屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析_龙慧

2015 NO.34 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 创新方法研究DOI 10.16660/j.cnki.1674-098X.2015.34.006 屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析龙慧（南方电网综合能源有限公司 广东广州 510075 ）摘 要随着国家对绿色能源的需求，国家有关部门非常重视光伏产业的发展和分布式光伏发电的推广，屋顶分布式光伏是将光伏系统安装于已建建筑的屋面，而不同的屋顶选择的支架结构形式也不同，因此光伏系统支架设计需要重点关注已建建筑的屋顶形式和结构承载能力，支架结构的基础固定方式、抗风载、雪载的能力以及支架材料的选择等方面的问题，该文结合笔者光伏支架设计经验，简要阐述屋顶分布光伏发电的支架结构设计要点。关键词屋顶分布式光伏发电 光伏支架 微波处理中图分类号 TK18 文献标识码 A 文章编号 1674-098X201512a-0006-02 屋顶分布式光伏发电是在用户侧并网的自发自用，余电上网的绿色能源，由于屋顶分布式光伏发电是近两年才出现的新兴事物，很多设计人员不知晓光伏发电系统在屋面的设计方式，因此该文从以下 3 个方面浅析屋顶光伏支架的设计要点。1 屋顶形式分类在确定光伏支架结构形式时首先需要明确所装光伏系统的屋面是何形式的。目前适合装光伏系统的屋面主要分为两大类一是屋面面积较大的轻钢结构彩钢瓦屋面；二是现浇混凝土屋面。屋面形式不同采用的支架结构形式也不同。彩钢瓦是用彩涂钢卷经专门的机器轧制成型，而后装于屋面檩条，从而形成防水的彩钢瓦屋面，目前常用的彩钢瓦有角弛型彩钢瓦， 180 度咬合彩钢瓦， 360 度咬合彩钢瓦；而混凝土屋面就是由混凝土现浇而成的屋面。2 光伏支架结构设计2.1 支架结构设计原理为了不破坏原建筑的防水层，影响正常的生产工作，彩钢瓦屋面的支架主要采用与彩钢瓦瓦型配套的专用夹具和导轨与彩钢瓦固定，以保证整个支架系统的稳定可靠（如图 1 所示）。对于混凝土屋面，为了不破坏建筑的防水层，影响正常的生产工作，一般采用水泥墩安装方式，靠水泥墩与光伏组件自身重量固定在混泥土屋面（如图 2 所示）。2.2 屋面支架结构材料的选用2.2.1 支架结构材料及材质要求彩钢瓦屋面整个支架系统的材料主要包括铝合金夹图 1 彩钢瓦屋面按照效果图具、铝合金立柱、铝合金横梁、铝合金导轨、铝合金压块；而混凝土屋面整个支架系统的材料主要包括混凝土基础，钢立柱、钢横梁、钢导轨。由于光伏系统的设计使用年限为 25 年，因此整个支架系统的材料需要具备非常好的防腐蚀性能，彩钢瓦屋面铝合金材料的材质建议使用 6005-T5 及以上的材料，混凝土屋面的钢支架材料建议选用材质不低于Q235B ，热镀锌含量不低于 65 μm 。2.2.2 彩钢瓦屋面夹具、导轨的选用螺栓与彩钢瓦紧密连接，并以此作为整个支架系统的基础。由于夹具与彩钢瓦固定后，是整个支架系统安全稳定的基础，因此夹具是否稳定可靠关系到整个支架系统的可靠性，因此夹具的厚度建议一般不低于 5 mm ；而导轨是用于与光伏组件进行固定的次结构，是保证光伏组件稳定的重要构件，需要依据当地的风压、雪压及其他荷载情况进行计算确定，建议厚度不低于 1.8 mm，且应选用常用的且市面上可以买得到的导轨。2.3 支架结构设计原则（ 1）基本原则支架结构的设计应满足承载力的要求，并应验算原屋面结构的承载力要求；风荷载和雪荷载的取值按 50年一遇的要求取值；设计方案应能完全满足并能完全覆盖整个屋面光伏组件区域运维过程中的清洗、检修等工作。（ 2）夹具布置原则沿屋面坡度垂直的方向，当彩钢瓦的波距≤ 600 mm 时，每间隔一个波距布置一个夹具；而当彩钢瓦波距≥ 600 mm 时，建议每个波峰处都放置一个夹对于彩钢瓦屋面，在设计时首先需要确定彩钢瓦的瓦 图 2 混凝土屋面安装效果图型，依据彩钢瓦瓦型选用与之配套的专用夹具，通过不锈钢 （下转 8页 6 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 2015 NO.34 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 创新方法研究成本高，目前加拿大也没有非常成熟、有效的处理技术。而微波加热技术处理油砂矿清洁卫生，产品及尾料中均不含化学物质，不会造成环境污染，且节省了水资源。3 微波加热技术处理油砂矿面临的技术问题（ 1）能耗问题 ,微波处理油砂温度 250 ℃～ 550 ℃，分离出的沥青油、尾砂携带大量的热量，如该能耗无法有效回收利用，该处理工艺将面临高能耗的突出问题。（ 2）规模化连续生产问题 ,微波处理油砂矿与气体热载法处理油页岩的处理工艺类似，不同之处是加热方式不一样（油页岩气体热载法加热 [3] ，油砂矿微波直接加热），微波处理油砂需要 40～ 60 min 才能将油砂块加热到 250 ℃～ 550℃，无法实现进、出料连续生产，限制了处理站的处理规模，一定程度上影响油砂规模化、工业化生产。