探析家當(dāng)屋頂光伏結(jié)構(gòu)荷載剖析與施工設(shè)計(jì)

1、工業(yè)屋頂光伏結(jié)構(gòu)荷載分析與施工設(shè)計(jì)摘要：未來(lái)一個(gè)時(shí)期工業(yè)園區(qū)是我國(guó)分布式光伏發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，僅各類開(kāi)發(fā)區(qū)預(yù)計(jì)裝機(jī)容量就可達(dá)到300GW。開(kāi)展屋面的承載能力評(píng)估是在已有建筑上發(fā)展分布式光伏的首要工作。本文以泰安地區(qū)的某工業(yè)屋頂分布式光伏項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了永久荷載和可變荷載分析，并將計(jì)算值與專業(yè)建筑工程評(píng)估機(jī)構(gòu)出具的復(fù)核值進(jìn)行比較，根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定了該工業(yè)廠房屋面的裝機(jī)容量。然后，以該屋面彩鋼板的型式為依據(jù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的固定夾具以及確定了各種部件之間的配合關(guān)系，介紹了該項(xiàng)目的施工設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：工業(yè)園區(qū)；分布式光伏發(fā)電；荷載分析；施工設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TK18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Load

2、Analysis and Construction Design of PV Power System on Industrial Factory RoofAbstract：Industrial park is an important area to develop distributed PV power generation. It is expected that capacity of installed PV system will be 300GW in all kinds of development zones. It is a primary task to evaluat

3、e supporting capacity of industrial factory roof before installing PV module. Taking a PV project in Taian development zone for example, load of PV array is analyzed in detail including permanent load and variable load. Calculated value and assessed value are compared. According to compared result,

4、capacity of PV system is fixed. A set of components are designed based on roof color steel plate. At last, construction design method is introduced.Key Words：Industrial park; Distributed PV power generation; Load analysis; Construction design1、引言分布式光伏發(fā)電作為一種新型的發(fā)電和用電模式，具有就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的特點(diǎn)，近年來(lái)得到世界

5、各國(guó)廣泛的關(guān)注和推廣。截至2010年底，全球分布式光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為23.4GW，占同期光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量的66.8%1，可見(jiàn)從世界范圍內(nèi)來(lái)看分布式發(fā)電是光伏應(yīng)用的主流。因此，我國(guó)政府近年來(lái)已將分布式光伏發(fā)電作為發(fā)展清潔能源、化解過(guò)剩產(chǎn)能和應(yīng)對(duì)大氣污染的重要手段，不斷出臺(tái)新政策鼓勵(lì)推廣。目前，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝于建筑屋面，而工業(yè)廠房建筑大多是比較低矮、平整的廠房，用電需求大且電價(jià)高，于是成為大規(guī)模推廣分布式光伏發(fā)電的首選場(chǎng)所。截至2006年底，我國(guó)擁有各類經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)1568個(gè)（含高新區(qū)、工業(yè)園等），規(guī)劃面積9949km22，建筑密度取29.28%（以2012年國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)調(diào)查

6、結(jié)果為例）3，則可用于安裝光伏系統(tǒng)的工業(yè)屋頂面積約達(dá)3000 km2，以每kw光伏陣列占地約10計(jì)算，則裝機(jī)容量可達(dá)到300GW，市場(chǎng)前景非常廣闊。另一方面，我國(guó)分布式光伏發(fā)電的建設(shè)施工標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，針對(duì)不同類型屋面的承載能力評(píng)估不足，導(dǎo)致已建成的光伏項(xiàng)目運(yùn)行質(zhì)量堪憂4。本文將以泰安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)（經(jīng)濟(jì)）開(kāi)發(fā)區(qū)某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱該項(xiàng)目）為例介紹工業(yè)園區(qū)屋面光伏項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)荷載分析方法和施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。2、荷載分析目前，我國(guó)大多數(shù)工業(yè)廠房均采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑形式，以彩鋼板作為屋面建筑材料。該材料具有重量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，但由于多數(shù)情況下先有屋頂后建電站，因而在安裝光伏陣列

