大雪对屋顶光伏电站的影响

大雪对屋顶光伏电站的影响降雪概况描述2018年1月份的末尾迎来2008年以来的又一场大雪。本次降雪前后历时4天，中间停歇1天。雪后，常州市区，地面积雪厚度20cm左右，大约30公斤每平米的重量；灌木及草地积雪厚度30cm左右，大约45公斤每平米的重量；由于积雪较厚市区内樟树枝干多有折断。雪后天即放晴，积雪伴随周期性的消融与冰冻，建筑多出现几十公分到几米不等的冰凌。气象台降雪记录与预测记录24日14时40分至26日3时我市出现强降雪过程，其中25日全市普降暴雪南部大暴雪，常州、金坛、溧阳累计雪量分别为15.4、15.9、23毫米，最大积雪深度为12、14、11厘米。预测天气预测根据最新资料分析，27-28日我市仍有强降雪天气，其中27日有大到暴雪局部大暴雪；预计过程降雪量1525毫米，累积积雪深度1520厘米；29日起天气转好。近期气温持续偏低，29-30日最低气温可达-5-7，有严重冰冻。具体预报为：26日夜里阴转小雪，东北风4级，-30，有冰冻；27日阴有大到暴雪局部大暴雪，北风4级，-30，有冰冻；28日阴有中到大雪并渐止转阴，偏北风45级，-11；29日多云到晴，西北风4级，-50，有严重冰冻；30日晴转多云，西北风34级，-71，有严重冰冻。图1下面是这一天气过程的历史记录可以看到整个过程以北风为主。下面将针对光伏项目积雪影响、临近建筑上积雪状况做介绍与分析一、光伏项目屋顶光伏项目位于一塑料加工企业车间屋顶，车间内开展大量的塑料热熔工作，会向屋面输出大量热能。车间为大型屋面板屋顶结构，表面敷设铝箔SBS防水卷材；电站通过配重方式浮置于屋面。本次项目照片均采集自中午12点左右，照片中南北向问题请根据阴影自行判断，在文章中分析时不再做特殊描述 。下面针对积雪状况做必要描述与分析。1、屋顶积雪状况图1-1、光伏组件下沿区域积雪深度测量图1-2、屋顶积雪的区域性分布1图1-3、屋顶积雪的区域性分布2图1-4、屋顶积雪的区域性分布3图1-5、屋顶积雪的区域性分布4项目状况描述由上面图1-1到1-5可以看出以下屋面积雪分布特点：1、外漏屋面的积雪消融速度很快，远远超过光伏组件上的积雪消融速度；2、屋顶无论南北坡积雪消融都很快，远大于地面、天沟或者其他屋面；3、背阴区冰雪分布呈现为斑驳状随机堆积，现场一碰就滑走。现场原因分析出现以上现象的原因主要有以下几点。1、 屋顶积雪消融速度远大于组件表面的积雪消融速度，这是由以下几方面共同导致：a、车间内部大量的生产热能供给，导致屋面板及防水卷材温度持续的处于一个较高温度，导致裸露屋面落雪积累困难，积雪与消融水成斑驳状无规律堆积；b、光伏组件与屋顶之间存在间隙，间隙中的空气起到阻碍热传导的左右，同时组件本身也有着很好的隔热作用，致使屋顶热量不能很好的传递到组件上表面，也就导致组件上的降雪会大面积的积累。2、 屋顶南北坡积雪消融速度远大于地面及天沟或其他屋面的积雪消融速度，这是因为车间内的生产热量供给对降雪消融的贡献要远大于天气（主要是太阳辐射的影响）。3、 屋顶阴影区域的冰雪斑驳状分布，这是因为此处只有车间热量的供给，太阳的辐射能供给很少，导致冰雪下层与屋面接触处消融，而上层冰雪却消融较慢，冰雪及消融水沿屋面运动，导致有的地方屋面裸露，有的地方有堆积的冰雪；因为冰雪是在消融水的搬运下缓慢运动的，所以与屋面接触面很光滑，稍一碰就滑动 ，所以屋面走动时要注意避开这些冰雪，防止摔倒。