CN103531650A - 一种浮筏式光伏阵列 - Google Patents

Abstract

一种浮筏式光伏阵列，包括至少三块光伏组件集成板；光伏阵列面积大于十平米，至少两块光伏组件集成板的侧边与地面接触。至少三块光伏组件集成板的长度大于3米。本发明光伏阵列整体设计成浮筏式，能够大幅度减少使用甚至不使用地基，从而节省了施工时间，降低了系统成本。

Description

一种浮筏式光伏阵列

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种浮筏式光伏阵列。  

背景技术

  太阳能干净清洁，取之不尽，用之不竭。大多数可再生能源如风能、水的势能、生物质能都是由太阳能间接转化而来的。当前占主导地位的化石能源如煤、石油、天然气也来自于远古的生物质能。因此说太阳能是最重要、最有前途的可再生能源一点都不为过。 

然而目前太阳能的发电量还不到总发电量的0.1%，与太阳能的地位极不相称。其主要原因就是太阳能利用装置效率偏低，成本较高，经济性还无法与常规能源相竞争。 

那么效率和成本哪一个更重要呢？对于这个问题是有许多不同意见的。某些企业就强调太阳能要高效率、高性能。当然这对于少数企业而言是无可厚非的。但是对整个行业战略来讲是行不通的。不普及太阳能，就无法解决碳排放问题，也无法解决能源的可持续发展问题。转换效率的提高应该以成本的降低为前提和基础，盲目追求效率钻牛角尖很可能得不偿失。 

电力是可以远距离传输的。这意味着相距很远的多种能源：火电、水电、核电、风电等等完全能够站在同一起跑线竞争。太阳能发电如果长期没有经济性，完全依赖政府补贴生存是难以想象的。政府本身并不赚钱，收入几乎都直接或间接来自于纳税人。任何一个纳税人都不会长期容忍自己缴纳的税收最后变成外国公司的利润。因此大量投资于无法大幅度降价的现有技术是没有前途的。 

光伏组件更是要将降低成本放在首位。太阳能的波动性很大，太阳能平均功率只有峰值功率的五分之一。因此同样多的光伏发电量需要五倍于火电的装机量。而且电能很难储存，黑夜、阴雨天无法发电。还要另外投资储能装置和智能电网，付出昂贵的储能和调度成本。光伏装置还有寿命和效率衰减问题。这所有的一切的都要求光伏发电大幅度降低成本。 

而在发电成本中，不但应包括太阳能光伏发电装置本身的成本，还应包括管理成本、占地成本、资金成本、安装建设成本、清洁维护成本等等。光伏组件转换效率的提高仅仅是其中一个方面。 

目前光伏行业将绝大多数的时间精力和资金都投入在提高电池效率的这条路，从某种意义上来讲是一种失策。当然在人工费用较高的地区，转换效率的提高可以减少系统安装成本，有一定积极意义。但许多新型快速安装装置也可以大幅减少系统安装成本。因此还是要综合考量哪一种组合方式系统总体成本才能达到最低。 

现有固定倾角的光伏电站结构，自从太阳能电池发明以来的几十年变化都不大。 

光伏电站是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。而光伏阵列是指由若干个光伏构件、光伏组件在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成的发电单元。通常光伏阵列发出的是直流电。如果安装了带有微型逆变器的光伏组件，也可发出交流电。也有人称光伏阵列为光伏方阵。 

