屋顶分布式光伏支架结构设计浅析

屋顶分布式光伏支架结构设计浅析摘要：基于对绿色能源的发展要求，我国政府十分重视光伏发电行业的发展。由于传统地面光伏占地面积大，其发展受到了一定的限制。而屋顶分布式光伏由于不占用或极少占用土地，受到了国家和行业的高度重视。屋顶分布式光伏即在已经建成的建筑物的屋顶上安装光伏组件，由于不同的屋顶所选用的支架结构形式也不尽相同，所以在光伏发电系统的支架设计中，应着重考虑屋顶的形状、结构的承载力、固定方式、抗风能力、支架材料的选用等。为此，本文以光伏支架的设计实际为基础，对屋顶分布式光伏支架结构的设计要点进行简单的论述。关键词：屋顶分布式光伏；支架结构；设计1引言为了缓解我国的能源危机和环境问题，我国政府制定一系列的政策，以鼓励发展和推广光伏行业。但是国内土地资源日益紧缺，普通的地面光伏电站由于占地面积过大，发展受到了限制。而屋顶分布式光伏由于不占用或极少占用土地，受到了国家和行业内的高度重视。除此之外，屋顶光伏利用的是闲置的屋顶，能盘活屋顶业主的固定资产，增加其收益；屋顶布置光伏组件后，能降低建筑内部的温度，增加生产生活的舒适性，降低夏天降温的成本。可见，实施屋顶光伏项目将是一个多赢的局面，屋顶光伏必然是光伏行业发展的一个热门方向。屋顶分布式光伏系统包括光伏组件、逆变器、支架结构和电缆等。光伏组件是一种把外界的太阳能辐射转变成电能的能源转换设备，当太阳光照射到一定程度时，输出的电压会上升，然后由逆变器将其转化成交流电能，再将电能输送到负荷，这样可以在邻近的建筑物内进行消纳，降低电缆的损耗。钢结构彩钢瓦屋顶的支架结构，主要是与彩钢瓦配合使用的特殊夹具、导轨与彩钢瓦进行固定，以确保整体结构的稳定性和可靠性。在混凝土屋顶上，应避免损坏防水材料，从而影响建筑的质量，通常采用配重式素混凝土基础，依靠基础和光伏支架结构本身的重量，将其固定在混凝土屋顶上。2屋顶光伏阵列布置原则2.1保证光伏发电系统效率按照相关规范要求，光伏组件在冬至日9点至15点之间不能有阴影遮挡。彩钢瓦屋面光伏组件一般都顺原屋面坡度布置，不存在遮挡问题。但混凝土屋面光伏阵列一般采用最佳倾角，布置时应充分考虑阴影遮挡问题，阵列前后间距应足够。除此之外，光伏阵列布置时应结合建筑屋面实际情况，考虑女儿墙、构架、广告牌、楼梯间、天窗、通风井、管道、屋顶设备等的影响，减少各种遮挡物和障碍物的阴影影响。2.2确保屋顶光伏的运维检修光伏阵列布置时，应考虑光伏系统的运维检修方便，在光伏阵列间预留一定的检修通道，所有逆变器均应在通道直达范围内、所有光伏组件均应在清洗设备可接触范围内。3屋顶分布式光伏支架结构设计3.1彩钢瓦屋顶支架设计钢结构彩钢瓦屋顶，根据彩钢瓦类型，一般可分为角驰式屋面和梯形式屋面。角驰式屋面一般采用夹具将支架和屋面直接连接，简单可靠；梯形式屋面一般采用螺栓将支架和屋面檩条连接，然后用结构胶封堵，因此其耐久性略差，有一定的渗漏风险。彩钢瓦支架体系一般包括夹具（螺栓）、横梁、导轨以及压块等，横梁通过夹具（螺栓）与建筑屋面相连，导轨则与横梁通过螺栓进行连接，光伏组件通过压块与导轨相连。夹具（螺栓）是支架与屋面连接的关键构件，类似于常规地面光伏支架的基础，在设计时应重点计算在自重、风荷载和雪荷载作用下，夹具（螺栓）所受的压力和拉力，并在项目现场通过拉压试验验证检测。支架各构件连接简单，施工方便。夹具和螺栓为常规低合金高强钢材，主要采用热镀锌防腐；横梁、导轨及压块均为铝合金材质，强度高防腐性能好。