金屬屋面轉接太陽能光伏系統應用

　　隨著我國工業經濟的發展，節能環保概念已引起全社會的普遍重視，對可再生能源的開發利用是節能減排的重要途徑之一，我國對此已形成相關法律。本文闡述了金屬屋面轉接太陽能光伏系統的方法及注意事項。

　　《太陽能學報》(月刊)創刊于1980年，由中國科協主管，中國太陽能學會主辦，北京市太陽能研究所承辦，自創刊以來為我國新能源領域的學術交流、人才培養及促進科研成果產業化等方面做出了貢獻。主要報道我國太陽能、生物質能、風能、氫能、海洋能及地熱能科學技術研究成果。

　　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為例，對金屬屋面轉接太陽能光伏組件的方法進行探討。

　　2、南京南站雨棚屋面太陽能系統的典型、示范性

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

　　(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，這給光伏系統與金屬屋面相結合帶來了較大的技術研究空間;

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

　　3、光伏系統安裝的基礎——相結合的建筑設計

　　3.1 建筑設計與結構設計

　　所謂光伏與建筑一體化，即指光伏系統設計與建筑設計時必須互相結合，能夠形成統一的整體，既達到建筑的效果，又能方便光伏系統的安裝和使用。南京南站無站臺柱雨棚設計階段即充分考慮了光伏系統，結構設計時增加了光伏系統的荷載，并考慮檁條間距滿足光伏系統的要求;建筑設計時屋面形式設計為規則的平面、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的安裝。

　　3.2 屋面系統的深化設計

　　為保證光伏系統安裝后建筑屋面的安全、可靠，必須在建筑設計的基礎上對屋面進行進一步的深化設計，深化設計的內容包括屋面板板型、材質及厚度、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計為例進行說明。

　　3.2.1 屋面板選型

　　屋面板選型時主要考慮兩方面內容：a、波鋒間距與光伏組件的模數相匹配;b、方便上部轉接件的安裝。據此，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的通風散熱間隙，為1600mm，是屋面瓦波峰間距400mm的4倍，模數相匹配;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，對其進行強度、撓度的校核計算。計算時主要考慮恒載、風載、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所增加的荷載，風載標準值由風洞試驗提供相關數據。荷載取值如下：

　　(1) 恒載：屋面板自重+光伏系統荷載

　　光伏系統設計荷載：Q1=0.20KN/㎡

　　(2)風荷載

　　根據南京南站雨棚及所在地特點，可查得：A、基本風壓ω0：0.40KN/㎡;B、計算高度Z：33.9米;C、地面粗糙度：B類。根據風洞試驗可得雨棚屋面風荷載標準最大值為：

　　ωk =-2.07KN/㎡。(風吸)

　　ωk’=1.23KN/㎡。(風壓)

　　(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，根據以上數據進行荷載的最不利組合，對屋面板的強度及撓度進行校核，結果完全滿足要求。

　　3.2.3 屋面板連接件選擇

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

　　4、光伏系統的安裝

　　4.1 基座的確定

　　光伏組件需安裝在屋面上，在混凝土結構中可在屋面結構層上預埋基座，但在金屬屋面上無法預留基座，因為在屋面板上開孔后將組件基座及龍骨系統焊接在檁條上，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，根據南京南站金屬屋面板的波峰特點，采用了屋面板轉接上部龍骨系統的特制基座 ——鋁合金夾具，夾具夾持在T型支架處屋面板波峰上，上部開設腰孔，以方便轉接，如圖5～8所示。

　　4.2 支架的確定

　　專用龍骨

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

　　4.3 光伏組件的固定

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

　　4.4 光伏組件支架系統的校核

　　對支架系統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型支架將系統荷載傳遞到檁條上。實驗時按照實際工程做法進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據標準，與設計承載力進行比較、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生的摩擦力進行比較。按照工程實際做法，對單個夾具用拉力計等測量儀進行摩擦力的測試，滿足抗滑力要求方可使用。

　　(2)系統荷載的校核

　　根據南京南站雨棚屋面的組成特點，對光伏組件進行合理的排列，并對排列后整個系統進行荷載的計算，與雨棚屋面設計太能陽光伏系統的荷載進行比較，滿足要求后方可進行施工。系統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，嚴禁材料集中堆放，以防壓壞屋面板。

　　6、結語

　　南京南站雨棚及屋面太陽能光伏系統施工已全部完成并投入使用，在工期緊、任務重的情況下，以上金屬屋面轉接太陽能光伏系統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展起到了示范推動作用。

　　參考文獻：

　　[1]01J925-1,壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體構造[S]

　　[2]GB50345-2004,屋面工程技術規范[S]

　　[3]GB50009-2001,建筑結構荷載規范[S]

　　[4]DGJ32/TJ87-2009,太陽能光伏與建筑一體化應用技術規程[S]

　　[5]中電電氣(南京)太陽能研究院有限公司,京滬高鐵南京南站屋頂光伏并網示范應用工程設計方案，中國，10-2010-K-1533、10-2010-K-1534、10-2010-K-1538[P]