（ 3）技术成熟度、可靠性问题 ,目前，微波处理油砂还处于室内研究及小型化试验阶段，目前还没有成功应用到油砂矿工业的工程实例。4 需要解决的关键技术微波加热技术处理油砂矿技术工业化、规模化应用，需重点解决以下关键技术。（ 1）热能综合回收利用技术 ,微波加热技术处理油砂矿必须解决高温混合烃、油砂尾料热能回收利用问题，高温混合烃可采用气 -液换热器换热，回收气相热量，油砂尾料可考虑采用干熄焦技术 ［ 4］ 、流化床式热回收技术回收固相热量，回收的热量一部分用于油砂预热，剩余的热量可考虑建筑物采暖、蒸汽透平发电等。（ 2）工业化、规模化生产技术 ,油砂矿要实现经济、高效上接 6 页）具，保证夹具的最大间距 1 200 mm ；沿屋面坡度平行的方向，每排光伏阵列中的夹具间距需依据屋面光伏组件的铺设形式确定。（ 3）导轨布置原则为满足光伏组件最佳受力的要求，建议每排光伏组件的导轨间距按照 850 mm 来确定；因为项目所在地的经纬度、房屋朝向、屋面坡度等不同，对光伏组件的阴影遮挡也就不同，因此前后排光伏组件的导轨间距需依据光伏组件阴影遮挡的情况确定。（ 4）柱间支撑布置原则每排支架纵向长度 30 m 时，两边和中间各布置一道；每排支架长度 30 m 时，依据纵向支架的长度，每隔 30～ 40 m 布置一道，且整排支架的中间和两边各布置一道。3 支架结构设计步骤1 由于屋顶分布式光伏发电系统是将光伏发电材料放置于已建好的屋面上，那么原屋面结构的承载能力是否满足新增光伏荷载的承载要求就显得尤为重要，因此在进行支架结构设计前第一步就要先验算原结构的结构承载能力；那么新增的光伏荷载有多大呢一般情况下，对于彩钢瓦屋面，新增的光伏系统荷载按 15 ～ 20 kg/m 2 来考虑；混凝土屋面需要依据当地的风压来计算抗倾覆作用，以此来确定新增荷载的大小，一般情况下可按 80～ 120 kg/m 2 来考虑。2如原结构承载无问题，则需确定光伏组件的铺设方式。若彩钢瓦屋面为南北坡的屋面形式，那么建议南坡屋面的光伏组件铺设时需向南与水平面成 8 度倾角，北坡屋面的开发，必须实现工业化、规模化处理，由于微波加热技术处理油砂矿无法实现连续生产，可考虑通过提高单列装置的处理规模，同时设置多列处理装置的方法，提高装置处理规模，实现油砂矿高效、经济开发。5 结语鉴于微波加热处理油砂解决了油砂热碱水水洗处理油砂所带来的油砂破碎问题，沥青油脱水问题、尾矿污水、污泥处理等诸多技术难题，微波加热处理油砂在经济、节能、环保方面的突出优势，将给油砂矿工业带来革命性的变革，技术推广应用前景非常可观。参考文献[1] Jacob H. Masliyah. Handbook on Theory and Practice of bitumen recovery from Athabasca oil Sands.volume 1Theoretical basis Library and archives [Z].Candada Cataloguing in publication,2011. [2] 张瑜 ,郝文辉 ,高金辉 .微波技术及应用 [M].西安 西安电子科技大学出版社 ,2006. [3] 秦宏 ,李建坡 , 王擎 ,等 .油页岩气体热载体干馏炉内干馏特性研究 [J].化学工程 ,2015,43511-15. [4] 郑明东 ,李光辉 , 崔平 ,等 .干熄焦技术在节能减排中的作用与地位 [J].燃料与化工 ,201151-4. 光伏组件铺设时需向南与水平面成 3 度倾角；若彩钢屋面为东西坡的屋面形式，所有的光伏组件铺设时顺坡铺设；混凝土屋面的光伏组件需依据最佳倾角设计支架结构。3 依据组件的铺设角度和方式，确定好支架结构形式，同时考虑当地的风压、雪压及其他荷载情况进行结构计算，选用合适的材料保证结构的稳定安全。4 结语由以上分析可知，在设计光伏支架时，把握好以上设计要点，不仅可以保证原结构的安全，且选取的支架结构不会破坏原有屋面的防水层，不会影响室内的正常工作和生产。结构设计人员在设计时需要因地制宜，在把握上述要点的情况下，选择合适的支架结构形式，以保证整个光伏电站的安全运行、发电效率最大。参考文献[1] GB/T6892-2006. 一般工业用铝及铝合金热挤压型材 [S]. 中国国家标准化管理委员会 ,2006. [2] GB50429-2007. 铝合金结构设计规范 [S]. 中国国家标准化管理委员会， 2007. [3] GB50017-2003. 钢结构设计规范 [S]. 中国国家标准化管理委员会， 2003. [4] CECS102 2002-2012 年版 .门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 [S].北京 中国工程建设标准化协会 ,2012. 8 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald