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        東北地區(qū)農(nóng)村分布式光伏支架設計研究

        2022-02-06 09:19:26呂全偉
        通信電源技術 2022年21期
        關鍵詞:場區(qū)立柱屋面

        趙 鵬,呂全偉

        (中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

        0 引 言

        太陽能作為新能源發(fā)展的主要形式之一,具有污染可控、能耗低、發(fā)電期間不會產(chǎn)生有害物質(zhì)等優(yōu)勢[1]。光伏支架作為太陽能光伏組件的支撐結(jié)構(gòu),對系統(tǒng)的安全高效運行及成本控制有著重要的影響[2]。

        1 項目概況

        1.1 地質(zhì)概括

        遼寧省營口市境內(nèi),初擬場址區(qū)總體呈不規(guī)則多邊形;場區(qū)西側(cè)地形起伏較小,海拔高程為1~60 m,總體屬海積、沖積平原地貌;場區(qū)東側(cè)地形起伏較大,海拔高程為15~430 m,呈總體屬剝蝕、侵蝕低山丘陵地貌。場區(qū)覆蓋層分布廣泛,為海相沉積、沖洪積和坡洪積層,地表多為耕地、經(jīng)濟作物果林及魚塘。區(qū)內(nèi)地表植被發(fā)育良好,主要為灌木林及農(nóng)作物。

        場區(qū)出露地層由新至老依次為:新生界第4系,主要分布在營口市西北側(cè)、西側(cè)沿海區(qū)域,場區(qū)中部區(qū)域,由北向南展布,場區(qū)中西部河谷區(qū)域和場區(qū)西側(cè)坡腳區(qū)域;侏羅紀侵入巖,主要分布場區(qū)南側(cè);中下元古界前震旦系,主要分布場區(qū)東部高屯鎮(zhèn)南側(cè)和東北部區(qū)域。

        1.2 房屋現(xiàn)狀

        通過現(xiàn)場踏勘及問詢,房屋多為農(nóng)村自建房,已使用30、40年,屬于年份久遠的老舊危房。且民房均為當?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗自行砌筑,沒有經(jīng)正規(guī)設計單位設計,缺少設計圖紙,存在建筑材料性能、施工質(zhì)量不穩(wěn)定、建筑結(jié)構(gòu)可靠度較低等問題。

        在條件允許的情況下,盡可能不在農(nóng)戶自建房上設置光伏板,若在屋頂布置光伏板,建議選取房屋建筑使用年限不超過25年的現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面。并委托有資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)對原結(jié)構(gòu)進行檢測,然后再進行計算復核,滿足規(guī)范要求方可進行屋面鋪設光伏板,同時在施工過程中編制施工組織,減少施工荷載,避免出現(xiàn)施工堆載的情況,并根據(jù)施工組織合理合規(guī)地進行光伏板鋪設。

        2 分布式光伏支架方案對比分析

        2.1 主要設計參數(shù)

        抗震設防烈度:8度;

        電池組件規(guī)格:2 094 mm×1 038 mm×35 mm;電池組件重量:24.5 kg;

        固定支架傾角:38°(地面)、20°(混凝土平屋面);

        50年基本風壓:0.65 kN/m2;50年基本雪壓:0.40 kN/m2;25 年基本風壓:0.54 kN/m2;25 年基本雪壓:0.36 kN/m2[3]。

        2.2 主要材料

        鋼材采用冷彎薄壁型鋼,鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件主要采用鍍鎂鋁鋅防腐處理,鍍鎂鋁鋅防腐涂層平均厚度滿足雙面275 g/m2,其余構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐,鍍鋅層厚度小于65 μm。

        2.3 荷載組合

        由于電池組件支架及基礎自重較小,支架設計時風荷載起控制作用,因此影響支架系統(tǒng)整體穩(wěn)定的主要荷載為風荷載。

        2.4 支架結(jié)構(gòu)形式

        結(jié)合現(xiàn)場實際情況,本項目支架結(jié)構(gòu)形式主要包含多立柱支架結(jié)構(gòu)、單立柱支架結(jié)構(gòu)、鋼支架屋蓋3 種[4,5]。

        (1)多立柱支架結(jié)構(gòu)。多立柱光伏支撐結(jié)構(gòu)由主梁、次梁、前立柱、中立柱、后立柱、斜支撐和立柱基礎等關鍵構(gòu)件組成。多立柱光伏支撐結(jié)構(gòu)由多個立柱以及斜支撐支起主、次梁,由主、次梁托起光伏電池板。多立柱與基礎之間的連接通過焊接、預埋螺栓、預埋鋼管連接來實現(xiàn)。

