屋頂分布式光伏支架結構設計淺析

屋頂分布式光伏支架結構設計淺析摘要：基于對綠色能源的發(fā)展要求，我國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構形式也不盡相同，所以在光伏發(fā)電系統(tǒng)的支架設計中，應著重考慮屋頂?shù)男螤?、結構的承載力、固定方式、抗風能力、支架材料的選用等。為此，本文以光伏支架的設計實際為基礎，對屋頂分布式光伏支架結構的設計要點進行簡單的論述。關鍵詞：屋頂分布式光伏；支架結構；設計1引言為了緩解我國的能源危機和環(huán)境問題，我國政府制定一系列的政策，以鼓勵發(fā)展和推廣光伏行業(yè)。但是國內(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?，實施屋頂光伏項目將是一個多贏的局面，屋頂光伏必然是光伏行業(yè)發(fā)展的一個熱門方向。屋頂分布式光伏系統(tǒng)包括光伏組件、逆變器、支架結構和電纜等。光伏組件是一種把外界的太陽能輻射轉變成電能的能源轉換設備，當太陽光照射到一定程度時，輸出的電壓會上升，然后由逆變器將其轉化成交流電能，再將電能輸送到負荷，這樣可以在鄰近的建筑物內(nèi)進行消納，降低電纜的損耗。鋼結構彩鋼瓦屋頂?shù)闹Ъ芙Y構，主要是與彩鋼瓦配合使用的特殊夾具、導軌與彩鋼瓦進行固定，以確保整體結構的穩(wěn)定性和可靠性。在混凝土屋頂上，應避免損壞防水材料，從而影響建筑的質(zhì)量，通常采用配重式素混凝土基礎，依靠基礎和光伏支架結構本身的重量，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)效率按照相關規(guī)范要求，光伏組件在冬至日9點至15點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，不存在遮擋問題。但混凝土屋面光伏陣列一般采用最佳傾角，布置時應充分考慮陰影遮擋問題，陣列前后間距應足夠。除此之外，光伏陣列布置時應結合建筑屋面實際情況，考慮女兒墻、構架、廣告牌、樓梯間、天窗、通風井、管道、屋頂設備等的影響，減少各種遮擋物和障礙物的陰影影響。2.2確保屋頂光伏的運維檢修光伏陣列布置時，應考慮光伏系統(tǒng)的運維檢修方便，在光伏陣列間預留一定的檢修通道，所有逆變器均應在通道直達范圍內(nèi)、所有光伏組件均應在清洗設備可接觸范圍內(nèi)。3屋頂分布式光伏支架結構設計3.1彩鋼瓦屋頂支架設計鋼結構彩鋼瓦屋頂，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，然后用結構膠封堵，因此其耐久性略差，有一定的滲漏風險。彩鋼瓦支架體系一般包括夾具（螺栓）、橫梁、導軌以及壓塊等，橫梁通過夾具（螺栓）與建筑屋面相連，導軌則與橫梁通過螺栓進行連接，光伏組件通過壓塊與導軌相連。夾具（螺栓）是支架與屋面連接的關鍵構件，類似于常規(guī)地面光伏支架的基礎，在設計時應重點計算在自重、風荷載和雪荷載作用下，夾具（螺栓）所受的壓力和拉力，并在項目現(xiàn)場通過拉壓試驗驗證檢測。支架各構件連接簡單，施工方便。夾具和螺栓為常規(guī)低合金高強鋼材，主要采用熱鍍鋅防腐；橫梁、導軌及壓塊均為鋁合金材質(zhì)，強度高防腐性能好。通過支架各構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備材料，根據(jù)統(tǒng)計計算，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，應格外重視原結構安全的復核，一般應聯(lián)系原建筑的設計單位進行復核。經(jīng)復核原建筑無安全及耐久性問題后，方可開展屋頂光伏建設工作。3.2混凝土屋面支架設計混凝土屋面光伏支架與常規(guī)地面光伏支架設計基本相似，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左右進行設計。如此，可有效減小支架檁條截面，降低支架成本；同時支架基礎分布更均勻，可減小對建筑屋頂?shù)暮奢d影響。混凝土屋面支架也由檁條、斜梁、斜撐以及立柱等構件組成，各構件的截面、材質(zhì)應根據(jù)當?shù)睾奢d按照規(guī)范進行設計，注意支架設計使用年限為25年，其風荷載和雪荷載應按照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，在目前支架設計時一般可選用Q355B及以上材質(zhì)，相對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?對于截面厚度不超過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，其成本也相對熱鍍鋅更低?；炷廖菝婀夥Ъ芤话悴捎盟鼗炷僚渲厥交A，鋼筋混凝土屋面抗壓承載力可以認為是完全足夠的，基礎設計的重點是其自重能滿足支架結構抗傾覆的要求。為了減小基礎對原屋面防水的影響，基礎可以考慮預制好后再吊裝至屋面安裝，或在基礎與屋面之間鋪設一層塑料薄膜、避免基礎現(xiàn)澆時與屋面連接并在風荷載作用下拉裂屋面?；炷廖菝婀夥Ъ芤部梢圆捎没瘜W錨栓式基礎，通過化學錨栓將支架與屋頂構造柱、壓頂梁和屋面結構梁板連接，但是此種基礎形式對屋面原防水層破壞較大，即使修復后也可能產(chǎn)生滲漏問題，建議慎重采用。4支架安裝施工注意事項屋頂分布式光伏項目都集中在已有建筑區(qū)域，施工條件受到很大限制。施工時應仔細搜集場區(qū)建設資料，做好精細化的施工組織設計，盡量減少對場區(qū)已有建構筑物的影響，包括道路、管道、綠化、屋面防水等。在施工時的建筑材料需要在場區(qū)內(nèi)指定地點集中堆放，如果有臨時材料需要堆放在屋面，則應均勻放置不宜集中，且不能超過允許的施工荷載。對于鋼結構彩鋼瓦屋面還需要注意的是，由于鋼結構屋面本身承載力相對較低，堆放材料及工人行走應盡量保持在主梁或檁條之上。5結束語國家對于發(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。可以預見，屋頂分布式光伏將是光伏行業(yè)發(fā)展的一個重要方向。如今屋頂分布式光伏尚處在發(fā)展初期，建設相關的政策文件、設計標準還不夠完善，還需要行業(yè)內(nèi)的持續(xù)關注、研究，提高建設水平。屋頂分布式光伏支架的設計理論，包括風荷載的細化研究，仍將是今后行業(yè)內(nèi)的關注熱點。本文簡單總結了屋頂分布式光伏支架結構設計的要點，對于支架結構的優(yōu)化設計，還需要再進一步的研究提升。參考文獻鐘坤炎.不同支架結構形式的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽輻照度研究[J].電氣技術與經(jīng)濟,2022(05):10-13.連秀云，董曉凱.清水池上部分布式光伏發(fā)電項目中固定式光伏支架