光伏不但是未来最有发展潜力 的清洁能源，同时也是最有希望成为全球主力清 洁能源的原因如下：
(1)技术角度：一方面，光伏产业链各环节，尤其是硅料、硅片、电池片和组件核心环节，在过 去十年间成本大幅下降、效率大幅提升，进步幅 度远超过其它任何能源利用形式；另一方面，光 伏发电路径最短，是唯一不需要经过化学能-机
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械能-电能，甚至机械能-电能转化路径的发电方 式，这点是其它清洁能力无法逾越的物理优势；同时，整个电站系统甚至可以做到没有任何旋转 设备，从系统后期长期运行的安全性和可靠性角 度考虑，也是一个天然的巨大优势。
(2)成本角度：全球范围内，优秀的光伏电 站其度电成本早已下探到当地脱硫燃煤上网电 价以下，具备成长为主力能源的条件，不再是只 能依靠补贴才能存续和发展。
上海电气电站设备有限公司发电机厂（以下 简称上发厂），是我国汽轮发电机行业的摇篮：新中国第一台汽轮发电机（6 000 kW空冷）于 1954年诞生在此。上发厂在努力维持国内大型汽 轮发电机行业领先地位的同时，也在积极布局新 能源产业，光伏支架的设计及制造就是其中一个 重要的方向。
1跟踪支架行业分析
支架行业位于光伏产业链中游，主要包括固 定支架和跟踪支架两大类。
固定支架进入门槛低、毛利率低且产品同质 化严重。在光伏平价上网的背景下，以往更关注 设备投资、固定支架占主导（即“每瓦成本”）的 时代，必将向更关注投资回报、跟踪支架占主导 (即“每度成本”）的时代转变。
对于跟踪支架而言，由于它包括控制器、驱 动及传动机构、钢结构等，属于一个自成体系的 机电控 制系统。主要有单轴和双轴两种跟踪支架，其中单轴又分为平单轴和斜单轴，当前市场 上主要以平单轴为主。
由于支架所处工作环境恶劣，对各部分机构 的可靠性要求很高。相对于固定支架而言，跟踪 支架有不同程度的发电量增益：以平单轴为例，大约提升1〇%~20% (不同纬度地区有差异）。对 于光伏电站的业主或者EPC总包方而言，如果跟 踪支架增加的成本低于发电收益，并且后期运行 稳定可靠，就值得投资。
放眼全球，跟踪支架已经在国外大量的光伏电站中得到应用：2019年，全球光伏新增装机 容量为114.9 GW，跟踪支架出货量35 GW，占比 30.5%〇
回到国内，由于初期补贴占据主导，市场没 有发育成熟，所以跟踪支架的占比较低[2]: 2016 年以前，跟踪支架占比不足2%; 2019年，我国光 伏新增并网容量30.1 GW，跟踪支架占比16%。
随着光伏发电的日趋成熟以及平价时代的 到来，可以预测跟踪支架在国内外的占比均会继 续上升，后续仍有较大的增长空间。
终身制2 跟踪支架产品特点
光伏跟踪支架由控制器（一般内部同时集成 控制算法）、电机和传动机构、钢结构支架组成，其大致
逻辑关系如图1所示。
其中：追踪算法完成地理坐标和气候信息到 控制角度的转换；控制器实现角度信号到电机控 制电流的转换，同时完成无线通讯、锂电池充电 和接收传感器信号的功能；电机和传动机构是跟 踪运动的执行部件；钢结构支架实现抗风和抗震的功能，同时承载光伏组件。
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图1光伏跟踪支架逻辑功能示意图
2.1总体排布
目前主流支架企业中，支架总体排布主要有 纵向扩展（多排联动）和横向扩展（单排独立控 制）两大技术流派，如图2所示。
两种技术流派的优缺点如下：
(1)纵向扩展的优势是动力源少、成本低，劣势是现场人员及清洗机器人的通过性差，抗 沉降性稍弱。典型代表企业是美国的A R R A Y Technologies，国内企业如中信博的早期产品，也 曾采用此技术路线。
《电机技本》2021年第1期.61.
