淺談屋頂分布式光伏發(fā)電的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：在經(jīng)濟高速發(fā)展的放當(dāng)下，我國對于能源的需求也越來越大，但是傳統(tǒng)能源有限，不可再生，并且還會在使用過程中產(chǎn)生大量的污染，所以我國現(xiàn)在對于新能源的需求很大，而光電就是清潔能源的重要組成成分。所謂的屋頂分布式光伏發(fā)電就是把光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑物的屋頂，然而建筑的種類多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以支架設(shè)計的工作重點在于如何能夠在現(xiàn)有建筑的屋頂基礎(chǔ)上，采用合適的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和固定方式，選用適當(dāng)?shù)墓こ滩牧希_到抗風(fēng)、抗雪的能力。

關(guān)鍵詞：屋頂分布式；光伏發(fā)電；支架設(shè)計

中圖分類號：TU18 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0146-02

1 引 言

作為用戶側(cè)發(fā)電裝置，屋頂分布式光伏發(fā)電是用戶自己安裝供給自身用電，并實現(xiàn)余電并網(wǎng)的發(fā)電方式。由于這種類型的裝置在最近幾年才在市場上出現(xiàn)，所以很多的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不了解屋頂分布式光伏發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在沒有專業(yè)知識領(lǐng)導(dǎo)下貿(mào)然對發(fā)電結(jié)構(gòu)進行設(shè)計施工，往往達不到使用要求，造成人力物力的浪費。

2 屋頂?shù)姆诸?/p>

屋頂分布式光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)需要和對象屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)相契合，所以在安裝之前就確定屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)類型。在現(xiàn)階段，比較適合進行光伏發(fā)電裝置安裝的屋頂結(jié)構(gòu)大致有兩種，輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面和混凝土屋面。不同的屋頂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能也不同，所以在安裝發(fā)電結(jié)構(gòu)時選用的支架結(jié)構(gòu)也不盡相同?；炷廖菝婢褪峭耆炷翝仓奈蓓?，而輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面則是用輕鋼焊接好支架，然后再在結(jié)構(gòu)上鋪上經(jīng)過軋制過的彩鋼瓦，這種結(jié)構(gòu)類型的屋面具有良好的疏水性，但是相對強度沒有混凝土結(jié)構(gòu)屋頂強，其承載能力較弱，在進行支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候考慮的因素更多，設(shè)計要求也相對更高。

3 支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計原理

設(shè)計的基本遵循原則就是不破壞建筑物屋頂原有的防水層，不影響原屋頂?shù)墓δ?，保證正常工作、生活的進行。對于輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面來說，主要采用和彩鋼瓦型號匹配的家具和導(dǎo)軌，讓光伏發(fā)電機構(gòu)著力于輕鋼構(gòu)架，以保證支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于現(xiàn)澆混凝土屋面的施工，一般通過打水泥墩來進行安裝，通過支架的自重和水泥墩的重量將支架固定在混凝土屋面上，實現(xiàn)抗風(fēng)、抗壓等功能。屋頂分布式光伏發(fā)電的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計是對現(xiàn)有的房屋進行外設(shè)的增加，是對房屋的再改造，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候應(yīng)該按照外接設(shè)施的標(biāo)準和穩(wěn)定來要求，確保系統(tǒng)的安全性，不會造成安全事故的發(fā)生。

3.2 支架材料的選擇

3.2.1 支架結(jié)構(gòu)材料和材料要求

輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面的支架材料包括各種以鋁合金材料為主的夾具、立柱、橫梁、導(dǎo)軌和滑塊?；炷廖蓓敯l(fā)電裝置支架材料包括鋼立柱、鋼橫梁、鋼導(dǎo)軌和水泥墩。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計壽命為兩年，并且支架結(jié)構(gòu)在屋頂上要不斷接受陽光暴曬、雨水侵蝕、風(fēng)蝕，所以在材料的選用上需要特別考慮到支架的防腐性，保證在工作年限內(nèi)能夠保持很好的穩(wěn)定性。輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面表面的鋁合金選擇6005-T5以上的材料，混凝土屋面支架的鋼材料選擇標(biāo)準應(yīng)該高于Q235B，對于安裝好的構(gòu)架還可以進行上漆等步驟進行防腐蝕處理。由于其建筑工程屬性，考慮材料的選取時不能盲目選擇厚度大、結(jié)構(gòu)強的材料，也應(yīng)該綜合經(jīng)濟情況來進行考慮，實現(xiàn)經(jīng)濟化、穩(wěn)定的工程設(shè)計。