通过支架各构件与屋面安装牢固后，组件离屋面的距离一般不小于150mm，可以保证组件在发电时有效散热，避免发电量损失。彩钢瓦屋顶光伏发电系统除了支架外，尚有组件和电缆等设备材料，根据统计计算，光伏系统换算的屋面荷载（可按恒载考虑）约为0.15KN/m2。由于增加了原建筑屋面的外荷载，应格外重视原结构安全的复核，一般应联系原建筑的设计单位进行复核。经复核原建筑无安全及耐久性问题后，方可开展屋顶光伏建设工作。3.2混凝土屋面支架设计混凝土屋面光伏支架与常规地面光伏支架设计基本相似，但是屋顶光伏支架不需要像常规农光、渔光项目，保证立柱间距不小于4m（各地政策要求略有不同），其立柱间距完全可以按3m左右进行设计。如此，可有效减小支架檩条截面，降低支架成本；同时支架基础分布更均匀，可减小对建筑屋顶的荷载影响。混凝土屋面支架也由檩条、斜梁、斜撑以及立柱等构件组成，各构件的截面、材质应根据当地荷载按照规范进行设计，注意支架设计使用年限为25年，其风荷载和雪荷载应按照25年重现期考虑。一般檩条的厚度在1.5mm以上，考虑到檩条的局部稳定性、安装可靠性等因素，建议檩条截面厚度控制在2.0mm左右较为合适；斜撑的厚度一般也取为2.0mm；斜梁、立柱的厚度不宜小于2.5mm。为节约钢材，在目前支架设计时一般可选用Q355B及以上材质，相对Q235B钢材，可减少约10%~30%的钢材用量，有效降低支架成本。支架防腐通常采用热镀锌防腐，镀锌层厚度根据环境腐蚀类别确定，其平均厚度一般不小于65um„对于截面厚度不超过2.5mm的钢材，也可以考虑镀铝镁锌防腐的方案，不仅防腐性能较好，其成本也相对热镀锌更低。混凝土屋面光伏支架一般采用素混凝土配重式基础，钢筋混凝土屋面抗压承载力可以认为是完全足够的，基础设计的重点是其自重能满足支架结构抗倾覆的要求。为了减小基础对原屋面防水的影响，基础可以考虑预制好后再吊装至屋面安装，或在基础与屋面之间铺设一层塑料薄膜、避免基础现浇时与屋面连接并在风荷载作用下拉裂屋面。混凝土屋面光伏支架也可以采用化学锚栓式基础，通过化学锚栓将支架与屋顶构造柱、压顶梁和屋面结构梁板连接，但是此种基础形式对屋面原防水层破坏较大，即使修复后也可能产生渗漏问题，建议慎重采用。4支架安装施工注意事项屋顶分布式光伏项目都集中在已有建筑区域，施工条件受到很大限制。施工时应仔细搜集场区建设资料，做好精细化的施工组织设计，尽量减少对场区已有建构筑物的影响，包括道路、管道、绿化、屋面防水等。在施工时的建筑材料需要在场区内指定地点集中堆放，如果有临时材料需要堆放在屋面，则应均匀放置不宜集中，且不能超过允许的施工荷载。对于钢结构彩钢瓦屋面还需要注意的是，由于钢结构屋面本身承载力相对较低，堆放材料及工人行走应尽量保持在主梁或檩条之上。5结束语国家对于发展新能源有着明确的规划，屋顶分布式光伏由于占地上受到了行业青睐。可以预见，屋顶分布式光伏将是光伏行业发展的一个重要方向。如今屋顶分布式光伏尚处在发展初期，建设相关的政策文件、设计标准还不够完善，还需要行业内的持续关注、研究，提高建设水平。屋顶分布式光伏支架的设计理论，包括风荷载的细化研究，仍将是今后行业内的关注热点。本文简单总结了屋顶分布式光伏支架结构设计的要点，对于支架结构的优化设计，还需要再进一步的研究提升。参考文献钟坤炎.不同支架结构形式的屋顶分布式光伏发电系统太阳辐照度研究[J].电气技术与经济,2022(05):10-13.连秀云，董晓凯.清水池上部分布式光伏发电项目中固定式光伏支架