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(2)横向扩展的优势是通过性及对地面 适应性好，劣势是驱动源较多、成本稍高。目前 全球跟踪支架出货量排名前列的企业，大多采 用此技术路线，如国外的NEXTracker 、Soltec 、
PVHardware 、Ncalve 、IDEEMATEC 以及国内的 中信博、金山太阳能等。
(a )纵向扩展：ARRAY Technologies 公司产品
(b )横向扩展：NEXTracker 公司产品 图2安徽农学通报
光伏跟踪支架两种技术流派
2.2控制器
光伏跟踪支架的控制器由信号输入模块、 电源管理模块、逻辑控制模块、驱动电路模块以 及无线通信模块组成，需要实现时控跟踪角度 调整、GPS 校准、电机驱动、联机组网（RS 485,
Zigbee , LoRa )、风雪保护等功能。
在跟踪算法方面，目前普遍采用的天文算 法，主要基于地理位置和时间信息使得组件实 时正对太阳。此外，考虑到早晚太阳入射角度较 小，可能会造成阵列间的遮挡，主流的控制算法 都辅助以逆跟踪算法功能。
另外，算法中还会配备一些如风雪保护、雨 天自洁和大风保护等功能。
2.3主梁结构
对于跟踪支架，其主梁起到双向承上启下的 作用，是支架结构的中枢：一方面传递扭矩、转 动组件，使跟踪支架根据控制器的指令实现转 动；另一方面将组件本身及其承受的风、雪等载 荷，反向传递给立柱。
其结构又可以分为单梁（闭口截面）结构和 双梁结构两种，如图3所示。
U )单梁结构：NEXTracker 公司产品
(b )双梁结构：IDEEMATEC 公司产品 图3
光伏跟踪支架两种主梁结构
两种主梁结构的优缺点如下：
(1) 单梁结构在传递力矩时，风荷载通过组 件传递到檩条上，而檩条上荷载以剪力和扭矩形
式作用在主横梁上，结构扭转固有频率较低，导 致需要较大的大风保护角度。
(2)
双梁结构在传递力矩时，风荷载通过组
件作用在双梁上，双梁通过斜梁和斜支撑结构 将载荷传递给立柱，因为具备较大的机构刚度， 大风保护角度可以放置在〇°附近，设计风压较 小。
2.4传动装置
目前广泛采用的传动装置有推杆和回转器 两种，如图4所示。
推扦的成本稍低一些
环氧大豆油回转器直接驱动：配合单主梁结构使用
(a )推杆
(伞齿轮传动+丝杠螺母传动）
回转器t 钢丝绳等机沟：K 合双主梁结构使用
(b )回转器（涡轮蜗杆）
图4
光伏跟踪支架两种传动装置
两种常见传动装置的优缺点如下：(1 )回转器常采用涡轮蜗杆机构，可以直接
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ebscohost扭转主梁，也可以与钢丝绳、滚子齿轮配合扭转 主梁，提高负载力臂。性能可靠，使用寿命长，但 价格高。
(2)推杆一般由一级锥齿轮传动和丝杠螺 母传动组成，成本较回转器低一些，可直接推动 独立力臂或双梁结构。
2.5风洞测试及结构计算
对于跟踪支架产品，除了上述列举的主要结 构以外，风洞测试和结构计算是两个核心环节。
开展风洞试验主要基于以下考虑：
第一，常用的平单轴跟踪支架为单自由度(单轴转动）系统，风荷载作用在转动轴上形成 扭矩。而现有的很多荷载规范里，跟踪器表面 上、下部分压力系数为同一个数值，无法形成一 个扭矩。
第二，目前荷载规范里只使用单一的压力系 数，而每排跟踪支架由于其在阵列中的位置不同，压力系数会有差异。使用同一个压力或者扭 矩系数设计所有的跟踪支架，并不符合实际情 况。在设计时，
对外围跟踪支架，需要考虑更大 的风压，而对于内围跟踪支架，需要考虑的风压 可以减小，以降低成本。
第三，风致振动会严重破坏跟踪支架。仅通 过固有频率评判系统抗风振性能已不足以满足 需求。大风情况下，组件平放，即倾斜角度〇°往 往是十分危险的，是不稳定的气动外形。业内头 部企业如NEXTracker、ARRAY Technologies、Soltec和中信博，都通过风洞试验来确定大风条 件下的组件稳定倾斜角度。