通常，光伏阵列加上汇流箱、直流配电柜、逆变器、变压器、交流配电柜、电缆等诸多部件才能构成一个完整的光伏电站。光伏电站通常包含有多个光伏阵列。 

总体上看，光伏阵列的结构大致类似于一个车棚。顶棚就是电池板，由下面的立柱地基横梁。其结构大致可分为以下几个部分： 

最下面是地基，一般有以下几种：螺旋桩、条状混凝土地基和块状混凝土地基。

在上面是安装支架，包括立柱、横梁、檩条等等。一般用螺钉紧固，属于简支结构。 

最上面安装有多块光伏组件电池板。然后用电缆连接各个组件，并联接汇流箱、配电柜、逆变器、变压器等设备，最后连接上电网。 

光伏发电系统通常分成几个层次 ，第一层次为单元层次，最小且不可分割。对于晶硅太阳能电池片，一般其特征尺寸（直径或边长）为125mm、156mm，一般电压较低（0.5V左右）。第二层次是封装层次。其特征是，多个单元串并联，固定封装在一个组件里。对于晶硅太阳能电池组件，一般是由60-72个硅片封装在玻璃和铝背板之间而成。尺寸一般为1-2平米；第三层次是阵列层次，一般由多块组件和支撑结构组成。在跟踪系统中更为明显，多块组件形成的光伏阵列作为一个整体可绕轴转动；第四个层次就是电站层次，通常容量从几百KW到几MW不等，占地较大。但由于缺少中间层次，需一块一块单独安装组件，安装时间较长，耗费人工较多。 

太阳能光伏电站的成本通常包括以下组件成本、支架成本、地基成本、人工成本、逆变成本等等。除去组件部分的其他成本也叫BOS（balance of system）成本。 

目前光伏组件的大部分市场还在发达国家。从经济考虑，安装规模越大，单位装机成本就越低。在2007年以前过去组件价格高达在几年前由于光伏组件的价格很贵 每瓦3-5美元，与之相比钢铁水泥的支架结构成本所占的比例甚小， 所以过去没有得到足够的重视。 

而现在随着组件价格不断下跌,价格甚至低到每瓦0.7美元, 因此要再节省0.01美元，成本降低1.4%都是很不容易的。而地基支架安装人工所占的比重则相对越来越大。而发达国家的人工成本更高。通常BOS成本高达1.2～2美元，某些情况BOS成本甚至更高，甚至占到电站总成本的三分之二。因此BOS成本已经成了主要矛盾。据报道，在一个10MW的大型电站BOS成本中，每瓦的人工成本超过0.2美元、如果算上工程管理费用和其他费用包含的人工，总的人工成本甚至更高。仅仅与人工的相关费用就将超过组件成本的三分之一了。现有工艺的缺点就是时间长、成本高、工序繁杂。 

从电力行业发展规律看，规模化是有效降低成本的一种常用手段。风电、火电、核电、水电都是如此。火电从20万千瓦、30万千瓦一直发展到现在超超临界的60万千瓦；核电也是从30万、60万发展到100万千瓦。因此总的发展思路就是“做大做强”，做大就是整体结构要适应规模化的要求；做强就是要有规模效益，许多固定费用平均分摊就能够降低成本。光伏发电系统安装成本也显示出规模经济的重要特征。据报道，美国2011年装机容量小于2千瓦的系统平均安装成本为每瓦7.7美元；而装机容量超过1000千瓦的大型商用系统为每瓦4.5美元；装机容量大于10000千瓦的系统仅为每瓦2.8至3.5美元。 

目前光伏组件的尺寸也在逐步增加。从过去60片增加到72片晶硅电池片的组件，甚至还有5.7平米的大型薄膜光伏组件。但是受制于一些客观条件再增大遇到很多困难。72片的组件已经重达50斤，尺寸已经达到2米高，1米宽。因此再大再重一个人搬动不便。组件有玻璃和晶体硅薄片，很脆，对变形敏感。因此如果现有结构不改变，尺寸增大带来的变形可能会使玻璃碎裂，或者使硅片隐裂，造成不必要的损失。组件太大人力无法搬运。安装成本降低， 而结构成本运输成本上升，总的造价未必降低。因此必须综合考虑其生产运输安装流程。 

