金屬屋面轉(zhuǎn)接太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用

　　隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保概念已引起全社會的普遍重視，對可再生能源的開發(fā)利用是節(jié)能減排的重要途徑之一，我國對此已形成相關(guān)法律。本文闡述了金屬屋面轉(zhuǎn)接太陽能光伏系統(tǒng)的方法及注意事項。

　　《太陽能學(xué)報》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國科協(xié)主管，中國太陽能學(xué)會主辦，北京市太陽能研究所承辦，自創(chuàng)刊以來為我國新能源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流、人才培養(yǎng)及促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化等方面做出了貢獻(xiàn)。主要報道我國太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、氫能、海洋能及地?zé)崮芸茖W(xué)技術(shù)研究成果。

　　1、引言

　　太陽能光伏與建筑一體化作為一種有效利用太陽能的現(xiàn)代科技手段，在政府的支持下，逐步得到推廣。本文即以南京南站無站臺柱雨棚屋面光伏系統(tǒng)為例，對金屬屋面轉(zhuǎn)接太陽能光伏組件的方法進(jìn)行探討。

　　2、南京南站雨棚屋面太陽能系統(tǒng)的典型、示范性

　　(1)南京南站雨棚屋面光伏系統(tǒng)是一座全球最大單體太陽能光伏發(fā)電站，系統(tǒng)總投資約2.7億元，共安裝了超過10萬平方米的太陽能晶硅電池，裝機(jī)容量達(dá)10.67兆瓦，并網(wǎng)運行后年平均發(fā)電量將超過900萬千瓦時，是全國兆瓦級光伏與建筑一體化應(yīng)用項目中技術(shù)含量較高項目之一;

　　(2)南京南站雨棚金屬屋面有平屋面、坡屋面等多種屋面形式，這給光伏系統(tǒng)與金屬屋面相結(jié)合帶來了較大的技術(shù)研究空間;

　　(3)南京南站光伏項目按照25年的運營期計算，可發(fā)電超過2億千瓦時，與同等發(fā)電量的火電廠相比，可節(jié)約使用大量原煤和減少二氧化碳的排放量，對促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大的示范引導(dǎo)意義。南京南站光伏系統(tǒng)安裝如圖1。

　　3、光伏系統(tǒng)安裝的基礎(chǔ)——相結(jié)合的建筑設(shè)計

　　3.1 建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　所謂光伏與建筑一體化，即指光伏系統(tǒng)設(shè)計與建筑設(shè)計時必須互相結(jié)合，能夠形成統(tǒng)一的整體，既達(dá)到建筑的效果，又能方便光伏系統(tǒng)的安裝和使用。南京南站無站臺柱雨棚設(shè)計階段即充分考慮了光伏系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加了光伏系統(tǒng)的荷載，并考慮檁條間距滿足光伏系統(tǒng)的要求;建筑設(shè)計時屋面形式設(shè)計為規(guī)則的平面、坡面形式及部分大半徑的曲面形式，既滿足了建筑形式的多樣性，又較大程度的方便了光伏系統(tǒng)的安裝。

　　3.2 屋面系統(tǒng)的深化設(shè)計

　　為保證光伏系統(tǒng)安裝后建筑屋面的安全、可靠，必須在建筑設(shè)計的基礎(chǔ)上對屋面進(jìn)行進(jìn)一步的深化設(shè)計，深化設(shè)計的內(nèi)容包括屋面板板型、材質(zhì)及厚度、屋面板支架及連接件的選擇等，以南京南站雨棚金屬屋面深化設(shè)計為例進(jìn)行說明。

　　3.2.1 屋面板選型

　　屋面板選型時主要考慮兩方面內(nèi)容：a、波鋒間距與光伏組件的模數(shù)相匹配;b、方便上部轉(zhuǎn)接件的安裝。據(jù)此，南京南站雨棚屋面選擇YX-65-400型彩鋼屋面瓦，瓦型如圖2所示：

　　選擇該板型的理由為：a、光伏組件長邊長度為1580mm，加上20mm的通風(fēng)散熱間隙，為1600mm，是屋面瓦波峰間距400mm的4倍，模數(shù)相匹配;b、屋面瓦波峰高度適中，造型簡潔，便于上部光伏組件的轉(zhuǎn)接。

　　3.2.2 屋面板計算

　　以南京南站雨棚為例。南京南站彩鋼屋面板厚度為0.8mm，對其進(jìn)行強(qiáng)度、撓度的校核計算。計算時主要考慮恒載、風(fēng)載、雪載及檢修荷載等，其中恒載包括板本身自重及增加光伏系統(tǒng)所增加的荷載，風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值由風(fēng)洞試驗提供相關(guān)數(shù)據(jù)。荷載取值如下：

　　(1) 恒載：屋面板自重+光伏系統(tǒng)荷載

　　光伏系統(tǒng)設(shè)計荷載：Q1=0.20KN/㎡

　　(2)風(fēng)荷載

　　根據(jù)南京南站雨棚及所在地特點，可查得：A、基本風(fēng)壓ω0：0.40KN/㎡;B、計算高度Z：33.9米;C、地面粗糙度：B類。根據(jù)風(fēng)洞試驗可得雨棚屋面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)最大值為：