通过风洞测试，一方面可以获得跟踪支架的 静态风荷载压力及扭矩系数；另一方面，分析跟 踪支架的动态风荷载响应，对于结构可靠性和成 本优化均有十分重要的意义。
另外，进行风洞测试也是很多国外项目中业 主的强制性要求。而且，在跟踪支架设计之初就 进行相关风洞实验工作，也已成为行业内的共 识。
对于跟踪支架，钢结构计算也是其研发的核心工作之一，它直接决定产品是否安全、是否符合国内外标准、是否能通过项目的第三方审核 等。另外，钢结构计算也决定了系统的成本，且需 结合风洞试验数据，尽可能优化系统的用钢量。
由于跟踪支架行业成本竞争十分激烈，每一 个项目都需要进行用钢量优化。所以，钢结构计 算往往并不是针对某一特定型号的跟踪器产品，而是针对不同的项目进行计算。
3 跟踪支架发展趋势
如今，光伏跟踪支架正朝着双排组件竖放(2P)方向发展，以尽可能降低成本。但是，现有 市场上的主流产品仍以单排组件竖放（1P)为主，1P和2P何种会最终占据市场主导地位，目前尚不 明朗，还有待市场检验。
结构方面，光伏跟踪支架逐渐采用多点平行 驱动机构，以提高系统的固有频率，提升抗风性 能，从而实现大风保护角度的减小，并降低用钢 量。控制器方面，跟踪支架制造商应在算法方面 投入力量，研究和开发全局最优算法，以产生更 多的发电量。运维方面，无线通讯方式应用越来 越普遍，可实现大规模光伏跟踪支架的集中控制 和数据收集，同时减少现场线缆铺设。另外，现 场快速安装、尽量减少后期运维工作量、简单可 靠的支架连接件结构等，也是重要的发展方向。
上述技术正日益成为光伏跟踪支架的主流技术，具体如图5所示。
图5光伏跟踪支架的发展趋势
4 结语
本文对光伏发电在技术和成本两方面的优
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势进行分析，指出其为所有清洁能源中最有发展 潜力的一种，也是最有希望成为主力能源的清洁 能源，发展前景广阔。
对现有跟踪支架行业主流产品的特点进行 了分析，并对其发展趋势进行了预测，供支架行 业的研发人员参考。
参
考
文
献
[1] International Renewable Energy Agency . Renewable Power
Generation Costs in 2019[R ]. Abu Dhabi ： IRENA , 2020.
(收稿日期：2020-10-05)
作者简介：胡磊，男，1980年2月生，工学博士，高级工程师，现从 事大型汽轮发电机通风冷却系统、太阳能光伏支架系统的研发工 作。
(上接第42页）
动态大修周期方式进行编排实施。进一步做好发 电机设备状态检修工作，以设备运行健康状态制 定合理的检修计划，不但对发电机设备的安全、 稳定性提供了可靠保障，更能确保设备可利用 率，提高电厂的经济效益。
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傅里叶变换对
图2
膛内机器人及槽楔松紧度测量图表
图3膛内定、转子高清可视化检测截图【2】
图4铁心ELCID 检测故障电流分布图及单槽波形图W
5 结语
通过引进发电机膛内机器人检测手段，可全 面掌握发电机设备的健康状态，从而制定更为合 理的发电机设备大修周期。一方面避免了因设备 欠修而导致的安全隐患；另一方面，也可避免因 设备的过修而导致的浪费检修资源，影响企业经 济效益的情况。该检测手段打破了传统固定周期 大修的检修模式，为进一步做好设备状态检修工 作，提供了可借鉴和参照的管理实施经验。
参
考
文
献
[1]唐强，顾春雷.金子纯.发电机定子膛内机器人检测系统的开发
与应用[J ]，电机技术.2019 (6) : 40-43.
(收稿日期：2020-10-05)
作者简介：李海营，男，1986年8月生，本科，电力系统及其自动化专 业，工程师，现从事火力发电机组设备检修，维护工作。
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