工业屋顶光伏结构荷载分析与施工设计

'工业屋顶光伏结构荷载分析与施工设计摘要：未来一个时期工业园区是我国分布式光伏发电技术的重点发展区域，仅各类开发区预计装机容量就可达到300GW。开展屋面的承载能力评估是在已有建筑上发展分布式光伏的首要工作。本文以泰安地区的某工业屋顶分布式光伏项目为例，详细介绍了永久荷载和可变荷载分析，并将计算值与专业建筑工程评估机构出具的复核值进行比较，根据评估结果确定了该工业厂房屋面的装机容量。然后，以该屋面彩钢板的型式为依据，设计了相应的固定夹具以及确定了各种部件之间的配合关系，介绍了该项目的施工设计方法。关键词：工业园区；分布式光伏发电；荷载分析；施工设计中图分类号：TK18文献标识码：ALoadAnalysisandConstructionDesignofPVPowerSystemonIndustrialFactoryRoofAbstract：IndustrialparkisanimportantareatodevelopdistributedPVpowergeneration.ItisexpectedthatcapacityofinstalledPVsystemwillbe300GWinallkindsofdevelopmentzones.ItisaprimarytasktoevaluatesupportingcapacityofindustrialfactoryroofbeforeinstallingPVmodule.TakingaPVprojectinTai’andevelopmentzoneforexample,loadofPVarrayisanalyzedindetailincludingpermanentloadandvariableload. Calculatedvalueandassessedvaluearecompared.Accordingtocomparedresult,capacityofPVsystemisfixed.Asetofcomponentsaredesignedbasedonroofcolorsteelplate.Atlast,constructiondesignmethodisintroduced.KeyWords：Industrialpark;DistributedPVpowergeneration;Loadanalysis;Constructiondesign1、引言分布式光伏发电作为一种新型的发电和用电模式，具有就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的特点，近年来得到世界各国广泛的关注和推广。截至2010年底，全球分布式光伏发电累计装机容量为23.4GW，占同期光伏发电系统累计装机容量的66.8%[1]，可见从世界范围内来看分布式发电是光伏应用的主流。因此，我国政府近年来已将分布式光伏发电作为发展清洁能源、化解过剩产能和应对大气污染的重要手段，不断出台新政策鼓励推广。目前，分布式光伏发电系统一般安装于建筑屋面，而工业厂房建筑大多是比较低矮、平整的厂房，用电需求大且电价高，于是成为大规模推广分布式光伏发电的首选场所。截至2006年底，我国拥有各类经济开发区1568个（含高新区、工业园等），规划面积9949km2[2]，建筑密度取29.28%（以2012年国家级开发区调查结果为例）[3]，则可用于安装光伏系统的工业屋顶面积约达3000km2，以每kw光伏阵列占地约10㎡计算，则装机容量可达到300GW，市场前景非常广阔。 另一方面，我国分布式光伏发电的建设施工标准并不统一，针对不同类型屋面的承载能力评估不足，导致已建成的光伏项目运行质量堪忧[4]。本文将以泰安高新技术产业（经济）开发区某分布式光伏发电系统项目（以下简称该项目）为例介绍工业园区屋面光伏项目的结构荷载分析方法和施工设计经验。2、荷载分析目前，我国大多数工业厂房均采用大跨度钢结构建筑形式，以彩钢板作为屋面建筑材料。该材料具有重量轻、强度高、抗震性能好等优点，但由于多数情况下先有屋顶后建电站，因而在安装光伏阵列时存在屋面承重是否达标的问题，特别是在发生风雪天气及人工维护光伏组件时更需注意。因此，在安装分布式光伏系统前应审慎进行荷载分析和验算，以评估屋面结构的安全性和可靠性。该项目所在工业厂房为带女儿墙的封闭式单跨双坡屋面，坡度为6°，屋面高度14.6m，屋顶面积2983㎡，厂房占地2966㎡（宽42.5m，长69.8m），光伏组件平行于屋面铺设。屋面荷载的分析包括永久荷载和可变荷载，均按正常使用极限状态考虑。关于该项目的计算和取值均按照2012版《建筑结构荷载规范》进行[5]。2.1永久荷载分析由于该项目中的光伏组件采用平铺方式，因此永久荷载主要包括光伏组件和零配件的自重，分别以和表示。如果采用支架方式安装，则还需计入支架的重量。 光伏组件的重量一般在15kg/㎡至20kg/㎡之间，经测算该项目使用的组件自重为0.15kN/㎡。零配件包括放置于光伏组件和屋面之间支撑件及各类固定件，为铝合金材料，取0.05kN/㎡。于是，该项目的永久荷载组合值。2.2可变荷载分析该项目中的可变荷载主要包括屋面活荷载、雪荷载、风荷载和积灰荷载。其中由于光伏组件需定期清洗，因此积灰荷载可忽略不计。屋面活荷载包括施工或维修人员、小型工具和光伏组件等临时性活荷载。由于对屋面结构进行设计及复核时，屋面活荷载中已经包括了施工人员临时性活荷载，在此次分析时应扣除光伏屋面施工人员临时性活荷载（一般取2kN/㎡），而只计入光伏组件的均布活荷载为0.54kN/㎡[6]。雪荷载标准值的计算如式1）所示。1）其中，为屋面积雪分布系数，该项目所在屋顶为单跨双坡结构且坡度小于25°，因此取1.25；为基本雪压 ，查表可知泰安地区应取0.35kN/㎡[5]。