(宁夏回族自治区电力设计院有限公司 宁夏银川 750001)
摘要：21世纪以来，随着全球环境形势恶化，不可再生资源消耗加剧，空气污染日益加重，资源环境问题成为重中之重。光伏发电作为一种可再生能源发电技术，安装简单，无噪声，无污染，使用寿命长，运行维护方便，技术发展越来越快，应用也更加广泛。光伏屋面是指光伏发电系统附着在建筑物屋面上，形成覆盖在建筑表面的太阳能光伏阵列，既可以利用闲置屋面，增加建筑美观性，为建筑保温隔热，又方便发电输送，“自发自用”，“余电上网”，降低发电成本。目前国内已建的轻钢屋面建筑面积大，建筑外观要求低，太阳能发电量大，安装光伏系统的需求和发展潜力大。
关键词：轻钢屋面；光伏支架连接方式；性能试验
1屋面分布式光伏电站简介
屋面分布式光伏电站通过在屋顶安装太阳电池板，太阳电池板接收到太阳光后经过能量转换从而实现发电。屋面分布式光伏电站主要分为以下两种形式：1)在已有或新建的建筑物屋面上安装光伏电站。这一类是光伏电站与建筑物结合，将太阳电池板安装在屋面上，组成光伏发电系统。2)将太阳电池板作为建筑材料的一部分，既可用于光伏发电，又可实现保温、防水等建筑材料应有的功能。
2光伏支架力学模型
光伏阵列主要由若干太阳能组件、轨道、支撑架组成，是一个多跨连续空间结构。本文将光伏支架沿横向、纵向简化为轨道和支撑架两个平面模型进行分析和计算。将轨道看做两端悬臂多跨连续梁结构，作用在轨道上的荷载按均布荷载加载；支撑架为框架结构，作用在斜梁上的荷载按集中荷载加载。利用结构力学求解器建立轨道和支撑架力学模型一般需要按照以下步骤进行：输入各结点坐标；输入各单元连接方式；输入各支座约束方式；输入荷载条件；输入杆件材料性质。利用结构力学求解器进行位移内力计算，得到构件的弯矩图、轴力图、剪力图、位移图，为构件强度计算提供依据。
3光伏支架夹具
轻钢屋面上安装光伏支架面临一系列难题，如屋面承重、防水、安装时耗、风载、结构、成本等问题。目前能比较完美地解决上述问题的办法是采用铝合金夹具将支架与彩钢板连接，它能在不打穿彩钢板的情况下，选用合适的夹具，使光伏支架与彩钢板屋面完美地结合在一起。铝合金夹具的主要作用是夹紧彩钢板突起部分，并支撑布置于屋面上的铝导轨，主要应用于屋面光伏支架的固定。此类夹具可达到牢固锁定轻钢和铝导轨的效果、成本低廉、组合方便、安装快捷，可广泛应用于屋面光伏支架系统中。
4轻钢屋面光伏支架连接节点试验
4.1荷载条件
节点所受的拉力和压力来自于光伏支架的恒载(光伏板和光伏支架的自重)、风荷载和雪荷载，根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》和GB50797—2012《光伏发电站设计规范》对荷载的计算及效应组合规定，考虑无地震作用效应组合的公式计算光伏支架均布荷载设计值。经计算比对，风吸和风压荷载组合对节点设计起控制作用。
4.2光伏支架强度计算流程
国家标准GB50797—2012《光伏发电站设计规范》要求光伏支架需满足强度、稳定性和刚度要求，对于带边框组件的光伏支架其轨道变形需满足：＜跨距/200且＜悬臂/100；其柱顶位移需满足：＜柱高/60。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆支架强度和变形计算公式如下：按承载能力极限状态计算结构和构件强度：
γ0S≤R
按正常使用极限状态计算结构和构件变形：
S≤C（
式中：γ0为重要性系数，其值不小于0.95；S为荷载效应组合的设计值；R为结构构件承载力的设计值；C为结构构件达到正常使用要求所规定的变形限值。光伏支架结构构件强度计算按照GB50017—2003《钢结构设计规范》中受弯构件，轴心受力构件，拉弯、压弯构件的强度计算公式进行计算。
