摘要：通过对宁夏地区一年的太阳运行轨迹和光伏发电效率的分析，得出合理的调整太阳能电池板的对光角度，能够有效地提高发电效率。传统的固定支架由于对光角度不能调整，一年四季只有一个角度，所以发电量较低；而一些新型追日跟踪可调支架，组成机构复杂，运动机械部件繁多，建设成本高昂，因设备所处环境较差，造成机构故障率较高，使用维护要求高，目前还处于实验研究领域。本文提出的固定可调支架，是在固定支架的基础上增加水平方向上的角度调节，结构简单，操作方便，成本低且有效地提高了发电效益。
关键词：固定可调支架；光伏发电；发电效率
随着社会和经济的快速发展，对能源的需求也越来越大，如煤炭、石油、天然气、核电等传统能源和光伏、风电、生物质能等新能源。但传统能源不可再生，污染大利用效率低，既破坏生态又成本高，与当前低碳经济的发展理念不相符合。而太阳能、风能等一些新型能源取之不尽用之不竭，刚好补缺了能源短缺这一因素。使得风力发电、光伏发电得到了快速的发展。截至2016年底，我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量7742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。其中，光伏电站累计装机容量6710万千瓦，分布式1032万千瓦，年发电量662亿千瓦时，占我国全年总发电量的1%，减少排放量约为0.635亿吨。
光伏发电的快速发展，国内对其电价也做出了调整，而且光伏发电占地面大、受地域限制，如何提高系统效率，已越来越受广泛关注。如通过逆变器，变压器，组件控制器等设备提高系统百分之一的效率，需要耗费大量的人力物力。但通过支架提高发电效率则可以在稍增加成本基础上获得可观的提高量。目前国内光伏电站传统的支架形式分为2 种，固定支架系统与跟踪支架系统。固定支架系统在国内应用较为广泛，其优势在于价格低廉，结构稳定。但对于光伏系统而言，年平均日照时数较低。跟踪式支架系统可分为单轴与双轴，其优势在于年平均日照时数高，但先期投资成本较高，后期需要一定的维护，且维护难度较大。本文针对上述情况，提出了固定可调支架，既弥补的了固定支架发电效率较低的不足，提高了发电效率，而维护成本相对光伏跟踪支架很低。
1光伏发电的原理
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属内部引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。“光生伏特效应”,简称“光伏效应”，指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光伏发电系统是把太阳能电池经过串、并联组成电池组件（阵列），电池组件安装在支架上，然后将支架排列成预定的整列，光照射在光伏组件上形成电流，通过汇流箱连接到逆变器、升压站，逆变升压并入电网的发电系统。通常情况下，调整光伏支架和太阳光达夹角达到90°能够有效地提高发电效率。
2 固定可调支架的设计
2.1 固定支架结构
图1 固定支架
2.2 改造方案
2.2.1拆除原来固定支架将电池板放置一边，待用，如图1所示；
2.2.2对螺旋桩进行改造，在保留螺旋桩基础上，将上面的前后支撑切割成一定长度（200-300㎜）与提供的基础板焊接；
2.2.3调校基础板平面，使其保持在一个水平面内，在调校后的基础版上安装三角支架；
2.2.4调校支架距离位置，使支架在竖直方向保持平行，水平方向保持孔位同轴；
2.2.5对电池板下面的横梁进行改制，如图2所示；
2.2.6将电池板及横梁放置到摆动铰支上；
2.2.7调校电池板水平位置；
2.2.8安装扇形齿轮机构、刹车制动机构；
2.2.9安装曲柄机构，调校运动、调校各个联轴器的位置；
2.2.10安装电机及制动摇杆、电控箱；
2.2.11测试机构，调整至最佳状态；
2.3 固定可调支架的结构
（注：电池组件东西方向安装，电池板水平位置为零角度，电池板向南倾斜与水平面形成一个角度为正角度，电池板向北倾斜与水平面形成一个角度为负角度。）
