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一论光伏跟踪系统:四大核心壁垒 远 非“打铁”那么简单!

光伏零部件  来源:安信证券    2020/9/21 11:06:44  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:核心观点:跟踪支架在传统看法中被认为是原始的制造工艺,即核心在于通过钢结构的焊接、排布等方式完成整体电站光伏支架的工作,实际上,跟踪支架在运用过程中拥有四大核心壁垒 1)风工程与风洞测试; 2)系统结构设计与排布;3)算法与 AI 运用;4)可融资性与项目背书。经测算,我们预计 2025 年跟踪支架装机达 173GW,6 年复合增长率达 34%;市场空间达 864 亿,6年复合增长率达27%,未来市场空间广阔

光伏电站的骨骼——光伏支架

光伏支架是光伏电站的骨骼。光伏支架是太阳能光伏发电系统中为了支撑、固定、转动光伏 组件而设计安装的特殊结构件。为了使光伏电站达到最佳的发电效率,光伏支架需结合建设 地点的地形地貌、气候及太阳能资源条件,将光伏组件以一定的朝向、排列方式及间距予以 固定。在具体光伏电站项目上,光伏支架具有以下特点:

 1)光伏支架需要在特定环境下长期使用。具备较强的抗风压、抗雪压、抗震、抗腐蚀等机 械性能,确保在风沙、雨、雪、地震等各种恶劣环境下正常运转,并且使用寿命一般要求达 到 25 年以上。 

2)光伏支架需要满足项目地各项标准。光伏电站设计核心为结构设计,整个光伏电站结构 设计主要通过光伏支架实现,光伏支架在光伏电站建设中具有重要地位。光伏支架产品质量、 设计安装需要符合项目地的气候环境、建筑标准、光伏电力设计等标准。选择合适的光伏支 架以及科学合理的设计安装,不但能降低工程

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光伏支架可以分为固定支架和跟踪支架

光伏支架按照能否跟踪太阳转动可以区分为固定支架和跟踪支架。光伏发电系统中固定支架 及跟踪支架需要针对不同项目进行设计。首先项目初期需要通过项目的地质勘查报告完成支 架基础初步设计;其次根据支架受力情况完成立柱的拉拔力测试,确定支架基础形式及立柱 形式;同时根据不同国家标准、不同项目地点风载荷、雪载荷及其它气候条件确认整体支架 设计;最后,根据光伏系统中组件形式、组件串联数量、逆变器及汇流箱等其他光伏零部件 情况完成对应的支架排布及单体支架设计。其中固定支架又可分为普通固定式支架和固定可 调式支架;跟踪支架可分为平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架、双轴跟踪支架。

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对于固定支架来说,采用固定支架的光伏电站,在设计之初会结合当地的地理环境、气候等 条件将组件固定在特定角度以保证能接收最大的太阳光辐射,组件位臵一般固定后不会再频 繁调整,对于固定可调式支架而言,组件朝向会根据季节和光照情况每年需要进行人工调整。 固定支架价格较低、稳定性好,前期投资成本低,但对太阳能的利用率较低。

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而对于跟踪支架来说,采用跟踪支架的光伏系统,其组件朝向根据光照情况进行调整,可减 少组件与太阳直射光之间的夹角,获取更多的太阳辐照,可有效提高发电效率。采用跟踪支 架的电站需要增加一定的前期投资成本,并需要承担一定的装臵运行风险及后期维护成本。

 但实际发电数据表明,采用平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架、双轴跟踪支架可以有效提升电站发电量,如果跟踪支架与双面组件结合,还可以产生提升发电量的叠加效应,长期来看 更有助于电站业主取得最大的经济效益,降低度电成本。

 因此,对于跟踪支架产品,除了固定支架相同的机械设计、机械加工和委外镀锌等工序之外, 还有电控设计、驱动设计、加入算法和配套组装工序。光伏支架属于非标准化产品,每个项 目的产品都需要符合不同国家地区的技术标准、自然条件及客户的其他要求,为客户定制化 设计、开发与生产,这也决定了支架行业及中信博的商业模式以直销为主。同时,定制化开发+直销的商业模式也有利于掌握产品研发设计环节的核心技术与核心工艺,保证产品质量 与交期并有效控制生产成本。


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跟踪支架拥有四大核心壁垒

跟踪支架与固定支架在传统看法中被认为是原始的制造工艺。光伏支架在传统看法中被认为 是原始的锻造工艺,即核心在于通过钢结构的焊接、排布等方式完成整体电站光伏支架的工 作,因此壁垒较低。 实际上,跟踪支架拥有四大核心壁垒。不同于固定支架,跟踪支架在实际运用过程中拥有四 大核心壁垒 1)风工程与风洞测试;2)系统结构设计与排布;3)算法与 AI 运用;4)可融 资性与项目背书。

