做好光伏跟踪器有多难?专访行业专家王敏杰

做好光伏跟踪器有多难?专访行业专家王敏杰

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王敏杰(John Smart)

光伏跟踪器设计师,毕业于哈尔滨工程大学航天工程系,飞行器动力工程专业。有着近7年的国际跟踪系统的设计开发经验,曾参与主持多个跟踪器的产品设计和计算校核。现就职于一家国内跟踪器公司,任海外项目设计总工程师岗位。个人运营微信公众号:小树洞谈光伏支架。不定期分享关于跟踪器的技术文章。

本文仅代表受访者个人观点。

Q1:跟踪支架从2009年的兴起到2013年左右低潮,到近两年又开始上升,你觉得主要原因是什么?

A1:

先讲下跟踪器的兴起。

由于我工作的方向一直都是国际市场,所以对跟踪器的研究和关注的方向也都在海外。

国际上在2013年之前,主要市场还是一些欧盟国家,而且大部分使用的也是双轴跟踪器以及小部分联动平单轴跟踪器。

跟踪器真正开始爆发应该是从2014年开始。

当时的跟踪系统经过各个厂家多年的研究和技术积累,系统可靠性和设计理论都比较成熟,已经具备了大面积使用的能力,并且越来越多的客户发现,采用跟踪系统,虽然在前期需要投入较高的资本,但是回报非常可观。也是从那时起,市场开始慢慢从传统的固定支架向跟踪器进行转变,各家跟踪器厂家也如雨后春笋般纷纷进入了市场。

如今,跟踪器已经遍布世界各地,根据GTM最新的数据分析,美国及澳洲市场跟踪器占有率在地面电站中已经达到80~90%,在全球总安装量占比20%左右,而且这个数字每一年都在加速上升,很显然,跟踪器已经成为了未来地面光伏电站的趋势。

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上图:跟踪器占全球的比例逐年上升(来源:WoodMackenzie Power & Renewables)

Q2:国内跟踪支架的技术水平怎么样?对标国外有哪些差距?

A2:

我每年SNEC展会都会去各个展馆逛逛,看看又有什么新的进展。

其实对于支架结构这种东西,基本上看个主要零件和节点的设计就能对设计师的实力估摸个大概。总的来说,国际上的对手技术实力都很强,技术领域的竞争环境相比国内更加恶劣。

我总结目前市场上的跟踪器大致可以分成三个阶段:

1.原始阶段,只实现了跟踪器的基本功能,就是从东到西跟踪太阳。结构以中国的建筑荷载规范进行计算,基本上只考虑了静态荷载。

2.开拓阶段,实现了基本功能后,了解了跟踪器的受力形式,比如风导致的扭矩,并能运用风洞报告对主要零件进行设计计算。

3.完善阶段,这个阶段需要对跟踪器进行详细的测试,总结大量的项目所带来的经验,并对各个细节不停的设计迭代,不停的查漏补缺,升级改造。

国际上排名前列的跟踪器公司,以欧美公司为主。他们大都在前期研发上投入了大量的人力和物力,基本上都已经进入第三阶段。这也是他们能成为国际排名前列公司的原因。

但是反观国内的厂家,停留在第二,甚至第一阶段的还是比较多的。

 

当你处在国际的竞争环境中时,往往比拼的不仅仅是你的价格,更多的是要求跟踪器厂家一整套完善的管理体系,研发体系,以及对各类技术领域的掌握能力。

跟踪器需要结合了多个专业知识,目前遇到高频技术问题比如:

-对模态,振型,频率,阻尼比的换算推导

-静态、动态(DAF)、稳定性、气弹风洞测试

-对动态风荷载和气动弹性稳定性的理解和计算导入

-对当地国家荷载规范和钢构规范的熟悉程度

-对零部件,包括每一个焊缝,每一颗紧固件的校核

-对桩基基础的测试以及计算

-对接触腐蚀,大气腐蚀,土壤腐蚀的解决方案

 

这些问题不仅需要全面的理论计算作为基础,还需要第三方来审核这类计算。可以说相对于国内,国际上的要求更高也更细,加上国际上对中国产品的误解,作为中国厂家,想成功的走出去确实也更艰难。

Q3:跟踪支架的设计与固定式支架相比,主要不同是什么?

A3:

我想你问的主要是在结构上的比较。

对于光伏支架结构来说,设计主要考虑三种情况:抗拉,抗弯(抗压P-Delta效应),抗扭。

这三种情况的设计难度递增,或者说同一个零部件,抵抗这三种力的能力逐级递减。

固定支架除了部分要考虑抗弯扭转屈曲外,一般都只需要解决前两种力。

而跟踪器结构,由于其需要有一个转轴来转动,所以还需要额外抵风,雪和自重对转轴带来的扭矩。

跟踪器的运动主要受三个控制方程组来约束,主轴扭转,主轴摆动,立柱摆动。而所有的跟踪器设计问题,基本上都集中在这个主轴扭转运动方程上。

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上图:跟踪器扭转运动控制方程

因为转轴往往很长,而且刚性不足,导致其基本频率很低。

我们知道风对跟踪器会产生扭矩,一旦跟踪器受到一个初始的外界扭矩,就会不停进行往复运动,当这个外界扭矩出现和消失的频率与扭转运动频率相同时,就产生了共振。

一般我们认为,当光伏支架的第一振型结构频率小于5Hz时,则必须考虑风致共振。而跟踪器的频率基本上都是2Hz徘徊,而固定支架往往频率都比较高,对风共振的效应不敏感,我想这就是主要的结构设计区别吧。

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上图:扭转稳定性仿真(来源:CPP)

Q4:随着双面组件的应用量加大,跟踪支架可能会越来越高,对跟踪支架结构设计有什么挑战?

A4:

确实,随着离地高度的增加,由地面反射到双面组件背面的太阳辐射就越多,但是也有不同的看法,也就是当组件高度大于一定的值后,反射的效率就没有太大的区别了。

而且对于结构设计来说,跟踪器越高,相同大小的力作用到立柱的弯矩就越大,对立柱的要求就越高。

Q5:国内主流跟踪厂家是哪些?各有什么技术特点?

A5:

这个问题其实比较难回答,因为一直都是和国际上的厂家进行对抗,说实话我对国内厂家并不是很熟悉。但是我总体的感觉是,现在国内的跟踪器发展很快,经过各家同行的努力,中国跟踪器的市场占有率也逐年增加。

下图是国内外主要光伏跟踪器厂家:

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图:本人整理的国际跟踪器厂家名录

(中国厂家未收录完整,待增加)

 

Q6:跟踪支架能在户用或者工商业项目上应用吗?您觉得跟踪支架后续的主流应用场景是什么样?

A6:

其实我个人是不太赞成在屋顶上使用跟踪系统的主要原因是风荷载在屋顶这类建筑物上非常复杂,不仅会产生剧烈的湍流,而且风速变化也很剧烈。在屋顶上的固定支架系统有时都无法抵抗这类风荷载,更不用说跟踪器这类风致敏感结构了。

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上图:风经过屋顶边缘会产生加速,对屋顶支架产生额外的附加力(来源:CPP)

目前跟踪器的运用都在于大型的地面电站,现在也出现了越来越多的附加功能,比如新式的跟踪算法,跟踪器与双面组件,跟踪器与储能,跟踪器与清洗机器人等等。

我觉得未来跟踪器的走向有很多种可能,不限于想象,非常令人期待。

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原文始发于微信公众号(坎德拉):做好光伏跟踪器有多难?专访行业专家王敏杰

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