2、组件上积雪状况图2-1组件上积雪状况1图2-2组件上积雪状况2图2-3组件上积雪状况3图2-4组件上积雪状况4状况描述由图2-1到2-4，可以看出组件上的积雪除了消融速度慢之外，还有以下几个特点：1、组件表面的滑雪现象；2、多排组串区域，组件表面滑雪呈现波浪状及；3、组件表面积雪呈现上薄下厚；4组件表面的积雪最开始消融区域除了上沿较薄区域外，还有中间区域。原因分析出现以上现象的主要原因有以下。1、 组件表面的滑雪现象，这个主要是积雪较厚，下表面受热消融，组件布设角度较大，组件表面光滑等因素共同作用的结果。2、 多排组串区域的波浪式滑雪，是除了1中的因素外还有区域下沿的堆积阻挡作用，组串间隙持续上行的热空气作用，各排积雪的滑动速度不一样，上下排积雪滑动时的推拉作用共同导致。3、 组件积雪上薄下厚，这是因为积雪在重力作用下，堆积到一定厚度就会顺坡下滑，同时下沿口由于配重块与横向地梁的阻挡作用导致下沿积雪堆积。至于为啥滑到组件下沿与地梁之间的积雪没有跟屋面积雪快速消融；个人猜测是滑雪是雪停了之后开始的，或者是地梁作为金属件在低温环境下会迅速降温，导致自身及相邻区域温度无法升到零度以上，也就没办法融雪。3、屋面冰凌事件图3-1屋面冰凌1图3-2屋面冰凌2图3-3屋面冰凌3这里冰凌是积雪融化后的消融水在背阴区流动及冰冻形成，这个倒没什么特殊，但是要注意对冰凌掉落区域的避让，以免造成不必要的破坏。同时需要考虑补齐落水管。4、 屋面积雪的刮削作用图4-1从图4-1中可以看出，在积雪的冰冻消融循环中伴随着沿屋顶的整体下滑过程，因为冰雪的滑移会对漆面造成切向的剪力与垂直向的局部拉力，从而导致桥架漆层的破坏。这个在以后项目中要注意避免使用类似漆层的桥架，改用性能更可靠的镀锌桥架。5、 浮置光伏电站的稳定性测试图5-2阵列滑移图5-2中两道红线分别是纵向地梁与垫层交界线，垫层与屋面防水层交界线，这两道交界线是施工完成后所画。可以看出组件顶部的积雪并没有导致彼此支架的相对滑动，也就是说积雪的不规则分布并不会导致电站的滑移。以上是屋顶电站的降雪影响。下面是不针对厂区其他屋面积雪状况的分析，也是为了后期类似项目提供积雪分布规律的素材积累。二、上人屋面女儿墙对积雪分布的影响图6-1库房上人屋面南侧女儿墙根上积雪整体分布状况图6-2库房上人屋面南侧女儿墙根上积积雪厚度特写图6-3库房上人楼梯间北墙根及窗台积雪分布状况图6-4库房屋顶及西侧女儿墙积雪分布状况状况描述库房里除了降雪前积攒的热量外，没有其他热源供给热量，所以屋面积雪消融速度慢，基本保持了屋顶降雪的分布规律。原因分析图6-3北墙根及窗台的积雪可以看出，降雪过程伴随了偏北方向的风。但是这一偏北防方向的风，并没有导致南侧女儿墙根部出现大量的积雪，相反这里却确实形成了一个U型的雪槽，同时在距离女儿墙半米左右的地方出现积雪厚度最大值，且直线度很好。针对这个U型雪槽我认为有两种产生的可能，一种是热消融形成，一种是风力搬运形成。为了这个雪槽，进行了室内对应区域，以及屋顶区域的水迹观察。没有发现室内有水渗入（水渗不进来，室内热空气也就渗不出去）；屋顶低洼区域没有形成水泊或冰泊，也就是说屋面积雪下层没有消融，或者说下层消融水并没有流到女儿墙根部导致雪融化。