移动式光伏设备典型结构及概念设计

摘 要：在全球低碳经济与能源革命的大趋势和国家“碳中和、碳达峰”的大目标下，由于光伏资源禀赋优异，光伏产业成本快速下降，光伏发电将从辅助能源成长为主力能源，给相关行业带来广阔增量空间。本文介绍国内移动式光伏设备现状并分析了原因，还介绍了国内外移动式光伏设备的典型结构，并分析不同结构的优劣势。根据分析结果提出了移动式光伏设备的一种概念设计。

关键词：移动式；光伏；典型结构；概念设计

光伏发电主要分为集中式和分布式两种。常见的分布式光伏的光伏组件为固定安装方式，而移动式光伏发电设备，能够满足野营场地、农牧区、荒漠、高原、海岛等多种远离电网地区及移动场景的发电需求，在分布式光伏市场的进一步细分市场中具备较大的发展潜力。

1 移动式光伏设备国内现状及原因

1.1 移动式光伏设备国内现状

经查阅相关公开信息，国内关于移动式光伏设备主要有以下信息：

2011年2月24日，中国电力科学研究院成功研发了适用于牧民用电需要的移动式光伏电站。该移动式光伏电站采用模块化的设计思路，由移动光伏组件、一体化控制箱体组成。该电站拆装简捷、运输方便，可满足非专业人员和游牧民快速组合拆装。

据2018年5月上海振华重工消息，振华重工成功研发移动箱式光伏电站。该电站采用了可移动的箱式形式，将太阳能光伏电池板、控制器、逆变器、蓄电池等所有设备全部集成在符合ISO标准的集装箱内，可随时自由移动。该电站配备了电池板伸展机构，电池板组件与集装箱集成在一起，可进行自动伸展、收缩。

据2021年1月媒体报道，上海化工区漕泾移动式光伏电站采用了桁架架构与配重块连接成网格状阵列，最底下是一个基座，基座上安装支架，支架上铺设光伏板，这个基座便于拆卸，可以异地再次安装；同时，用可拆卸连接的标准化构件，方便配重模块和支架的安装、拆卸及转移，从而进一步提高可移动性。

据2022年6月媒体报道，湖南理工职业技术学院学生研发的移动光伏电站，从底座、支架到光伏板可以任意组装；设万向轮，可根据需求调整电站位置，还增设了万向角调整光伏板的方向。用卡扣连接底座支架，可便捷增减光伏板数量。

1.2 国内现状原因分析

从上述信息来看，可以推测出以下结论：

1.2.1 国内移动式光伏设备起步早、应用少

原因有：一是光伏发电在发电时间、发电强度等方面不稳定，适应性较差；二是早期的移动式光伏设备在移运性等方面设计不完善，部署成本较高；三是产品使用和维护保养需要一定的专业知识，用户存在学习成本、移动式的应用环境导致的售后服务成本较高。

1.2.2 移动式光伏应用技术门槛低，缺乏通用的、模块化的、可大规模生产的产品

移动式光伏设备属于集成应用产品，本身技术门槛较低，而且目前的解决方案还停留在简单集成应用阶段，缺乏能够打动客户的产品。

1.2.3 移动式光伏设备需要精准的细分市场定位和核心技术

移动式光伏设备需要进一步研究移动式光伏的应用场景，找准细分市场，挖掘产品价值，研发核心技术，降低产品成本。

1.2.4 移动式光伏设备与储能结合才能得到更广泛的应用

光伏发电在发电时间、发电强度等方面存在不稳定性，如一天内不同时间段太阳的照射强度、阴天和雨天的太阳照射强度、一年四季的太阳照射强度等因素都会影响供电的稳定。而储能系统可以通过充放电平衡光伏发电的不稳定性，然后稳定地向电网供应。因此，移动式光伏设备应配套相应的储能系统。

2 国内外移动式光伏设备典型结构

下面优选国内外比较典型的结构进行详细介绍。

2.1 比利时Jans Creacar公司的光伏集装箱

该产品的主要特征是：在运输状态下，光伏组件通过翻转、层叠方式收纳于集装箱内；在工作状态下，光伏组件展开为一个近似平面。由于工作状态类似于雷達结构，该结构以下简称“雷达式”。

产品总重27吨；最大高度11.3米；操作直径19.3米；配置104块太阳能电池板，峰值功率37.44kW；电池功率范围为72～120kWh。

该光伏到达现场时，无须外部电源或起重机，而是用内置的液压支撑将自身从集装箱拖车中抬起。部署时，通过内置伸缩柱将光伏板提升到集装箱上方，层叠在左右两侧的光伏板依次展开，然后通过液压缸将左右两侧向上翻转，使其表面垂直于太阳。整个表面可以沿太阳方向绕伸缩柱旋转，光照跟踪系统确保光伏板始终以最佳方式朝向太阳。光伏板会自动平放，可以承受10级风力。

雷达式的主要特点是：自动化程度高，结构复杂，成本高。

2.2 法国Akuo公司的移动光伏集装箱

该产品的主要特征是：光伏组件固定安装于若干框架内，框架彼此成对、首尾水平铰接形成可展开可折叠的结构，该结构可在预制的轨道上展开和收回。由于光伏组件展开后类似起伏的波浪，该结构以下简称“波浪式”。

该移动光伏集装箱可包含200个光伏模块，最大额定功率为134kWp。半自动电力驱动装置将移动光伏系统沿着约130米的轨道部署到工作位置。该光伏集装箱既不需要电缆沟槽和重型起重设备，也不需要压实的地面。