现在光伏行业几乎全行业亏损，国内外许多企业裁员停产甚至倒闭。一些跨国企业已经关停了光伏业务。多家光伏行业的知名上市公司现在的股价只有最高点的几十分之一，甚至面临退市的威胁。光伏组件集成板相关技术并不是一种特别复杂的技术，用的是钢铁等常规材料，组装手段也是常规的焊接铆接等，研发生产也不需要太多人力物力。跨国企业上市公司花一点资源就足以研发成功。而许多企业居然两年内亏了几十亿，甚至在整个企业都面临倒闭的威胁下都没有考虑。光伏行业的危机也引起了从业人员以及新闻媒体的广泛关注。而绝大多数业内人士都主张开发内需市场以避开受到双反限制的欧美市场。欧美市场恰恰是人工成本最贵、每瓦装机成本较高的市场，也是目前最大最重要的市场。而光伏组件集成板相关技术减少的成本非常可观, 在许多情况下甚至可以节省30%以上的系统成本。笔者在2011年12月《南方能源观察》上发表的专栏文章《太阳能的成本比效率更重要》中明确指出，“在人工费用较高的地区，转换效率提高可以减少系统安装成本，有一定积极意义。但许多新型快速安装装置也可以减少系统安装成本”。而过去了这么长的时间，几十家光伏企业亏损几百亿显然都未能在降低系统成本上取得突破，未能研发出突破性的新型快速安装装置。现在80%多晶硅企业停产，近半硅片、组件厂商减产裁员，多数厂商仍然在走片面追求转换效率的老路。这些事实足以说明人们并没有预料到光伏组件集成板相关技术在降低人工成本方面所拥有的巨大潜力。这个教训太深刻了。 

实际上在相当长的时间内光伏安装结构都未能取得突破，许多类型的结构甚至数十年前就在使用了。如果真有突破，发达国家高企的BOS成本早就降下来了。在许多场合BOS的成本甚至是光伏组件成本的数倍。要知道，光伏组件由较为复杂精密的部件组成，仅仅在十年前还严重供不应求。而支撑结构是由便宜的钢铁水泥组成的。可想而知，发达国家BOS的成本中相当大的一部分是人工成本。缩短安装时间提高安装效率还可以使同样多的工人完成更大更多的光伏电站，也更有利于可再生能源的普及。 

综上所述，缩短安装时间、降低人工成本已经成为当务之急。 

在光伏电站的安装中地基就是一个相当棘手的问题。通常地基有直插桩、螺旋桩、条状混凝土地基和块状混凝土地基等多种形式。如果采用混凝土，混凝土需要时间固化。混凝土浇筑后，在一定时间内需要采取措施对外露面保持适当温度和湿度，使混凝土有良好硬化条件。养护到一定强度需要几天甚至几十天，非常浪费时间。 

因此许多项目都采用了直插桩或螺旋桩。只要插入或者旋入地面，立刻就有一定的承载能力，可以马上安装支架和组件。但是美中不足的是，桩的位置很难精确控制，集成度仍然不够高，与上部结构的连接固定仍然需要许多人工调整操作。同时许多地面如软土、沙漠、岩石等也无法应用。软土、沙漠太软，插入后承载力不高；岩石等太硬，桩也打不进去。 

而光伏组件集成板外形低矮成条状，结构简单，与多块组件连成一体，比较坚固。这对优化地基结构，缩减人工成本创造了良好的条件。 

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种采用光伏组件集成板的浮筏式光伏阵列。 

  这里，光伏组件集成板是指一种有一定规模的，易于整体安装运输的多块光伏组件及其支撑结构的组合体。有一定规模才能有规模效益。光伏组件集成板应包含多块光伏组件，且所有光伏组件的面积之和不小于三平方米。一般这种规模的集成板是人力很难直接搬运的，需要借助辅助工具。一般传统螺钉联接的支撑结构，刚度过低，在吊装中容易变形损坏，需要加固后才能吊装运输。易于整体安装运输才能节省人工，避免一块一块地安装固定和联接光伏组件。应该使多块光伏组件与支撑结构联接成为一个整体。为了便于用集装箱运输，其形状应为长条状的板。具体来说，光伏组件集成板的长与宽之比应大于1.5。显然光伏组件应位于集成板的正面，以充分吸收太阳光。为了避免组件之间相互遮挡光伏组件的受光面应位于一个平面上。光伏组件背面为支撑结构，支撑结构包括夹芯板、压型钢板、钢管框架等多种形式。 