3.2.2 輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面夾具和導(dǎo)軌的選擇

由彩鋼瓦屋面的結(jié)構(gòu)特性決定，材料選用要考慮最多的就是輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面。在進行支架設(shè)計之前就需要確定施工對象的彩鋼瓦型號，然后再依照型號選擇匹配的夾具，再用螺栓等結(jié)構(gòu)連接彩鋼瓦和支架，以夾具和彩鋼瓦系統(tǒng)作為之后整個支架的系統(tǒng)。因為夾具系統(tǒng)是后續(xù)施工的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，所以對于夾具強度由很高的要求，一般選擇5mm以上厚度的夾具對支架后續(xù)機構(gòu)的夾持和固定。導(dǎo)軌是光伏支架的次級支撐結(jié)構(gòu)，也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的重要裝置，一般選擇的厚度不低于1.8mm，而且盡量選用市場上的通用型號，維護更換的時候避免麻煩。不管導(dǎo)軌還是夾具的材料選擇，除了要考慮以上問題還需要對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境有清楚認識，依據(jù)環(huán)境條件對材料選用進行適當(dāng)改變，這樣才能適應(yīng)環(huán)境，保證使用年限。

3.3 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

支架設(shè)計的基本原則就是保證支架能夠穩(wěn)定承載光伏發(fā)電系統(tǒng)，保證發(fā)電裝置能夠在各種條件下正常工作。對此，先需要建立模型，對原來屋面的承載能力進行計算；按照五十年標(biāo)準考慮風(fēng)荷和雪荷。另外，設(shè)計方案也還應(yīng)該能夠?qū)夥l(fā)電系統(tǒng)的后續(xù)清潔、維護等工作提供便利。

對于夾具的布置，需要沿著與屋面傾斜方向的垂直線布置，彩鋼瓦型號的600mm波距是一個轉(zhuǎn)折點，大于600的需要在每一個波峰都安裝一個夾具，小于600則夾具安裝間隔一個波距，保證夾具之間間隔不會太大，并且能夠均勻分布，保證每個夾具的受力情況基本相同。對于沿著屋面坡度方向夾具的布置，由光伏系統(tǒng)選擇和屋面形狀等因素決定。

對于導(dǎo)軌的安裝，平行導(dǎo)軌基本按照850mm的間距來進行安裝，以此滿足發(fā)電系統(tǒng)的最佳受力情況。而對于前后排導(dǎo)軌的間距選擇更需要考慮光照、陰影遮擋德國問題，保證光伏發(fā)電的光照利用率最大化。

對于各個柱間支撐的布置，支架縱長30m及以下時，等距布置三道柱間支撐；在支架長度大于30m時，在保證中間和兩邊都有支撐的情況下，每隔30～40m布置一道支撐，保證支撐強度。

4 支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟

首先，在設(shè)計之初就需要了解原來屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)承載力以及預(yù)計裝上整個屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)之后的結(jié)構(gòu)受力情況。因為屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是將已經(jīng)準備好的光伏材料安裝在屋頂，會增加原來屋頂?shù)某休d力量，會對原來的力學(xué)性能造成影響，改變原有的結(jié)構(gòu)受力情況。一般情況下，依照15～20kg/m的規(guī)格來計算支架和發(fā)電裝置的載荷。關(guān)于風(fēng)荷，無論是輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋面還是混凝土屋面都在計算的時候?qū)L(fēng)壓計算在內(nèi)，確定新增載荷非極端條件一般按照80～120kg來選取。在對原有屋頂結(jié)構(gòu)的承載力計算之后，如果滿足條件就可以進行后續(xù)設(shè)計，如果滿足不了力學(xué)承載，那么就需要考慮其他的安裝方法，譬如墻面、地面安裝，或者使放棄安裝，避免危險情況的發(fā)生。然后就是光伏發(fā)電部分的鋪設(shè)方式的確定。對于南北坡向的輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦屋頂，建議在設(shè)計安裝的時候調(diào)設(shè)為朝南方向、與水平成8°的夾角，北向鋪設(shè)也使朝向南方、與水平面成大小為3°的夾角。對于東西坡向的彩鋼瓦屋頂，所有的組件進行順序鋪設(shè)，依照適宜的光照傾角進行調(diào)整?？傊佋O(shè)光伏組件的時候重點考慮組件對光照的吸收效果，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電的最大化，達成最大的經(jīng)濟效益。最后，在確定好坡向、水平角度、載荷之后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在這個環(huán)節(jié)實現(xiàn)對施工材料的選擇，確保工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

綜上所述，好的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)支架設(shè)計需要在保證不改變屋頂原有性質(zhì)、不影響屋內(nèi)正常生活、工作的前提下，對支架實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。把握上文中的設(shè)計要點，保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能夠通過支架結(jié)構(gòu)形式增大光照利用率，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力，實現(xiàn)安全和經(jīng)濟效益上的雙重把控。

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收稿日期：2018-6-20

作者簡介：王世春（1987-），男，漢族，貴州銅仁石阡人，助理工程師，本科，主要從事光伏項目開發(fā)工作。