分布式光伏電站的屋面選擇與支架結(jié)構(gòu)方案研究

■ 章海燦楊松 沈道軍 羅易 諸榮耀 周承軍

浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司

分布式光伏電站的屋面選擇與支架結(jié)構(gòu)方案研究

■ 章海燦*楊松 沈道軍 羅易 諸榮耀 周承軍

浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司

根據(jù)已建成的分布式電站的屋頂選擇與支架結(jié)構(gòu)，著重介紹混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂?shù)闹Ъ芙Y(jié)構(gòu)方案，在確定項(xiàng)目可行的條件下，根據(jù)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地質(zhì)因素等選擇合適的支架方案。

分布式光伏電站；屋面選擇；支架結(jié)構(gòu)；安全可靠

0　引言

從2009年國(guó)家推行“金太陽(yáng)”示范工程，到現(xiàn)如今分布式光伏的大力發(fā)展，昭示著我國(guó)正在開(kāi)啟光伏發(fā)電領(lǐng)域的新紀(jì)元。2013年6月25日國(guó)家能源局發(fā)布的《分布式光伏發(fā)電示范區(qū)工作方案》進(jìn)一步明確了光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)各地分布式光伏項(xiàng)目以“自發(fā)自用”模式運(yùn)營(yíng)，分布式光伏發(fā)電被視作未來(lái)國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)發(fā)展的重頭戲。隨著分布式光伏電站的大量建成，其屋面選擇與支架結(jié)構(gòu)方案選擇也受到越來(lái)越多的重視。

在光鮮的分布式光伏電站建設(shè)浪潮下，隱藏的是頻繁的電站實(shí)質(zhì)性安全問(wèn)題。分布式光伏電站多建設(shè)在東部地區(qū)建筑屋頂上，因東部沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響較大，且許多地區(qū)受冰雹天氣和地震等地質(zhì)因素影響，分布式電站的支架結(jié)構(gòu)需要經(jīng)受很多考驗(yàn)，也存在較大安全隱患。在多種條件影響下，分布式電站的安全性成為分布式光伏電站支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要考慮因素之一。本文從已建成的分布式光伏電站入手，分析不同屋頂選擇下，當(dāng)前應(yīng)用廣泛的支架結(jié)構(gòu)方案。

分布式光伏電站多建設(shè)在混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂，也有少量建設(shè)在普通居民的琉璃瓦屋頂。由于分布式的主要對(duì)象是工商業(yè)企業(yè)和工業(yè)園區(qū)的屋頂，針對(duì)工商業(yè)企業(yè)，主要是混凝土屋頂；針對(duì)工業(yè)園區(qū)的建筑，主要以混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂為主。本文著重介紹混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂?shù)闹Ъ芙Y(jié)構(gòu)方案。

1　混凝土屋面

在混凝土屋頂項(xiàng)目支架設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要充分了解該項(xiàng)目屋頂?shù)木唧w情況。知道建筑的設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)間，了解該建筑在建設(shè)過(guò)程中發(fā)生過(guò)哪些問(wèn)題，查看屋頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)圖紙，現(xiàn)場(chǎng)勘查建筑的沉降是否均勻，是否發(fā)生破壞和損壞，以及現(xiàn)場(chǎng)拍照測(cè)量屋頂建筑已有設(shè)備。

混凝土屋面分為上人屋面與不上人屋面。兩種屋面工程做法不盡相同，不上人屋面，人不經(jīng)常上去，只有檢修時(shí)才上去，保護(hù)層的厚度和材料要求較低，在一般情況下做完屋面的防水層后就可完工；而上人屋面要求高，人經(jīng)常上去，防止人為對(duì)防水層破壞，一般采用剛性混凝土層，在做完防水層工作后，還要做樓地面層，加配鋼絲網(wǎng)，有貼磚或是混凝土層，對(duì)屋面結(jié)構(gòu)層起保護(hù)作用［1］。上人屋面必須建有樓梯可以到達(dá)樓頂屋面層，而不上人屋面的檢修口一般較隱蔽，通過(guò)爬梯上到屋面層，爬梯1.5 m以上。這兩種屋面對(duì)屋面的安全要求也不同，上人屋面必須有女兒墻，且女兒墻高度有規(guī)定，必須要不小于安全要求高度（一般≥1.2 m）；而不上人屋面的女兒墻為0.6～0.9 m。上人屋面和不上人屋面具體有防水層、保溫層和隔熱層的做法。根據(jù)業(yè)主所給的建筑結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)的PKPM建模，根據(jù)國(guó)家規(guī)定設(shè)置參數(shù)進(jìn)行受力分析，確定主要材料的強(qiáng)度和撓度值是否在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