7、時(shí)存在屋面承重是否達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，特別是在發(fā)生風(fēng)雪天氣及人工維護(hù)光伏組件時(shí)更需注意。因此，在安裝分布式光伏系統(tǒng)前應(yīng)審慎進(jìn)行荷載分析和驗(yàn)算，以評(píng)估屋面結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。該項(xiàng)目所在工業(yè)廠房為帶女兒墻的封閉式單跨雙坡屋面，坡度為6°，屋面高度14.6m，屋頂面積2983，廠房占地2966（寬42.5m，長(zhǎng)69.8m），光伏組件平行于屋面鋪設(shè)。屋面荷載的分析包括永久荷載和可變荷載，均按正常使用極限狀態(tài)考慮。關(guān)于該項(xiàng)目的計(jì)算和取值均按照2012版建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范進(jìn)行5。2.1 永久荷載分析由于該項(xiàng)目中的光伏組件采用平鋪方式，因此永久荷載主要包括光伏組件和零配件的自重，分別以和表示。如果采用支架

8、方式安裝，則還需計(jì)入支架的重量。光伏組件的重量一般在15kg/至20 kg/之間，經(jīng)測(cè)算該項(xiàng)目使用的組件自重為0.15kN/。零配件包括放置于光伏組件和屋面之間支撐件及各類固定件，為鋁合金材料，取0.05 kN/。于是，該項(xiàng)目的永久荷載組合值。2.2 可變荷載分析該項(xiàng)目中的可變荷載主要包括屋面活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載和積灰荷載。其中由于光伏組件需定期清洗，因此積灰荷載可忽略不計(jì)。屋面活荷載包括施工或維修人員、小型工具和光伏組件等臨時(shí)性活荷載。由于對(duì)屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及復(fù)核時(shí)，屋面活荷載中已經(jīng)包括了施工人員臨時(shí)性活荷載，在此次分析時(shí)應(yīng)扣除光伏屋面施工人員臨時(shí)性活荷載（一般取2 kN/），而只計(jì)入光伏

9、組件的均布活荷載為0.54 kN/6。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算如式1）所示。 1）其中，為屋面積雪分布系數(shù)，該項(xiàng)目所在屋頂為單跨雙坡結(jié)構(gòu)且坡度小于25°，因此取1.25；為基本雪壓，查表可知泰安地區(qū)應(yīng)取0.35 kN/5。于是，可得為0.44 kN/。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算如式2）所示。 2）其中，指高度z處的風(fēng)振系數(shù)，該項(xiàng)目的屋面在30m以下且高寬比小于1.5，可以不考慮脈動(dòng)風(fēng)壓影響，此時(shí)風(fēng)振系數(shù)取1.07；指風(fēng)荷載體型系數(shù)，該項(xiàng)目為封閉式雙坡屋面，坡度小于15°，光伏組件迎風(fēng)面及背風(fēng)面均承受負(fù)壓，按取最不利者原則應(yīng)取其背風(fēng)面系數(shù)-0.58；指風(fēng)壓高度變化系數(shù)，該項(xiàng)目位于郊區(qū)，地面

10、粗糙度屬于B類，屋面高14.6m，應(yīng)取值1.13；指基本風(fēng)壓，查表可知泰安地區(qū)應(yīng)取0.40 kN/5。于是，可得為-0.23 kN/。由于以上不利因素同時(shí)出現(xiàn)的可能性較低，因此可將各種可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值同時(shí)乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，從而得到組合值?？勺兒奢d組合值的計(jì)算如式3）所示。 3）其中： 4） 5） 6）、分別代表工業(yè)樓面活荷載、雪荷載和風(fēng)荷載的組合值系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)5可依次取0.7、0.7和0.6。將式4）、5）、6）代入式3），可計(jì)算得=0.55 kN/。2.3 可靠性判斷為確保該項(xiàng)目所在屋面具備施工安裝條件，業(yè)主單位專門(mén)委托建筑工程評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)屋面承載能力進(jìn)行復(fù)核并出具評(píng)估報(bào)告。復(fù)核結(jié)果（和）

11、和計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。表1 項(xiàng)目所在屋面承載能力復(fù)核值與計(jì)算值比較荷載類別復(fù)核值（kN/）計(jì)算值（kN/）判斷結(jié)果永久荷載G可變荷載Q表1顯示，且與值較為接近，以上結(jié)果表明該屋面基本具備安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的條件，但不宜全部、集中鋪設(shè)光伏組件。根據(jù)以上評(píng)估結(jié)果，安全起見(jiàn)，該項(xiàng)目適當(dāng)縮小裝機(jī)規(guī)模，由300kW縮減至250kW，并且在施工過(guò)程中采取措施避免荷載過(guò)于集中，比如分散放置物料、施工通道設(shè)置在承重梁上方、施工人員分段站位且腳下鋪設(shè)大面積板材等。3、施工設(shè)計(jì)屋面光伏組件的安裝分為穿透式和非穿透式兩種，其中穿透式施工方法將光伏組件所在支撐構(gòu)件與彩鋼板下的承重梁通過(guò)鉚釘連接，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、不易受