对于光伏电站来说是否一定需要插入式的地基呢？显然是否定的。中国古代建筑一般由台基、梁架、屋顶构成，采用规则的平面形态和结构布局。中国古代建筑的台基就是一种整体浮筏式基础，能够有效地应对风雪、地震等各种载荷。其实光伏电站的条状混凝土地基也类似于浮筏，也是浮在地面。但是受到混凝土特性以及传统结构的影响，无法做到快速安装。 

光伏组件如果足够重，直接放置地面，只要风吹不走也同样可以发电。当然如果下雨下雪，雨雪会遮住组件，还可能产生腐蚀漏电等损害。因此应该与距地面保持一定距离。雨雪风沙少且少植被的地区可以离地面近一点。 

 本发明综合考虑了以上因素，浮筏式光伏阵列的技术方案优选为：一种浮筏式光伏阵列，包括至少三块光伏组件集成板；光伏阵列面积大于十平米，至少两块光伏组件集成板的侧边与地面接触。 

浮筏式光伏阵列包括至少三块光伏组件集成板，是为了更好地发挥规模效益。光伏组件如果太少太小，最极端的情况是几块小组件的面积之和还不如一块1.9平米的大组件，那就失去了集成板的意义，无法发挥规模效益。而安装一块光伏组件集成板就相当于同时固定安装多块光伏组件。显然在条件允许的情况下集成板越长光伏组件越多越好。 

优选地，光伏组件集成板上光伏组件下沿与地面的距离大于8厘米。光伏组件与地面的距离过近容易受雨水和风沙影响。降水量较大，地势低洼的地区光伏组件下沿和地面的距离应该进一步增大。 

优选地，包括至少三块长度大于3米的光伏组件集成板。显然光伏组件集成板越长，面积约就越大，越容易具有规模效益。 

优选地，光伏组件集成板的下方固定一个垫板。 

通常应直接与地面接触，这样支撑最直接最可靠。为了防潮防腐，可加厚光伏组件集成板下方的镀层和漆面。但如果为了进一步防潮防腐或者防止被尖锐砂石刺破，应在光伏组件集成板下方固定一个垫板。垫板除了可以缓冲地面本身的不平整，还可以略微架高集成板，避免地面积水的腐蚀。同时特制的垫板使得光伏组件集成板结构的其他部分接触地面的几率大大降低，也就不需要那么严格的防腐措施。这样也降低了不少成本。 

优选地，光伏组件集成板是可堆叠放置的。堆叠放置可以大大减小运输时所占的体积，减少了运输成本。 

优选地，垫板与光伏组件受光面的夹角大于120度。显然，如果小于等于90度组件与阳光的夹角过小，发电量大幅减小，因此至少应大于90度。垫板基本与地面平行，考虑到绝大多数电站与地面的倾角小于60度。所以优选为大于120度。 

优选地，垫板所用材料为钢板。钢板成本较低，如果有足够厚的镀层和漆层，也可以有效防腐。 

优选地，光伏组件集成板所采用支撑背板为压型金属板。金属相比于其他材料，有容易成型、强度刚度较好等优点。 

优选地，光伏组件集成板应为前后排列，相邻的长侧边相互固定在一起。这样前后长度较长，而高度不变，整体外形更为低矮。由于集成板之间相互固定在一起，连成一个整体。因此相比于单块集成板，更不容易被风吹翻。 