做完屋頂梁和屋面板的計(jì)算校核后，要進(jìn)行屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)恒荷載計(jì)算。最新的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009-2012中規(guī)定：對(duì)于不上人屋面的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.5 kN/m2（即50 kg/m2）；對(duì)于普通上人屋面的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0 kN/m2（即200 kg/ m2），對(duì)于上人屋面兼做其他用途時(shí)，按樓面的取值。在屋頂現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)，需及時(shí)記錄屋頂現(xiàn)有荷載情況。對(duì)于早期設(shè)計(jì)的建筑，由于各種原因，屋面的設(shè)計(jì)荷載要求可能與現(xiàn)在的規(guī)范不同，因此對(duì)于屋頂安裝組件的荷載必須按照最新規(guī)范進(jìn)行評(píng)估校核。對(duì)于上人屋頂，荷載＞2.0 kN/m2的屋頂基本可判定為適合安裝負(fù)重式的光伏組件。

現(xiàn)場(chǎng)踏勘需要收集屋面的詳細(xì)資料。在現(xiàn)場(chǎng)還需對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行拍照測(cè)量，因?yàn)檫@些設(shè)備可能會(huì)影響支架形式、結(jié)構(gòu)的選擇和組件安裝的遮擋。如被破壞的屋面、屋頂管道、冷水機(jī)組和空調(diào)外機(jī)等屋頂突出物，都對(duì)組件安裝有一定影響。

除此之外，還必須了解建筑業(yè)主方對(duì)于屋頂?shù)囊?guī)劃用途，如預(yù)計(jì)不能安裝組件的地方需要另作他用；了解業(yè)主方對(duì)屋頂檢修通道的要求，在組件排布時(shí)予以避讓。

對(duì)于現(xiàn)有混凝土平屋面，目前支架安裝方案最常見(jiàn)的主要有預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土塊方案、預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案和現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案。

圖1　影響組件安裝的因素

1.1預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土塊方案

該方案首先需要精確統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目地點(diǎn)的常年平均風(fēng)速和不同季節(jié)的風(fēng)向，計(jì)算出正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓；再通過(guò)風(fēng)壓大小折算出鋼筋混凝土塊的配重；預(yù)先加工好尺寸一致的鋼筋混凝土塊，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安裝；根據(jù)提供的組件布置圖，將鋼筋混凝土塊放在相應(yīng)的固定位置，在鋼筋混凝土上表面鉆兩個(gè)孔用來(lái)錨固化學(xué)錨栓或直接在加工鋼筋混凝土塊時(shí)預(yù)置錨栓；最后將立柱底板通過(guò)已經(jīng)錨固好的錨栓連接，再根據(jù)支架安裝圖安裝支架上部的橫梁、連接件及光伏組件等。支架一般選用熱鍍鋅不銹鋼支架。采用負(fù)重式方案的傾角和平鋪安裝的支架見(jiàn)圖2。

圖2　采用負(fù)重式方案的傾角和平鋪安裝的支架

該方案的優(yōu)點(diǎn)為：1）不破壞屋面防水層和支撐結(jié)構(gòu)層、頂棚層、保溫隔熱層等其他建筑層；2）施工操作過(guò)程簡(jiǎn)單，能有效縮短施工周期；3）支架整體較預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案連接牢固可靠；4）光伏組件支架的用鋼量相對(duì)其他方案不多。

缺點(diǎn)為屋頂增加了混凝土塊及組件和支架等，施工結(jié)束后需要復(fù)核計(jì)算屋頂?shù)暮愫奢d。

1.2預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案

為了防止組件支架在風(fēng)荷載作用下在屋頂發(fā)生滑移或傾翻，保證光伏組件支架結(jié)構(gòu)安全可靠，組件支架與屋面無(wú)連接，直接放在平屋面上，在支架橫梁上增加鋼筋混凝土壓塊［2］。壓塊由鋼筋混凝土預(yù)制成，需要精確統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目地點(diǎn)的常年平均風(fēng)速和不同季節(jié)的風(fēng)向，計(jì)算出正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓，再通過(guò)風(fēng)壓大小折算出鋼筋混凝土塊的配重。采用預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案傾角和平鋪安裝的支架見(jiàn)圖3。

圖3　采用預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案傾角和平鋪安裝的支架

該方案的優(yōu)點(diǎn)為：1）不破壞屋面防水層和支撐結(jié)構(gòu)層、頂棚層、保溫隔熱層等其他建筑層；2）施工操作過(guò)程較簡(jiǎn)單，可有效縮短施工周期。