12、外力影響，但缺點(diǎn)是容易導(dǎo)致屋面漏水且不易維護(hù)9。目前國(guó)內(nèi)大多采用非穿透式施工方法，即根據(jù)彩鋼板的安裝型式定制相應(yīng)的夾具，從而將支撐件與屋面連接在一起，然后通過(guò)螺栓將光伏組件固定在支撐件上。具體方法如下。屋面系統(tǒng)采用的彩鋼板分為直立鎖邊式、咬口式、卡扣式等幾個(gè)類型，該項(xiàng)目屋頂?shù)牟输摪宀捎靡Э谑?，如圖1所示。根據(jù)圖1中彩鋼板咬口處的形狀和尺寸，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)加工了與之配套的固定夾具，如圖2所示，由夾具1和夾具2通過(guò)螺栓連接。圖1 該項(xiàng)目所在屋面的彩鋼板類型 夾具2上方的橢圓孔用于連接支撐光伏組件的內(nèi)工字型鋁合金導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌（支撐件）的橫截面如圖3所示，在上下方各有一個(gè)滑槽，用于與其他部件的連接。其中，

13、G1槽與橢圓孔通過(guò)螺栓連接，G2槽通過(guò)緊固件1（見(jiàn)圖4）將光伏組件的邊框予以固定。 圖2 該項(xiàng)目中使用的夾具 圖3 內(nèi)工字型導(dǎo)軌的橫截面圖4 光伏陣列邊緣處實(shí)物圖 圖5 光伏陣列中間處的實(shí)物圖圖4顯示了該項(xiàng)目中光伏陣列邊緣處各個(gè)部件之間連接關(guān)系，固定夾具、緊固件和導(dǎo)軌之間的組合實(shí)現(xiàn)了光伏組件和彩鋼板之間的非穿透式安裝，最大程度避免了對(duì)彩鋼瓦屋面的破壞。而位于光伏陣列中間處即兩塊光伏組件之間的連接則需采用另外一種形式的緊固件2予以固定，如圖5所示。此外，通過(guò)該結(jié)構(gòu)在屋面和光伏組件之間保留了10cm左右的高度，有利于光伏組件的散熱。4、總結(jié) 工業(yè)園區(qū)是未來(lái)一個(gè)時(shí)期我國(guó)分布式光伏發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)

14、域，具有良好的發(fā)展前景。而相當(dāng)數(shù)量的光伏系統(tǒng)需要在已建成的工業(yè)廠房上進(jìn)行安裝，因此屋面的承載能力評(píng)估成為發(fā)展分布式光伏的首要工作。本文以位于泰安地區(qū)的某工業(yè)屋頂分布式光伏項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了永久荷載和可變荷載分析，并將計(jì)算值與專業(yè)建筑工程評(píng)估機(jī)構(gòu)出具的復(fù)核值進(jìn)行比較，根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定了該工業(yè)廠房屋面的裝機(jī)容量。然后，以該屋面彩鋼板的型式為依據(jù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的固定夾具以及確定了各種部件之間的配合關(guān)系，介紹了該項(xiàng)目的施工設(shè)計(jì)方法。參考文獻(xiàn)：1王斯成. 分布式光伏發(fā)電和光伏新政R. http:/wenku.baidu. com/link?url=1vAMozYMZnzEbTYUWPNswypp-q1X

15、CxfnaIqP5CXyvOU_BksfMAisiWkjPBfq7R86C-Qkl86keP2R0bIufmdGywGWTFjqQdgKZSEILzjzS3O.22012年我國(guó)開(kāi)發(fā)區(qū)發(fā)展現(xiàn)況及趨勢(shì)分析R. irn . com/news/20120710/549022.html.3中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部土地利用管理司. 國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)情況（2012年度）R. zwgk/zytz/201301/t20130107_1173335.htm.4分布式光伏發(fā)電應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亟需規(guī)范N. 中國(guó)能源報(bào)，2013年5月29日. ./news_75654.html.5GB 5009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范S. 2012.6錢(qián)利，劉兵華，金建勇. 屋面光伏荷載設(shè)計(jì)取值的研究J. 城市建設(shè)理論研究（電子版），2