或者反证，如果是融化导致的U型雪槽出现，这也无法解释在U型雪槽之槽口积雪厚度大于相邻区域这一现象。 既然不是消融导致的U型雪槽，那就是它形成之初就是U型的，是降雪形成的。屋顶对积雪有搬运作用的就是风，根据先前的天气记录，降雪过程伴随有45级的偏北风，这股风在遇到女儿墙之后由于风速降低会卸载，积雪会落到女儿墙向风一侧的根部，但同时由于女儿墙的存在，这里会出现一个绕水平轴转动的涡，会将女儿墙向风一侧的下沉气流及下沉雪花中的大部分一并带起，撒到女儿墙外面去；而由于这个涡的存在，会导致女儿墙的阻雪作用往内偏移，以及涡的涡的搬运作用，导致在离女儿墙根部一定距离雪花的降落量增多，也就出现了那条雪槽的槽口积雪线。 这个U型雪槽在自然条件下复现的可能性会很小，首先是南方地区这种大雪天会很少，这种大雪天伴随有类似的风，就更难求了。三、过道彩钢棚上的积雪分布1、 建筑分布及高差简述生产车间（位于南侧）与库房（位于北侧）支架的过道上假设有一低矮（与两侧建筑有落差35米落差）的跨度20米上下的彩钢棚。彩钢棚上积雪分布如下图片。图7-1彩钢棚北侧积雪状况（离东边沿一段距离自东北向西南偏折的的凸出脊线）图7-2-1彩钢棚北侧中间区域积雪状况（离北墙一段距离有明显积雪厚重堆积现象）图7-2-2彩钢棚北侧中间区域积雪状况（离北墙一段距离有明显积雪厚重堆积现象）图7-2-3彩钢棚北侧中间区域积雪状况（离东边沿一段距离自东北向西南偏折的的凸出脊线）图7-2-4彩钢棚北侧中间区域积雪状况（离东边沿一段距离自东北向西南偏折的的凸出脊线）图7-2-4彩钢棚北侧中间区域积雪状况图7-3-1彩钢棚东北角积雪状况（薄而不匀）图7-3-2彩钢棚东北角积雪状况（薄而不匀）图7-4-1彩钢棚西北角积雪状况（厚而均匀）图7-5-1观测区域建筑平面布置及标高图7-5-2彩钢棚上积雪脊线及无雪区分布图状况简述离东边沿一段距离自东北向西南偏折的的凸出脊线，脊线明显区域有两个窗户区域，而痕迹则整个贯穿屋面；且自东边沿起在第二窗台下反向向东折回）原因分析本次降雪伴随有偏北方向的45级风力，所以导致北侧 仓库的降雪有一部分被吹落到地处的彩钢棚上。同时由于彩钢棚东西侧有风吹过又对彩钢棚上的积雪分布形成二次塑造。由图7-5-1观测区域建筑平面布置及标高中可以看出有后面两个特点：1、 彩钢棚西边要比左边开阔。2、 东侧南侧有较高的生产车间。这两个建筑分布特点会对降雪的分布有以下影响：1、 由于西侧建筑比较密集，且形成南北向大通道，这会对从北侧吹来的风有一个挤压加速的作用，就是风速会较高；这个高风速会在库房与彩钢棚的交汇区域形成一个涡，一个低压区，将此处的降雪大部分给带走，从而形成一个薄雪区或无雪区。2、 上面的这个低压区还会将后面的积雪脊线中点往东侧拉动，这也解释了为啥那个积雪拐点不是在正中间而是偏东侧。3、 由于东侧开阔所以，所以风速较低，这个低风速也会在库房与彩钢棚的交汇处形成一个低压区，但要弱的多，所以偏东侧一段的雪脊线得仔细观察才能看见。4、 东侧有较高的生产车间的阻挡，对自北而来的风有一个抬升作用，在加上第3条里提到的彩钢棚这里的低压区，会将一部分降雪（无风时降到生产车间、空地及库房和楼梯间的降雪）搬运到彩钢棚上，这部分降雪会进一步覆盖掉第3条中的雪脊线，使得其更加模糊，图7-5-1中的虚线正是反应这一模糊现象。 综合以上三个区域的现场与分析，