屋頂分布式光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

屋頂分布式光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析摘要：基于對(duì)綠色能源的發(fā)展要求，我國(guó)政府十分重視光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。由于傳統(tǒng)地面光伏占地面積大，其發(fā)展受到了一定的限制。而屋頂分布式光伏由于不占用或極少占用土地，受到了國(guó)家和行業(yè)的高度重視。屋頂分布式光伏即在已經(jīng)建成的建筑物的屋頂上安裝光伏組件，由于不同的屋頂所選用的支架結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，所以在光伏發(fā)電系統(tǒng)的支架設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重考慮屋頂?shù)男螤?、結(jié)構(gòu)的承載力、固定方式、抗風(fēng)能力、支架材料的選用等。為此，本文以光伏支架的設(shè)計(jì)實(shí)際為基礎(chǔ)，對(duì)屋頂分布式光伏支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。關(guān)鍵詞：屋頂分布式光伏；支架結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)1引言為了緩解我國(guó)的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)政府制定一系列的政策，以鼓勵(lì)發(fā)展和推廣光伏行業(yè)。但是國(guó)內(nèi)土地資源日益緊缺，普通的地面光伏電站由于占地面積過(guò)大，發(fā)展受到了限制。而屋頂分布式光伏由于不占用或極少占用土地，受到了國(guó)家和行業(yè)內(nèi)的高度重視。除此之外，屋頂光伏利用的是閑置的屋頂，能盤(pán)活屋頂業(yè)主的固定資產(chǎn)，增加其收益；屋頂布置光伏組件后，能降低建筑內(nèi)部的溫度，增加生產(chǎn)生活的舒適性，降低夏天降溫的成本?？梢?jiàn)，實(shí)施屋頂光伏項(xiàng)目將是一個(gè)多贏的局面，屋頂光伏必然是光伏行業(yè)發(fā)展的一個(gè)熱門方向。屋頂分布式光伏系統(tǒng)包括光伏組件、逆變器、支架結(jié)構(gòu)和電纜等。光伏組件是一種把外界的太陽(yáng)能輻射轉(zhuǎn)變成電能的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，當(dāng)太陽(yáng)光照射到一定程度時(shí)，輸出的電壓會(huì)上升，然后由逆變器將其轉(zhuǎn)化成交流電能，再將電能輸送到負(fù)荷，這樣可以在鄰近的建筑物內(nèi)進(jìn)行消納，降低電纜的損耗。鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋頂?shù)闹Ъ芙Y(jié)構(gòu)，主要是與彩鋼瓦配合使用的特殊夾具、導(dǎo)軌與彩鋼瓦進(jìn)行固定，以確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。在混凝土屋頂上，應(yīng)避免損壞防水材料，從而影響建筑的質(zhì)量，通常采用配重式素混凝土基礎(chǔ)，依靠基礎(chǔ)和光伏支架結(jié)構(gòu)本身的重量，將其固定在混凝土屋頂上。2屋頂光伏陣列布置原則2.1保證光伏發(fā)電系統(tǒng)效率按照相關(guān)規(guī)范要求，光伏組件在冬至日9點(diǎn)至15點(diǎn)之間不能有陰影遮擋。彩鋼瓦屋面光伏組件一般都順原屋面坡度布置，不存在遮擋問(wèn)題。但混凝土屋面光伏陣列一般采用最佳傾角，布置時(shí)應(yīng)充分考慮陰影遮擋問(wèn)題，陣列前后間距應(yīng)足夠。除此之外，光伏陣列布置時(shí)應(yīng)結(jié)合建筑屋面實(shí)際情況，考慮女兒墻、構(gòu)架、廣告牌、樓梯間、天窗、通風(fēng)井、管道、屋頂設(shè)備等的影響，減少各種遮擋物和障礙物的陰影影響。2.2確保屋頂光伏的運(yùn)維檢修光伏陣列布置時(shí)，應(yīng)考慮光伏系統(tǒng)的運(yùn)維檢修方便，在光伏陣列間預(yù)留一定的檢修通道，所有逆變器均應(yīng)在通道直達(dá)范圍內(nèi)、所有光伏組件均應(yīng)在清洗設(shè)備可接觸范圍內(nèi)。3屋頂分布式光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1彩鋼瓦屋頂支架設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋頂，根據(jù)彩鋼瓦類型，一般可分為角馳式屋面和梯形式屋面。角馳式屋面一般采用夾具將支架和屋面直接連接，簡(jiǎn)單可靠；梯形式屋面一般采用螺栓將支架和屋面檁條連接，然后用結(jié)構(gòu)膠封堵，因此其耐久性略差，有一定的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。彩鋼瓦支架體系一般包括夾具（螺栓）、橫梁、導(dǎo)軌以及壓塊等，橫梁通過(guò)夾具（螺栓）與建筑屋面相連，導(dǎo)軌則與橫梁通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，光伏組件通過(guò)壓塊與導(dǎo)軌相連。夾具（螺栓）是支架與屋面連接的關(guān)鍵構(gòu)件，類似于常規(guī)地面光伏支架的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)計(jì)算在自重、風(fēng)荷載和雪荷載作用下，夾具（螺栓）所受的壓力和拉力，并在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)拉壓試驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)。支架各構(gòu)件連接簡(jiǎn)單，施工方便。夾具和螺栓為常規(guī)低合金高強(qiáng)鋼材，主要采用熱鍍鋅防腐；橫梁、導(dǎo)軌及壓塊均為鋁合金材質(zhì)，強(qiáng)度高防腐性能好。