于是，可得为0.44kN/㎡。风荷载标准值的计算如式2）所示。2）其中，指高度z处的风振系数，该项目的屋面在30m以下且高宽比小于1.5，可以不考虑脉动风压影响，此时风振系数取1.0[7]；指风荷载体型系数，该项目为封闭式双坡屋面，坡度小于15°，光伏组件迎风面及背风面均承受负压，按取最不利者原则应取其背风面系数-0.5[8]；指风压高度变化系数，该项目位于郊区，地面粗糙度属于B类，屋面高14.6m，应取值1.13；指基本风压，查表可知泰安地区应取0.40kN/㎡[5]。于是，可得为-0.23kN/㎡。由于以上不利因素同时出现的可能性较低，因此可将各种可变荷载的标准值同时乘以相应的折减系数，从而得到组合值。可变荷载组合值的计算如式3）所示。3）其中：4） 5）6）、、分别代表工业楼面活荷载、雪荷载和风荷载的组合值系数，根据文献[5]可依次取0.7、0.7和0.6。将式4）、5）、6）代入式3），可计算得=0.55kN/㎡。2.3可靠性判断为确保该项目所在屋面具备施工安装条件，业主单位专门委托建筑工程评估机构对屋面承载能力进行复核并出具评估报告。复核结果（和）和计算结果对比如表1所示。表1项目所在屋面承载能力复核值与计算值比较荷载类别复核值（kN/㎡）计算值（kN/㎡）判断结果永久荷载G可变荷载Q表1显示，且与值较为接近，以上结果表明该屋面基本具备安装光伏发电系统的条件，但不宜全部、集中铺设光伏组件。根据以上评估结果，安全起见，该项目适当缩小装机规模，由300kW缩减至250kW，并且在施工过程中采取措施避免荷载过于集中，比如分散放置物料、施工通道 设置在承重梁上方、施工人员分段站位且脚下铺设大面积板材等。3、施工设计屋面光伏组件的安装分为穿透式和非穿透式两种，其中穿透式施工方法将光伏组件所在支撑构件与彩钢板下的承重梁通过铆钉连接，其优点是结实、不易受外力影响，但缺点是容易导致屋面漏水且不易维护[9]。目前国内大多采用非穿透式施工方法，即根据彩钢板的安装型式定制相应的夹具，从而将支撑件与屋面连接在一起，然后通过螺栓将光伏组件固定在支撑件上。具体方法如下。屋面系统采用的彩钢板分为直立锁边式、咬口式、卡扣式等几个类型，该项目屋顶的彩钢板采用咬口式，如图1所示。根据图1中彩钢板咬口处的形状和尺寸，该项目设计加工了与之配套的固定夹具，如图2所示，由夹具1和夹具2通过螺栓连接。图1该项目所在屋面的彩钢板类型夹具2上方的椭圆孔用于连接支撑光伏组件的内工字型铝合金导轨，该导轨（支撑件）的横截面如图3所示，在上下方各有一个滑槽，用于与其他部件的连接。其中，G1槽与椭圆孔通过螺栓连接，G2槽通过紧固件1（见图4）将光伏组件的边框予以固定。 图2该项目中使用的夹具图3内工字型导轨的横截面图4光伏阵列边缘处实物图图5光伏阵列中间处的实物图图4显示了该项目中光伏阵列边缘处各个部件之间连接关系，固定夹具、紧固件和导轨之间的组合实现了光伏组件和彩钢板之间的非穿透式安装，最大程度避免了对彩钢瓦屋面的破坏。而位于光伏阵列中间处即两块光伏组件之间的连接则需采用另外一种形式的紧固件2予以固定，如图5所示。此外，通过该结构在屋面和光伏组件之间保留了10cm左右的高度，有利于光伏组件的散热。 4、总结工业园区是未来一个时期我国分布式光伏发电技术的重点发展区域，具有良好的发展前景。而相当数量的光伏系统需要在已建成的工业厂房上进行安装，因此屋面的承载能力评估成为发展分布式光伏的首要工作。本文以位于泰安地区的某工业屋顶分布式光伏项目为例，详细介绍了永久荷载和可变荷载分析，并将计算值与专业建筑工程评估机构出具的复核值进行比较，根据评估结果确定了该工业厂房屋面的装机容量。然后，以该屋面彩钢板的型式为依据，设计了相应的固定夹具以及确定了各种部件之间的配合关系，介绍了该项目的施工设计方法。参考文献：[1]王斯成.分布式光伏发电和光伏新政[R].http://wenku.baidu.com/link?url=1vAMozYMZnzEbTYUWPNswypp-q1XCxfnaIqP5CXyvOU_BksfMAisiWkjPBfq7R86C-Qkl86keP2R0bIufmdGywGWTFjqQdgKZSEILzjzS3O.[2]2012年我国开发区发展现况及趋势分析[R].http://www.chinairn.com/news/20120710/549022.html.[3]中华人民共和国国土资源部土地利用管理司.国家级开发区土地集约利用评价情况（2012年度）[R].http://www.mlr.gov.cn/zwgk/zytz/201301/t20130107_1173335.htm.[4]分布式光伏发电应用的技术标准亟需规范[N].中国能源报，2013年5月29日.http://www.topenergy.org/news_75654.html. [5]GB5009-2012，建筑结构荷载规范[S].2012.[6]钱利，刘兵华，金建勇.屋面光伏荷载设计取值的研究[J].城市建设理论研究（电子版），2013，(51).[7]风振系数和阵风系数[R].http://wenku.baidu.com/link?url=czz4bOvf0ABBRjNRDpJVtgYGuT36i7SyuwWSE3mZy6Q2RvAlpRIV9bsaG5-UL7af7xh097v2EhTYnXAn2Ob8dhz4Kl6GRdg-GKdPAZuF8o3.[8]金新阳.风荷载规范中体型系数应用的若干问题[C].第十二届全国风结构工程学术会议论文集（上册）:250-253.[9]谢安琛.城市中建筑光伏一体化系统效益与建筑浅析[J].城市建设理论研究（电子版），2012，(34).'