图2 固定可调支架结构
2.3.1一组光伏支架由7个钢构框架组成(如图3)；
2.3.2每4组光伏支架由一个电动传动机构带动进行角度调整；
2.3.3电动传动机构由250W-240Vac电动机、1:3000变速机、扇形齿圈、三角托架、锁紧定位机构、传达万向连轴、控制箱组成；
2.3.4图3为按照设计方案改造后的实物图,其可调角度范围为-50°到50°。
3 固定可调支架的角度调整方案
3.1 宁夏地区太阳运行轨迹
图3 宁夏地区太阳运行轨迹图
3.1.1图中太阳轨迹，夏至6:15分太阳从东北方向升起，19:30分西北方向落下，轨迹半圆扇面与地平线夹角为73.5°；
3.1.2春分、秋分7:15分太阳从正东方向升起，18:30分正西方向落下，轨迹半圆扇面与地平线夹角50.5°；
3.1.3冬至8:15分太阳从东南方向升起，17：15分西南方向落下，轨迹半圆扇面与地平线夹角30.5度。
3.1.4冬至（12月21-23日），春分（3月20-22日），夏至（6月21-22日），秋分（9月22-24日）。
3.2 调整周期及角度
根据宁夏青铜峡气象局提供的太阳运行轨迹（图4）数据分析，不同季节太阳高度角有所不同，光伏板的仰角应随季节的不同而有所变化，才能达到最佳照射角，达到最佳发电效率，36°的角度（注：36°角为宁夏地区固定支架光伏组件一年中发电量为最大时的最佳倾斜角。）并不是全年所有时间段的最佳角度。为此，现场光伏板的角度应随季节变化，最佳角度调整如下：
表1支架最佳角度调整表
4 固定可调支架发电量对比分析
4.1 光伏板角度实验分析
2016年6月，分别在宁夏青铜峡光伏电站、红寺堡光伏电站进行多晶光伏组件可调支架改造试验，分别选取两组固定式支架改造为固定可调支架，角度调整范围50°～-50°，自2016年7月至2017年2月经过8个月的试验，固定式支架与固定可调支架发电量对比情况如下：
4.1.1固定支架与固定可调支架的试验组件发电量对比：（详见下表）：
4.1.2青铜峡光伏电站试验组件（40×230W/块=9.2kW）全年平均增发13.07%；
4.1.3红寺堡光伏电站试验组件（36×300W/块=10.8kW）全年平均增加15.25%；
4.1.4在夏至前后6个月期间，日照时间增长，在日出后和日落前这段时间组件角度调整为负角度，组件平均延长发电时间约0.5～1小时，在此期间可增发5%左右。综合加权后:青铜峡光伏电站多晶光伏组件累计增发率15.57%;红寺堡光伏电站多晶光伏组件累计增发率17.75%。
4.1.5电量对比结果
（1）固定可调支架比固定支架的增发效果十分明显，远超兄弟单位的5～8%。
（2）青铜峡光伏电站多晶光伏组件累计增发率15.57%;
（3）红寺堡光伏电站多晶光伏组件累计增发率17.75%。
4.2 经济效益分析
4.2.1多晶光伏组件每组10.8kW，利用小时1672h，年发电量1.8058万度，以增发比例18%计算，增发0.325万度，以电价1.15元/度计算，每年可多收入0.374万元。
4.2.2投资回报指标的计算:
本次试验容量2x10.8kW，总投资约2万元，每年增收约0.748万元，3年可以收回投资，投资收益率为41.71%。
结论
本文通过研究固定可调支架的技术原理，采取实验对比的方法，研究可调支架在不同角度下相对固定支架发电量的差异，分析倾角可调支架的技术经济性，主要得出以下结论：
（1）对于宁夏地区光伏电站，采用固定可调支架相对于固定支架的发电量提高约为15.57%到17.75%，由此可见，在宁夏地区在建设固定可调支架光伏电站是可行的。
（2）固定可调支架是在固定支架的基础上增加水平方向上的角度调节，结构较追日型可调支架非常简单，建设成本较低，可以广泛推广。
（3）这种新型的光伏可调支架控制系统简单，调节轻松方便，不需要聘请专业人士或其他劳动力，电场运维人员即可完成角度调节。
作者简介：李洪涛（1969-），男，本科，电气工程师，主要从事风电、光伏发电运行及检修管理。