通過(guò)支架各構(gòu)件與屋面安裝牢固后，組件離屋面的距離一般不小于150mm，可以保證組件在發(fā)電時(shí)有效散熱，避免發(fā)電量損失。彩鋼瓦屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)除了支架外，尚有組件和電纜等設(shè)備材料，根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，光伏系統(tǒng)換算的屋面荷載（可按恒載考慮）約為0.15KN/m2。由于增加了原建筑屋面的外荷載，應(yīng)格外重視原結(jié)構(gòu)安全的復(fù)核，一般應(yīng)聯(lián)系原建筑的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)復(fù)核原建筑無(wú)安全及耐久性問(wèn)題后，方可開(kāi)展屋頂光伏建設(shè)工作。3.2混凝土屋面支架設(shè)計(jì)混凝土屋面光伏支架與常規(guī)地面光伏支架設(shè)計(jì)基本相似，但是屋頂光伏支架不需要像常規(guī)農(nóng)光、漁光項(xiàng)目，保證立柱間距不小于4m（各地政策要求略有不同），其立柱間距完全可以按3m左右進(jìn)行設(shè)計(jì)。如此，可有效減小支架檁條截面，降低支架成本；同時(shí)支架基礎(chǔ)分布更均勻，可減小對(duì)建筑屋頂?shù)暮奢d影響?；炷廖菝嬷Ъ芤灿蓹_條、斜梁、斜撐以及立柱等構(gòu)件組成，各構(gòu)件的截面、材質(zhì)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)睾奢d按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，注意支架設(shè)計(jì)使用年限為25年，其風(fēng)荷載和雪荷載應(yīng)按照25年重現(xiàn)期考慮。一般檁條的厚度在1.5mm以上，考慮到檁條的局部穩(wěn)定性、安裝可靠性等因素，建議檁條截面厚度控制在2.0mm左右較為合適；斜撐的厚度一般也取為2.0mm；斜梁、立柱的厚度不宜小于2.5mm。為節(jié)約鋼材，在目前支架設(shè)計(jì)時(shí)一般可選用Q355B及以上材質(zhì)，相對(duì)Q235B鋼材，可減少約10%~30%的鋼材用量，有效降低支架成本。支架防腐通常采用熱鍍鋅防腐，鍍鋅層厚度根據(jù)環(huán)境腐蝕類別確定，其平均厚度一般不小于65um?對(duì)于截面厚度不超過(guò)2.5mm的鋼材，也可以考慮鍍鋁鎂鋅防腐的方案，不僅防腐性能較好，其成本也相對(duì)熱鍍鋅更低?；炷廖菝婀夥Ъ芤话悴捎盟鼗炷僚渲厥交A(chǔ)，鋼筋混凝土屋面抗壓承載力可以認(rèn)為是完全足夠的，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是其自重能滿足支架結(jié)構(gòu)抗傾覆的要求。為了減小基礎(chǔ)對(duì)原屋面防水的影響，基礎(chǔ)可以考慮預(yù)制好后再吊裝至屋面安裝，或在基礎(chǔ)與屋面之間鋪設(shè)一層塑料薄膜、避免基礎(chǔ)現(xiàn)澆時(shí)與屋面連接并在風(fēng)荷載作用下拉裂屋面?；炷廖菝婀夥Ъ芤部梢圆捎没瘜W(xué)錨栓式基礎(chǔ)，通過(guò)化學(xué)錨栓將支架與屋頂構(gòu)造柱、壓頂梁和屋面結(jié)構(gòu)梁板連接，但是此種基礎(chǔ)形式對(duì)屋面原防水層破壞較大，即使修復(fù)后也可能產(chǎn)生滲漏問(wèn)題，建議慎重采用。4支架安裝施工注意事項(xiàng)屋頂分布式光伏項(xiàng)目都集中在已有建筑區(qū)域，施工條件受到很大限制。施工時(shí)應(yīng)仔細(xì)搜集場(chǎng)區(qū)建設(shè)資料，做好精細(xì)化的施工組織設(shè)計(jì)，盡量減少對(duì)場(chǎng)區(qū)已有建構(gòu)筑物的影響，包括道路、管道、綠化、屋面防水等。在施工時(shí)的建筑材料需要在場(chǎng)區(qū)內(nèi)指定地點(diǎn)集中堆放，如果有臨時(shí)材料需要堆放在屋面，則應(yīng)均勻放置不宜集中，且不能超過(guò)允許的施工荷載。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面還需要注意的是，由于鋼結(jié)構(gòu)屋面本身承載力相對(duì)較低，堆放材料及工人行走應(yīng)盡量保持在主梁或檁條之上。5結(jié)束語(yǔ)國(guó)家對(duì)于發(fā)展新能源有著明確的規(guī)劃，屋頂分布式光伏由于占地上受到了行業(yè)青睞。可以預(yù)見(jiàn)，屋頂分布式光伏將是光伏行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。如今屋頂分布式光伏尚處在發(fā)展初期，建設(shè)相關(guān)的政策文件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，還需要行業(yè)內(nèi)的持續(xù)關(guān)注、研究，提高建設(shè)水平。屋頂分布式光伏支架的設(shè)計(jì)理論，包括風(fēng)荷載的細(xì)化研究，仍將是今后行業(yè)內(nèi)的關(guān)注熱點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單總結(jié)了屋頂分布式光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，對(duì)于支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要再進(jìn)一步的研究提升。參考文獻(xiàn)鐘坤炎.不同支架結(jié)構(gòu)形式的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)輻照度研究[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2022(05):10-13.連秀云，董曉凱.清水池上部分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中固定式光伏支架