5注意事项
有屋面光伏组件支架基础设计不仅要复核原有建筑屋面的承载及基础本身的强度，还应考虑防腐、抗脆断、屋面防水等问题。（1）防腐。锚板、钢立柱的基础组成部分宜采用热镀锌，镀锌层平均厚度不应小于55μm。（2）抗脆断设计。大庆油田地处严寒地区，最冷月平均气温－18.5℃，极端最低气温－39.2℃，设计及施工过程中应采取防止钢立柱脆断措施，其主要受力钢材选用D级钢，钢立柱与支架安装连接宜采用螺栓连接，采用钻成孔或先冲后扩钻孔，任何安装均不得采用氧气切割扩孔。（3）既有屋面防水。采用后锚固化学连接法需要将钢立柱基础用锚板锚于原屋面结构层，因此需要局部拆除既有屋面防水层及保温层，处理好钢立柱处防水问题尤为重要。建议采取局部防水和二次全面防水保护处理，在基础根部用防水胶密封，在表层采用聚合物防水砂浆增加防护层等加强措施；同时为了便于后期屋面防水维修，钢支架高度应距屋面防水表层距离不小于500mm，为今后屋面防水层维修留出空间。（4）既有屋面结构安全。在钢立柱锚固过程中，锚栓应避开原有屋面结构内部的受力钢筋，不得以任何方式截断屋面结构受力钢筋，同时，同一阵列的基础不应跨越建筑变形缝设置；施工过程中建筑材料应分散放置于屋面，避免出现因集中堆积导致局部荷载过大引起超过屋面结构负荷的问题，（5）设置观察孔。既有建筑屋顶在建设时并未考虑在屋面增设光伏电站事宜，在屋面光伏电站施工前除根据增加荷载核算屋面结构的安全性外，尚应在有吊棚的屋面根据光伏组件阵列位置设置一定数量的观察孔，定期通过观察孔对屋面板进行巡查，进一步观察既有屋面增设光伏电站后对屋面结构、屋面防水等的影响。
5屋面分布式光伏电站设计安全性要求
1)需对原建筑物的屋面承载力进行核算，确认是否可以安装或需要进行加固后再安装。2)设计方案应避免破坏屋面的原防水层。若破坏，施工完成后需重新进行防水处理，确保防水层完好无漏水。设计时应优先选用不破坏屋面的基础形式。3)单个光伏阵列的安装应避免跨越建筑的伸缩缝、沉降缝或变形缝，以避免建筑物发生变形位移时造成组件漏电、脱落等故障。4)平行于屋面安装组件时，应将组件用型材支撑起来，确保电池板与屋面有一定的间距，避免因通风散热不畅对系统发电量造成影响。5)屋面分布式光伏支架结构和基础的设计及选用应考虑施工的安全性和便捷性，尤其需特别考虑高空和复杂的屋面安装系统。6)充分考虑到承重、抗风、抗震等因素，在沿海地区还要考虑防台风、防潮湿、防盐雾腐蚀。方阵支架及预埋件安装前应涂防腐涂料，连接用的紧固件一般采用不锈钢；若设计采用镀锌件，则必须符合国家标准要求，达到保证其寿命和防腐紧固的目的。
结语
目前国内外有关轻钢屋面光伏支架连接节点的性能研究远远滞后于工程应用，相关设计规范和手册也缺乏构造细节的设计要求，因此有必要对新型连接节点进行研发和深入研究。轻钢刚性防水屋面采用的夹具连接目前应用广泛，安装方便，承载力高。而轻钢柔性防水屋面已建面积大，但缺乏有效的节点形式，光伏发电应用受到限制，因此本文针对已建的轻钢柔性防水屋面，研发一种简便实用的连接节点方案，并对其进行试验研究和评价。
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[4]中华人民共和国住房和城乡建设部．光伏发电站设计规范：GB50797—2012[S]．北京：中国计划出版社，2012.
论文作者:马冬波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/17
标签：屋面论文; 光伏论文; 支架论文; 荷载论文; 结构论文; 构件论文; 电站论文; 《电力设备》2018年第34期论文;