壁垒一:风工程与风洞测试

跟踪支架相对于固定支架整体结构稳定性较低。固定支架可采用双立柱、单立柱等方式进行 结构设计与排布,而跟踪支架则可以采用斜单轴、平单轴和双轴等不同方式进行结构设计与 排布,无论采用何种方式,由于其组件朝向需根据光照情况进行自动调整,跟踪支架相对于 固定支架整体结构稳定性较低。 风是影响支架正常使用最重要的因素。如前所述,由于光伏支架具备较强的抗风压、抗雪压、 抗震、抗腐蚀等机械性能,其中风是影响支架正常使用的最重要的因素,且跟踪支架相对于 固定支架整体结构稳定性较低,因此对于跟踪支架的抗风压能力提出了更高的要求。 

风引起的涡激振动和颤振对光伏支架的稳定性造成巨大影响。从流体的角度来分析,涡激振 动指的是任何非流线型物体,在一定的恒定流速下,都会在物体两侧交替地产生脱离结构物 表面的旋涡,在低风速的情况下,如果风绕过跟踪支架形成涡流,则容易使跟踪支架产生一 定程度的变形;颤振则指的是弹性结构在均匀气流中由于受到气动力、弹性力和惯性力的耦 合作用而发生的振幅不衰减的自激振动,具体而言,在风速增大过程中,风的涡流频率脱离 跟踪支架的结构频率,振幅不断扩大,导致跟踪支架失稳甚至毁坏。无论是涡激振动还是颤 振,都对光伏支架的稳定性造成巨大影响。

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目前的荷载规范不能满足跟踪支架抵御风压的要求。跟踪支架作为半结构式建筑,在全球各 地也有一定的荷载规范,荷载规范规定,建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时 出现的荷载,按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合,并应取各自的最 不利的组合进行设计,但即使在这样的情况下,建筑荷载规范仍由于没有考虑非平衡风荷载、 可使用的角度范围过小、忽视多排不同压力系数、风致共振、多面风向等一系列问题,并不 能完全适合跟踪支架的使用。

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风洞测试是测试跟踪支架抵御风压能力的必要方式。流体力学方面的风洞测试指在风洞中安 臵飞行器或其他物体模型,研究气体流动及其与模型的相互作用,以了解实际飞行器或其他 物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。而跟踪支架的风洞测试,指的则是通静态 风荷载测试、动态风荷载测试、气动稳定性测试、气动弹性测试等方式,获得各受力点的压 力系数、扭矩系数和动态放大系数等。

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风洞测试形成数据较多,测试价格高昂。在风洞测试的数据基础上设计实际项目已成为一线 跟踪支架厂商共识,进行合理合规的风洞测试,方能保证计算满足实际项目的要求。而风洞 测试形成数据约有数百万组,对厂商数据处理能力提出较大考验,与此同时,目前国际上能 够完整进行高效风洞测试的厂商较少,主要有美国的 CPP 测试机构,每一次完成的测试需 要约数十万美元,价格高昂,也对厂商的现金流提出挑战。

壁垒二:系统结构设计与排布

公司在签订合同之前需要与客户进行大量的设计方案沟通,设计出高性价比的跟踪支架系统 方案。光伏跟踪支架主要运用在大型地面电站领域,由于不同的项目要求各异,因此要求跟 踪支架供应商具备强大的定制化产品设计能力,意味着光伏跟踪支架厂商需要通过大量的项 目积累及技术研发,形成整体的系统结构设计与排布能力。

 系统结构设计能够有效提升跟踪支架的稳定性。从系统结构设计来看,有效的系统结构设计 能够有效提升跟踪支架的稳定性。以跟踪支架厂商中信博的天智 2 产品为例,传统跟踪器在 大风环境中,由于立柱受力大,容易产生立柱变形的情况,而天智 2 的系统结构设计中通过 扭矩分摊的方式,减少立柱受力,增强其在极端环境下的适应能力,因此相较于传统的 2V 跟踪器,天智 2 系统能够抵御最多超 2 倍的风速;与此同时,天智2采用了 9 个立柱每套跟 踪器,208 根基础每 MW 的布局方式,相较于传统 1V 和 2V 跟踪器,占据空间更少,布局 更为合理,整体系统的成本得到一定程度的下降。

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跟踪支架的设计核心在于旋转重心和产品质量重心重合,由于光伏电站里组件最重,因此在 旋转之后会形成力矩,需要较大的驱动让光伏系统动起来,可通过将组件的重量均匀分布在 光伏系统的轴心上的设计方式,进一步提升跟踪支架的稳定性。

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排布技术也是系统结构中不可忽视的一部分。在跟踪支架运用过程中,在风洞测试一系列数 据的基础上,目前主要一线厂商通过自主设计的排布软件,在输入项目地的各项地理、气候参数,能够在短时间内形成光伏跟踪支架的整体排布方案及相应的成本,既提升了光伏跟踪 支架厂商方案设计的效率,又能形成对于下游 EPC 厂商优质的定制化产品设计能力。