　　ωk =-2.07KN/㎡。(風(fēng)吸)

　　ωk’=1.23KN/㎡。(風(fēng)壓)

　　(3)活荷載(雪荷載)：Q2=0.65KN/㎡

　　(4)檢修荷載：檢修荷載取：1.0KN，折算線荷載如圖3：

　　qre=ηF/b=0.5×1/0.4=1.25KN/M。(GB50018-2002 7.1.10)

　　南京南站最大檁條間距為2m，根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行荷載的最不利組合，對屋面板的強(qiáng)度及撓度進(jìn)行校核，結(jié)果完全滿足要求。

　　3.2.3 屋面板連接件選擇

　　針對屋面增加了光伏系統(tǒng)荷載，南京南站屋面板支架選擇高強(qiáng)度T型鋁型材支架，如圖4所示。支架與檁條間以自攻釘連接，自攻釘也必須進(jìn)行強(qiáng)度校核計算，滿足要求后方可使用。

　　4、光伏系統(tǒng)的安裝

　　4.1 基座的確定

　　光伏組件需安裝在屋面上，在混凝土結(jié)構(gòu)中可在屋面結(jié)構(gòu)層上預(yù)埋基座，但在金屬屋面上無法預(yù)留基座，因為在屋面板上開孔后將組件基座及龍骨系統(tǒng)焊接在檁條上，將破壞屋面板的整體性，防水處理難度大，極易造成漏雨。為不破壞屋面板整體防水效果，根據(jù)南京南站金屬屋面板的波峰特點，采用了屋面板轉(zhuǎn)接上部龍骨系統(tǒng)的特制基座 ——鋁合金夾具，夾具夾持在T型支架處屋面板波峰上，上部開設(shè)腰孔，以方便轉(zhuǎn)接，如圖5～8所示。

　　4.2 支架的確定

　　專用龍骨

　　為達(dá)到既不影響屋面整體的建筑效果，又方便快捷的安裝系統(tǒng)組件，南京南站雨棚屋面太陽能系統(tǒng)光伏組件采用貼合屋面的方式進(jìn)行安裝，并自上而下對光伏組件進(jìn)行固定。支架采用U形龍骨，龍骨底部開設(shè)腰孔，與專用夾具用螺栓固定，按照設(shè)計間距進(jìn)行布置。龍骨如圖9～10所示。

　　4.3 光伏組件的固定

　　為達(dá)到自上而下固定光伏組件的目的，南京南站光伏系統(tǒng)采用專用鋁合金壓件對光伏組件進(jìn)行固定，壓件與龍骨間用螺栓進(jìn)行連接，壓件分為中壓件和邊壓件，如圖11～12所示。

　　4.4 光伏組件支架系統(tǒng)的校核

　　對支架系統(tǒng)的安全可靠性必須通過計算及實驗校核。

　　(1)基座的校核

　　基座的校核包括抗拔、抗壓承載力的校核及摩擦力的校核，校核通過實驗進(jìn)行。基座的傳力方式為：直立鎖邊屋面板固定在T型鋁合金支架上，夾具(基座)夾持在T型支架位置屋面板波峰上，通過T型支架將系統(tǒng)荷載傳遞到檁條上。實驗時按照實際工程做法進(jìn)行試件的制作及測試。測試時以夾具被拉出屋面板失去作用或夾具受拉壓后斷裂為最終數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)計承載力進(jìn)行比較、分析，符合要求方可使用在工程上。

　　屋面為坡屋面時，要對夾具進(jìn)行摩擦力的計算與測試。南京南站雨棚主桁架屋面為坡屋面，坡度60度，按照光伏組件的設(shè)計排列方式，計算單個夾具所需承載的下滑力，然后與夾具實際可產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行比較。按照工程實際做法，對單個夾具用拉力計等測量儀進(jìn)行摩擦力的測試，滿足抗滑力要求方可使用。

　　(2)系統(tǒng)荷載的校核

　　根據(jù)南京南站雨棚屋面的組成特點，對光伏組件進(jìn)行合理的排列，并對排列后整個系統(tǒng)進(jìn)行荷載的計算，與雨棚屋面設(shè)計太能陽光伏系統(tǒng)的荷載進(jìn)行比較，滿足要求后方可進(jìn)行施工。系統(tǒng)荷載包括光伏組件重量、龍骨重量、夾具重量及壓件重量等。

　　5、安裝注意事項

　　(1)屋面板T型支架必須全部安裝到位，不得漏裝;

　　(2)鋁合金夾具必須全部夾持在有T型支架處的屋面板上，不得直接夾持在無T型支架處的屋面板波峰上;

　　(3)所有連接件螺栓必須緊固到位，以滿足受力要求;

　　(4)光伏組件安裝時注意對金屬屋面的成品保護(hù)，嚴(yán)禁材料集中堆放，以防壓壞屋面板。

　　6、結(jié)語

　　南京南站雨棚及屋面太陽能光伏系統(tǒng)施工已全部完成并投入使用，在工期緊、任務(wù)重的情況下，以上金屬屋面轉(zhuǎn)接太陽能光伏系統(tǒng)的做法得到了成功的運用，為太陽能光伏與建筑一體化的發(fā)展起到了示范推動作用。

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