波浪式结构的主要特点是：单个集装箱可容纳更多的光伏组件，占地面积大。

2.3 德国Faber Infrastructure公司的光伏集装箱

该产品的结构也是折叠式，可容纳64块光伏组件，但是又与波浪式的折叠方式不同。该结构有两大主要特征：一是安装光伏组件的若干框架之间的铰接方式不同于波浪式的水平方向，而是竖直方向的。二是框架展开后光伏组件还可以绕框架旋转以便调节安装倾角。根据其展开方式，该结构以下简称“竖直折叠式”。

2.4 振华重工集装箱式移动光伏电站

该款产品最大特点是在40英尺的标准集装箱内部集成光伏电池板、控制器、逆变器、蓄电池等所有设备。通过简单的电动或手动操作，就可以展开光伏板进行正常用电。其主要结构与法国Akuo公司的类似。

3 移动式光伏设备典型结构分析

3.1 雷达式、波浪式、竖直折叠式的优缺点对比

3.2 分析指标

移动式光伏设备首先应具备良好的移运性，因此分析指标不比较外形尺寸和重量。

移动式光伏设备的分析指标可以分为以下四类：第一类主要从成本考虑，包括设备采购成本和设备运维成本。第二类主要从移运性考虑，包括部署时间、部署所需机具和人员、部署自动化程度。第三类主要从设备功能考虑，包括光伏标称功率、安装倾角调节功能、光照跟踪功能。第四类主要考虑环境适应性，包括抗风能力、占地面积、光伏组件清洁和维护难度。

3.3 雷达式、波浪式、竖直折叠式的评分

对上文的分析指标加上权重，每项指标总分为10分，指标对用户越有利，则得分越高。评分如下：

3.4 结论

三种结构整体评分都不高，说明指标之间存在互斥关系。对于同一种结构来说不能要求所有指标都对用户有利，在分析客户需求时应有针对性。

雷达式结构和波浪式结构权重评分更高，但优点和缺点也很突出。雷达式结构主打占地面积小、自动化程度高，适用于场地面积较小、对成本不敏感的用户；波浪式则主打单个运输单元的光伏功率密度大，适用于场地面积大，对成本敏感的用户；竖直折叠式结构则介于两者之间。

4 移动式光伏设备概念设计

下面介绍移动式光伏设备的一种概念设计。

4.1 需求假设

以油气田开发行业为例，存在许多小规模野外施工工况，这些工况目前主要直接使用柴油或者柴油发电作为动力。柴油发电机组的缺点是噪声大、能耗高、设备负荷低、修理和维护费用高。在太阳能资源丰富的地区，考虑使用移动式光伏设备搭配柴油发电形成微电网，以减少柴油发电机的使用，逐步推进油气行业的清洁能源替代。

从上述需求来看，移动式光伏设备应关注以下四点：一是设备的投资回报周期。投资回报周期要在该行业的合理范围内，设备的采购成本和运维成本不能太高。二是设备针对野外环境的适应性。由于油田环境差异较大，本文假设用户场地面积较小，部署时间要求不高，部署时对机具和人员有一定限制。假设用户场地位于西北地区，风沙较大，对抗风能力和光伏组件清洁和维护要求较高。三是设备的光伏标称功率选择。由于场地限制，光伏标称功率不可能太大，可以考虑按照几十个千瓦配置。四是需要配置储能系统以平衡光伏发电不稳定性，并减少柴油发电机的运行时间。

4.2 设计指标

将上述需求对应前文所述分析指标后列表如下：

4.3 设计思路

从表3可知，最优方案是在雷達式的基础上进行改进，简化复杂的自动化结构以降低成本，提高光伏组件清洁和维护的方便性，并尽可能地保留安装倾角调节和光照跟踪功能。

4.3.1 光伏组件

光伏组件可以选择目前比较成熟的575W产品。根据设计要求光伏标称功率30～50kW，对应的光伏组件数量为53～87块。

4.3.2 结构设计

在一个撬装底座上设置四个立柱。在立柱上铰接安装四个光伏组件群，距离较近的两个立柱上安装的两个光伏组件群位于内侧，距离较远的两个立柱上安装的两个光伏组件群位于外侧。撬座内设置有四个电动缸，分别驱动四个光伏组件群绕立柱正反旋转。相邻两个光伏组件群沿相反的方向旋转。

部署时，先旋转外侧的光伏组件群，再旋转内侧的光伏组件群。收回时则相反。每个光伏组件群包括1个安装调节支架，安装调节支架两侧各有一个光伏组件组。每个光伏组件组包括9块光伏组件，整个设备一共包括72块光伏组件。光伏组件通过电动丝杆螺旋结构分别旋转展开至所需安装倾角以确保最高效的发电效率，还可增加光照跟踪能力。

4.4 设计总结

设计方案具有以下特点：一是结构比雷达式简单，制造成本和维护成本相应更低；二是可将设备置于其他野外营房上部，占地面积较小；三是电动化展开和收回，省时省力，但需外接储能系统供电；四是可以将光伏组件放至水平位置或者直接收回以提高抗风能力；五是光伏组件方便清洗和维护，夜晚或凌晨将光伏组件收回即可清洗和检查；六是可以在0°～45°范围内调节光伏组件的安装倾角；七是可以实现光线追踪功能。

综上所述，本概念设计基本达到设计指标要求。

结语

随着工商业分布式光伏市场增量及市场渗透率不断提升，随着能源行业清洁替代进程加快，移动式光伏设备也将迎来大规模发展的历史性机遇。本文通过介绍国内外移动式光伏设备的典型结构，并提出一种概念设计方案，期望为国内移动式光伏设备的快速发展起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

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作者简介：陈俊（1974— ），男，汉族，重庆人，工程师，1995年毕业于石油大学（华东），现从事新能源装备的研发工作。