优选地，光伏组件集成板之间采用螺钉联接。螺钉联接方便拆卸和维修。 

优选地，光伏组件集成板上的各组件预先联线。预先联线可缩短施工时间。 

本发明的有益技术效果是： 

1、由于光伏组件集成板本身直接触地面，减少了中间环节，从而大大提高了安装速度，节省了材料费用。在某些情况下可以完全省略地基。这是其他技术很难做到的。

2、更高的安装速度不但有利于减少安装成本，也可以减少地理气候条件对施工的不利影响。 

3、安装拆卸时间的缩短大大降低了人工成本。拆卸时间的缩短也有利于组件的回收再利用。 

4、由于拆装方便，可用于临时场地，某些场合可以代替柴油发电机。 

5、对地面的影响小，而且是可逆的。拆过后地面恢复原状。因此可以用于休耕地等特殊场地，大大扩充了其应用范围。同时也可大大简化审批手续。 

总之，太阳能电站的快速安装部署能力不但可以降低成本，也提升了客户体验。考虑到太阳能的行业今后发展的庞大规模，其经济效益和社会效益都是很高的。 

附图说明

图1为本发明的实施例1的立体结构示意图。 

图2为本发明实施例1的主视图。 

图3为本发明实施例1的俯视图。 

图4为本发明实施例1的侧视图。 

图5为本发明实施例1的侧视图的局部放大视图A。 

图6为本发明实施例1的光伏组件集成板的堆叠示意图。 

 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

具体实施例的一种浮筏式光伏阵列，包括至少三块光伏组件集成板；光伏阵列面积大于十平米，至少两块光伏组件集成板的侧边与地面接触。 

本发明还在于，光伏组件集成板的下方固定一个垫板。 

本发明还在于，光伏组件集成板是可堆叠放置的。 

本发明还在于，垫板与光伏组件受光面的夹角大于120度。 

本发明还在于，包括至少三块长度大于3米的光伏组件集成板。 

本发明还在于，垫板所用材料为钢板。 

本发明还在于，光伏组件集成板所采用支撑背板为压型金属板。 

本发明还在于，光伏组件集成板应为前后排列，相邻的长侧边相互固定在一起。 

本发明还在于，光伏组件集成板之间采用螺钉联接。螺钉联接方便拆卸和维修。 

本发明还在于，光伏组件集成板上的各组件预先联线。 

本发明还在于，光伏组件集成板上光伏组件下沿与地面的距离大于8厘米。 

图1为本发明的实施例1的立体结构示意图。图2为本发明实施例1的主视图。图3为本发明实施例1的俯视图。图4为本发明实施例1的侧视图。图5为本发明实施例1的侧视图的局部放大视图。图6为本发明实施例1的光伏组件集成板的堆叠示意图。 

 如图1、2、3、4所示，三块光伏组件集成板1前后相接，相邻的长侧边相互固定在一起，共同放置于地面2上，构成一个光伏阵列。光伏组件集成板1包括光伏组件5、压型钢板4、垫板3等元件。从图5中可以看出光伏组件集成板1的下方固定有垫板3，在光伏阵列中前后光伏组件集成板的垫板相互固定在一起。由于整体外形低矮，光伏阵列中并没有传统的地基。几块光伏组件集成板固定成一个整体，像一个浮筏一样放置在地面上。需要指出的是，这样做对当地风力气候水文等条件有一定要求。显然如果地表径流或是风力较强，还是需要打地基的。但是跟传统电站相比，地基数量也会少得多。光伏组件需要一定的倾斜角度，在这里是压型钢板本身的倾斜角度来设置。因此角度固定，几乎不可调。仅仅可以通过垫片做少许微调。电站设计者可以通过选择不同型号或者不同组合的压型钢板来设置倾斜角度。 

从图6中可以看出，光伏组件集成板1可以堆叠放置，大大节省了体积，减少了占地。更适合于长途运输，降低了运输成本。 

 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (10)

1.一种浮筏式光伏阵列，其特征在于，包括至少三块光伏组件集成板；光伏阵列面积大于十平米，至少两块光伏组件集成板的侧边与地面接触。

2.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，包括至少三块长度大于3米的光伏组件集成板。

3.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板上光伏组件下沿与地面的距离大于8厘米。

4.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，其所采用的光伏组件集成板为前后排列。

5.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板下方固定有垫板。

6.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板是可堆叠放置的。

7.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板的垫板与光伏组件受光面的夹角大于120度。

8.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板的支撑背板为压型金属板。

9.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板之间采用螺钉联接。

10.根据权利要求1所述的光伏阵列，其特征在于，光伏组件集成板上的各组件预先联线。

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