光伏跟踪支架产品特点及发展趋势
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本期口令：93175
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10%~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%。
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：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。
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。
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AR R AYTechnologies，国内企业如中信博的早期产品，也曾采用此技术路线。
（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。
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（RS485，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。
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。
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0°附近，设计风压较小。
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。
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。
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0°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。
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。
本文对光伏发电在技术和成本两方面的优势进行分析，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。
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