屋面光伏阵列荷载分析与结构承载力评估.docx

文章编号：（）屋面光伏阵列荷载分析与结构承载力评估吉 春 明 ，朱 庆 东（江苏省电力设计院，江苏 南京）摘要：太阳能是一种洁净能源，太阳能发电前景非常广阔由于现有土地较为紧张，目前太阳能发电一般借助既有的建筑物实现发电与建筑物一体化对新增光伏发电设备的建筑物，需核算增加设备荷载后既有建筑是否满 足承载力要求；目前，国家规范对光伏发电设备的荷载计算没有专门的阐述，因此，设计时使用的标准各不相同 本文参考国外现有设计经验及现行相关规范，将计算结果进行对比后，提出较为常规的荷载计算方法及建筑物 的承载力评估方法关键词：太阳能；一体化；承载力；评估中图分类号：文献标志码：， （，）： ， ， ， ：；述文献均要求对原有的建筑物进行结构安全性复核但未提出具体的计算方法及复核依据由于设计没有统一的标准，在计算光伏阵列外 部荷载及对既有建筑物进行结构安全性评估时往往有差异太阳能发电与建筑一体化对既有建筑物的安全性要求太 阳 能 是 一 种 优 质 可 再 生 能 源，根 据 国 家年太阳能光电发展计划，我国 年 的太阳能光电总容量将达到 太阳能光伏 发电可以有效地利用建筑物屋顶，无需占用宝贵的 土地资源，同时太阳能发电板阵列也能降低屋顶的 温升，减小空调的能耗如何确定太阳能光伏发电板在屋面安装时对 屋面负荷的影响是屋顶太阳能发电的核心问题 国内设计常用的规程、规范一般有文献等上太阳能电池板阵列的风荷载设计太阳能发电系统的荷载主要是电池板阵列所 受荷载，阵列由各单组电池组成，电池板安装在支 架上，最终荷载传递到支架的基础上光伏组件示 意见图电池板自重较轻，以一般容量为 的单 块 太阳能板为例，其荷载仅，对一般上作者简介：吉春明（），男，工程师，国家一级注册结构师，主要从事火力发电厂结构设计相关工作武汉大学学报（工学版）第 卷图光伏组件示意图人屋面的允许荷载 来说其自重 荷 载 所占比例较小雪荷载及地震荷载亦可准确计算因 此，太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是控 制安全的主要问题 其中：基本 速 度 压 与 文 献 中的基本风压一 致；高度修正系数 相当于文献中的；环境系 数 相当于文献 中选择时用的地面粗糙 度 类别，在海边时取；用途系数，在日本规范中普通太阳能光伏发电系统取日本规范中相 当 于 体 型 系 数 的 风 力 系 数 ， 对于光伏 项 目 可 按 图 （太阳能电池组件风力系 数）求取国外规范对光伏结构风荷载的规定光伏产业发展较早的日本，对光伏发电系统计 算有比较明确的规定，以文献中 中的 风压荷重的计算为例，日本国对普通太阳能光伏发 电系统的风荷载计算公式（即设计速度压）为：图太阳能电池组件风力系数日本规范中，风力系数在计算构件的实际荷载时使用： 为便于比较，以图为模型，条件同文献（风速 ），计算出支架所受风荷载值： 设计速度压： 单个支架风荷载值：正 负 可参考的条款是文献： 由于屋顶太阳能发电项目极少在高度大于 的屋顶布置，因此可不考虑风振的影响，影响 值的主要是体型系数，参考续表 第 条中大于的情况，续表见图以图为例，利用文献，计算出支架所 受风荷载值：设计风压：单个支架风荷载值：正 负 负 我国规范对光伏结构的风荷载计算参考条款我国由于光伏产业发展时间不长，对光伏列阵 的风荷载计算尚未有专门的规范，目前国家规范中增刊吉春明，等：屋面光伏阵列荷载分析与结构承载力评估主体锚固，应设立独立的支架基座在建筑屋顶直接安装太阳能光伏发电板时，一般都需要考虑屋顶 会否产生漏水问题屋面避免漏水的最好办法就是 设立独立的支架基座组件基座布置应尽量合理，如果在板的任意位置布置，如图所示，在核算屋面是否安全时，不仅 要核算板的抗弯承载力，而且要核算板的局部抗压 和次梁、主梁承载力，过程复杂，核算板的局部抗压 承载力既难以操作，往往也很难满足设计要求由于屋面在结构设计时考虑受均布荷载，主梁 是屋面荷载传递的最终目的地，布置时应尽量将荷载直接传递至主梁基于这个原则，跳过原有屋面的传力 构 件，独 立架构传力路径，直至主梁，无论组件怎么布置，荷 载最终将由主梁承担，换算时，将主梁的荷载直接 除以分担面积就得到了最终的外加荷载，与允许荷 载比较，就完成了核算过程而不必去管次梁和板 这样的中间传力构件合理布置 组 件 的 基 座，能 大 大减少计算工作 量，将图的布置优化，在主梁处设置配重梁，太阳 板支架通过架设在配重梁顶的钢梁将荷载传递到 原有建筑物的主梁上，如图图风载体型系数从计算结果来看，对单个支架而言，顺 向 风 荷载按文献计算结果与文献的基本相同，逆向 风荷载按文献计算偏小，但文献中提出了阵 列布置时外圈支架与中部支架的风力系数可取不 同值，由于现阶段设计实例较少，建议不考虑此折 减系数实际计算时可参考文献单只支架的风 力系数加以修正屋面承载力的安全评估太阳能系统不仅要保证自身系统的安全可靠， 同时要确保建筑的安全可靠文献中提出光伏 组件的基座主筋应锚固在主体结构内，如果不能与图光伏组件布置示意图图光伏组件布置的优化武汉大学学报（工学版）第 卷在核算屋面是否安全时（图），将主梁上所增加的线荷载除以板宽即可得到楼板所需增加的均 布荷载假设图 经计算组合后，传至配重梁的最 终荷载为，主梁距离，则屋面受附 加荷载： 查阅施工图，如屋面原设计允许荷载值不小于 即可满足现设计要求整，宜优先选用独立支架基座在布置基座时，应统筹考虑根 据 屋 面 梁 布 置 形 状 宜 重 新 构 建 传 力 路 径，将荷载直接传递到屋面主梁，这样既保证了屋 面安全，又方便了屋面承载力复核参考文献：（日）太阳光发电协会太阳能光伏发电系统的设计与施工刘 树 民，宏 伟 译北 京：科 学 出 版 社，：结论）控制光伏发电组件阵列的主导荷载为风荷 载，风荷载计算时可参考文献，或根据文献 的续表第 条，计算结果经适当修正后加 以应用）屋