缺點(diǎn)為：1）屋頂增加了混凝土塊及組件和支架等，施工結(jié)束后復(fù)核計(jì)算屋頂?shù)暮愫奢d；2）整體支架連接的安全可靠度不及預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土塊方案和現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案；3）支架用鋼量相對(duì)較多。

1.3現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的屋面組件排布圖，在支架前后兩個(gè)支撐點(diǎn)所在位置除去屋面原有的樓面層、防水層、保溫隔熱層等和屋面現(xiàn)澆板的上層鋼筋的保護(hù)層，使得露出原有屋頂?shù)牟糠咒摻?；焊接組件支架基礎(chǔ)的鋼筋和屋面板上層鋼筋，扎好混凝土梁的基礎(chǔ)鋼筋，在模具中澆筑基礎(chǔ)混凝土，預(yù)留基礎(chǔ)錨栓或直接鉆孔使用化學(xué)錨栓，利用錨栓固定支架直撐；等鋼筋混凝土梁硬化后，根據(jù)提供的光伏組件支架安裝圖連接安裝支架和組件；還需要修復(fù)屋面防水層及保溫隔熱層等其他建筑層。圖4為現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案傾角安裝支架。

圖4　現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案傾角安裝支架

該方案的優(yōu)點(diǎn)為：1）因與屋面連接，相對(duì)預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土塊方案和預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案結(jié)構(gòu)更加牢固可靠；2）光伏組件支架的用鋼量較預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案少；3）原有屋面的負(fù)重增加較少。

缺點(diǎn)為：破壞了屋面的防水層和樓面層等其他建筑層；鋼筋混凝土梁需現(xiàn)澆，施工過(guò)程較為繁雜，工序較多，需要等混凝土梁硬化后才可安裝支架組件，施工周期相對(duì)較長(zhǎng)。

1.43種方案比較分析

對(duì)上述3種方案的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行比較，混凝土屋面方案的選用基本原則為：

1）對(duì)于上人屋面，由于設(shè)計(jì)時(shí)的活負(fù)載為2.0 kN/m2，上述的3種方案都可選用；對(duì)于不上人屋面，由于設(shè)計(jì)時(shí)的活負(fù)載只有0.5 kN/m2，預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土方案和預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案采用鋼筋混凝土自身重量抵抗風(fēng)壓，而由于混凝土塊本身質(zhì)量較大，完工后需要復(fù)核計(jì)算屋面結(jié)構(gòu)的恒荷載。

2）對(duì)于現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案，因?yàn)槠茐牧宋菝娣浪畬雍蜆敲鎸拥绕渌ㄖ樱沂┕け绕渌麅蓚€(gè)方案復(fù)雜，工序多，施工周期相對(duì)長(zhǎng)，一般情況下較少采用，多用于受臺(tái)風(fēng)嚴(yán)重影響的區(qū)域；采用現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)方案，需要修復(fù)屋面防水層和樓面層等其他建筑層。

3）因施工簡(jiǎn)單，施工工期較短，在上人屋面被廣泛使用的是預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土方案。

實(shí)際工程狀況千差萬(wàn)別，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)工程特點(diǎn)綜合考慮，采用最佳方案。

2　彩鋼瓦屋面

彩鋼瓦一般裝在輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物上，多用于標(biāo)準(zhǔn)化廠房和倉(cāng)庫(kù)。輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑使用重量很輕的彩鋼瓦作為屋頂，跨距可做得很大，適合布置光伏組件。工業(yè)區(qū)都是聯(lián)片建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化廠房或倉(cāng)庫(kù)，數(shù)量多且面積較大，適合建設(shè)分布式光伏電站。

在彩鋼瓦屋面支架選擇和設(shè)計(jì)過(guò)程中，需做到：

1）清楚屋面的主體結(jié)構(gòu)。如彩鋼瓦屋面的設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)間；在建筑建設(shè)過(guò)程中是否出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，如是否在施工中有偷工減料的事情發(fā)生；收集建筑結(jié)構(gòu)圖紙；現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)建筑的沉降是否均勻，是否發(fā)生破壞或損壞；屋內(nèi)的吊頂和吊掛情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

2）了解建筑周邊情況。需要了解廠區(qū)的生產(chǎn)工藝，在日常生產(chǎn)過(guò)程中是否產(chǎn)生腐蝕性氣體或大量粉塵；向業(yè)主拿到廠區(qū)的整體平面布置圖；了解廠區(qū)所在的位置及地面粗糙度和周邊建筑的密集程度；周邊建筑物對(duì)廠區(qū)安裝組件的影響；廠區(qū)周邊是否有飛機(jī)場(chǎng)等對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)苛的場(chǎng)所。