壁垒三:算法与 AI 运用

最新的光伏跟踪支架加入了更为精确的算法和 AI 运用。上一代的光伏跟踪系统主要以时间 控制的方式进行对于太阳的追踪,但是这样的方式并未考虑天气、云层和光伏自身技术迭代 所带来的变化和影响。而主要一线厂商最新的光伏跟踪支架系统,则通过在时间控制的基础 上改进控制算法,加入人工智能的应用,通过人工智能自主学习的方式,实现发电量的最大化

1)场景一:雨天 在雨天的环境中,跟踪支架通过精确算法指导下的多模式控制系统,能够自动形成有效控制, 将跟踪支架系统形成一定的倾角,让雨水可以清洗光伏组件,形成“自动雨刮器”的效果, 减少运维成本。 

2)场景二:雪天 在雪天的环境中,跟踪支架通过精确算法指导下的多模式控制系统,能够自动形成有效控制, 将跟踪支架系统上的组件臵于垂直状态,有效保护组件,降低雪覆盖组件的可能,减少运维 成本。 

3)场景三:云层遮挡太阳 在某些时刻,存在云层遮挡太阳的情况,此时形成了光的散射,此时的光仍有一定的方向性, 但是简单的时控难以形成跟踪系统发电量的最大化,通过 AI 的自主学习,光伏跟踪系统能 够找到使得发电量最大化的有效角度。

 4)场景一:技术发展——双面组件 双面组件指的是正、反面都能发电的组件,当太阳光照到双面组件的时候,会有部分光线被 周围的环境反射到双面组件的背面,这部分光可以被电池吸收,从而对电池的光电流和效率 产生贡献,双面组件目前在光伏装机的渗透率显著上升,而在双面组件的场景中,由于季节和气候因素,不同时点的反射率有所区别,简单的时控难以形成跟踪系统发电量的最大化, 通过 AI 的自主学习,光伏跟踪系统能够找到使得正反两面相加发电量最大化的有效角度。 总体来看,由于场景的复杂和技术的迭代,单纯的时控难以形成跟踪系统发电量的最大化, 而一线厂商所聚焦的人工智能和精确的算法,随着逐步成熟,有望持续实现光伏电站发电量的最大化。

壁垒四:可融资性与项目背书

跟踪支架招标采用短名单形式,一旦确定方案难以更换。从目前主要国家的光伏跟踪支架招 标来看,由于光伏跟踪支架主要面向大型地面电站,每个项目在招标之前,由各个厂商提供 初步方案,其中设臵有短名单(一类供应商),方案在接受 EPC 厂商和设计公司审核和验证 之后,又当地政府和业主进行相应的审批,一旦确定光伏跟踪支架的方案后,难以进行更换。

过往项目的背书影响短名单的重要因素。由于短名单形式的存在,此前是否在本区域有过光 伏跟踪支架项目和项目目前进展状况,成为影响短名单的重要因素之一,因此,足够多的过 往跟踪支架项目和项目的良好运转,成为影响光伏跟踪支架厂商是否进入短名单以及能否最 终成为供应商的重要因素之一,对于行业新进入者而言,缺乏足够的项目铺垫,也成为遏制 其持续发展的重要因素。

光伏支架的安全意义使得跟踪支架厂商的为银行贷款的重要参考因素。如前所述,光伏支架 是光伏电站的骨骼,光伏支架一旦出现安全性问题,与其他环节相比,对光伏电站产生的损 失都将更为显著,在光伏电站进行融资的过程中,EPC 厂商对于跟踪支架厂商的选择也成为 银行方面放贷的重要参考因素。银行对于光伏跟踪支架厂商的考量重点也在于过往项目的背 书。因此可融资性和项目的背书也成为光伏跟踪支架厂商的核心壁垒之一。

光伏跟踪系统市场空间测算

2025 年光伏跟踪系统市场空间达 864 亿。我们预计未来全球光伏新增装机将持续提升,在 此基础上,大型地面电站装机份额尽管略有下降,但仍占据超 50%份额。而跟踪支架由于相 较于固定支架效益方面的优势,渗透率持续提升,2025 年达 80%,成本端,单套跟踪系统 可承载的高功率组件数量或者是可承载的组件的总功率,是衡量跟踪系统成本最关键的指标, 在按套数核算,跟踪支架单价小幅微降的基础上,由于组件大型化,据中信博官网测算,在 -20℃至 20℃的场景下,高功率组件的串联数量相较于常规 PERC 组件往往少 1~2 块,对应 的跟踪器上组件数量通常会减少 3~6 块,因此单 W 成本和单价进一步下降,最终测算 2025 年光伏跟踪系统市场空间达 864 亿。


原标题:一论光伏跟踪系统:四大核心壁垒,远 非“打铁”那么简单!

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