3）了解屋頂彩鋼瓦的情況?，F(xiàn)場(chǎng)勘查彩鋼板的厚度和損壞、銹蝕情況；彩鋼瓦的尺寸、截面形狀，采集彩鋼瓦波峰之間的距離數(shù)據(jù)等；彩鋼瓦的實(shí)際單位面積質(zhì)量；現(xiàn)場(chǎng)勘查彩鋼瓦的安裝質(zhì)量等；現(xiàn)場(chǎng)查看彩鋼瓦的變形程度及對(duì)應(yīng)的位置。

4）屋頂?shù)恼系K物和遮擋也需要重點(diǎn)關(guān)注：屋頂女兒墻的高度；屋頂氣樓的高度、尺寸和位置；采光帶的位置和尺寸；業(yè)主方對(duì)屋頂?shù)囊?guī)劃用途。

對(duì)于不同組件安裝方式、組件排布密度等，增加的恒荷載具體為0.1、0.12、0.15 kN/m2（10、12、15 kg）等數(shù)值。對(duì)恒荷載的增加值進(jìn)行計(jì)算，在滿足建筑承載的條件下布置組件。對(duì)于部分承載力不夠的區(qū)域，可采取結(jié)構(gòu)加固的措施。

彩鋼瓦最常見(jiàn)的有直立鎖邊型、角馳型、梯型3種。

2.1直立鎖邊型彩鋼瓦

通過(guò)夾具上的側(cè)向螺紋孔擰入螺栓，頂緊彩鋼瓦波峰直立邊產(chǎn)生夾緊力，使夾具的空腔凹槽與波峰契合，實(shí)現(xiàn)緊固連接的目的；無(wú)需穿透鋼板，不破壞防水層，無(wú)漏水隱患。圖5為直立鎖邊型彩鋼瓦截面形狀與所用夾具。

圖5　直立鎖邊型彩鋼瓦截面形狀與所用夾具

2.2角馳型彩鋼瓦

利用彩鋼瓦的截面波形，利用波峰的形狀采用夾扣的方式固定導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌上安裝組件，利用壓塊固定組件；無(wú)需穿透彩鋼瓦，不破壞防水層，無(wú)漏水隱患。圖6為角馳型彩鋼瓦及對(duì)應(yīng)夾具和導(dǎo)軌。

圖6　角馳型彩鋼瓦及對(duì)應(yīng)夾具和導(dǎo)軌

2.3梯型彩鋼瓦

用兩顆含有膠墊的自攻螺釘配合EPDM橡膠墊將梯型彩鋼瓦夾具固定在屋頂上，根據(jù)屋頂載荷要求等選擇合適的導(dǎo)軌，再用壓塊固定安裝組件。在梯型彩鋼瓦上安裝組件需穿透彩鋼瓦，破壞防水層，有漏水隱患。圖7為梯型彩鋼瓦及其夾具。

圖7　梯型彩鋼瓦及其夾具

彩鋼瓦壽命一般在10～15年，承重為15～30 kg/m2。光伏組件多采用平鋪安裝，極少用傾角安裝。平鋪光伏組件的抗風(fēng)性能佳，但發(fā)電效率較帶傾角光伏支架系統(tǒng)低；帶傾角光伏支架系統(tǒng)雖發(fā)電效率高，但單位面積屋頂裝機(jī)量少于平鋪安裝約30%，支架造價(jià)高，對(duì)彩鋼瓦屋面壓力大，抗風(fēng)性能較平鋪差。圖8為平鋪安裝的組件。

圖8　平鋪安裝組件

3　結(jié)論

無(wú)論是混凝土屋頂項(xiàng)目還是彩鋼瓦屋頂項(xiàng)目，必須做好前期實(shí)地勘察和資料收集工作，與業(yè)主多溝通交流，了解業(yè)主想法；計(jì)算項(xiàng)目屋頂?shù)暮奢d，了解接入條件等，確定項(xiàng)目是否可行。在確定項(xiàng)目可行的條件下，根據(jù)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，考慮地質(zhì)因素等選擇合適的支架方案。

［1］奚勇， 李志勇. 地震區(qū)多層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)例析［J］.建筑，2012， （9）: 67-67.

［2］祁建洲.混凝土平屋面光伏組件支架的連接設(shè)計(jì)［J］.門(mén)窗，2012， （5）: 219-220.

2016-01-26

章海燦（1992—），男，系統(tǒng)工程師，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)研究及電氣設(shè)計(jì)工作。Haican.Zhang@astronergy.com