        本項目混凝土屋面均為當?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗自行砌筑,沒有經(jīng)過正規(guī)設計單位設計,缺少設計圖紙,其承載力無法通過計算進行評估,為確?;炷廖菝娼Y(jié)構(gòu)安全,上部支架應采用多立柱支架結(jié)構(gòu)形式,通過多個立柱將上部荷載更加均勻地傳遞到混凝土屋面,同時為降低風荷載效應,通過降低固定支架傾角的方式實現(xiàn),屋頂光伏傾角調(diào)整為20°。組件布置根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用1×N、2×N、3×N這3種布置形式,如圖1所示。

        圖1 屋面多立柱支架結(jié)構(gòu)典型布置(單位:mm)

        本項目地面組件布置根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用1×N、2×N、3×N這3種布置形式,支架傾角為38°,如圖2。

        圖2 地面多立柱支架結(jié)構(gòu)典型布置(單位:mm)

        (2)單立柱支架結(jié)構(gòu)。單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)主要由主梁、次梁、前支撐、后支撐、鋼柱、抱箍和單立柱基礎等關鍵構(gòu)件組成。單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)采用2個斜支撐支起主、次梁,從而托起光伏電池板,鋼斜撐與單柱之間連接通過抱箍實現(xiàn),具有簡潔、高效的特點。

        本項目混凝土屋面均為當?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗自行砌筑,沒有經(jīng)過正規(guī)設計單位設計,缺少設計圖紙,其承載力無法通過計算進行評估,為確保房屋安全且滿足現(xiàn)場安裝容量要求,在房屋房前和屋后布置單立柱高支架形式,組件采用2×12進行布置。立柱中心距離房屋外墻2 m,東西方向跨度3.7 m,支架傾角38°,如圖3所示。

        圖3 單立柱支架結(jié)構(gòu)典型布置(單位:mm)

        (3)鋼支架屋蓋。鋼支架屋蓋結(jié)構(gòu)主要主梁、次梁、立柱、柱間支撐、系桿和立柱基礎等關鍵構(gòu)件組成。此結(jié)構(gòu)由于跨度大、立柱高度大、主梁長,結(jié)構(gòu)相對復雜。

        本項目混凝土屋面均為當?shù)毓そ硯煾祽{借自身經(jīng)驗自行砌筑,沒有經(jīng)過正規(guī)設計單位設計,缺少設計圖紙,其承載力無法通過計算進行評估,為確保房屋安全且滿足現(xiàn)場安裝容量要求,通過利用房屋上部空間實現(xiàn)土地的高效利用,立柱中心距離房屋外墻2 m,東西方向跨度5.2 m,支架傾角38°,如圖4所示。

        圖4 鋼支架屋蓋結(jié)構(gòu)典型布置(單位:mm)

        (4)對比分析。單樁支架與雙樁支架對比如表1所示。

        從表1可以看出,多立柱地面支架及單立柱地面支架用鋼量小、對房屋安全性影響小且施工難易程度小,但房屋上部空間利用率低;多立柱屋面支架用鋼量小、房屋上部空間利用率大且施工難易程度小,但對房屋的安全性影響大;單立柱高支架及鋼支架屋蓋用鋼量多、對房屋安全有一定影響,施工難度大;鋼支架屋蓋施工困難,用鋼量多。結(jié)合房屋安全性、工程經(jīng)濟性、施工難度以及場區(qū)容量要求,綜合考量,對于房屋條件較好的鋼筋混凝土現(xiàn)澆屋面推薦采用多立柱屋面支架,后續(xù)房屋安全性評估應委托專業(yè)的第三方檢測單位進行評估;對于房屋條件差的區(qū)域采用多立柱地面支架或單立柱地面支架在庭院內(nèi)安裝。

        表1 單樁支架與雙樁支架對比

        2.5 支架結(jié)構(gòu)設計方案

        電池組件采用單晶硅組件,組件規(guī)格為2 094 mm×1 038 mm×35 mm,由于每戶地面及屋面面積不統(tǒng)一,為滿足現(xiàn)場施工安裝要求,組件布置分為1×N、2×N、3×N這3種布置方式。支架東西方向跨度不大于2.4 m,檁條懸挑長度不大于0.7 m。支架結(jié)構(gòu)平面布置如圖5、圖6、圖7所示。

        圖5 支架結(jié)構(gòu)平面布置(1×N)(單位:mm)

        圖6 支架結(jié)構(gòu)平面布置(2×N)(單位:mm)

        圖7 支架結(jié)構(gòu)平面布置(3×N)(單位:mm)

        電池組件固定支架采用縱向檁條,橫向支架布置方案。支架由立柱、橫梁及斜撐(或拉梁)組成。

        支架設計用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法,用分項系數(shù)設計表達式進行計算。支架設計主要控制參數(shù)如下:受壓構(gòu)件容許長細比為180;受拉構(gòu)件容許長細比 350;柱頂位移與柱高度比為1/60;梁的撓度為L/250。

        2.6 支架防腐設計

        結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件采用鍍鎂鋁鋅防腐處理,鍍鎂鋁鋅防腐涂層平均厚度滿足雙面275 g/m2,其余構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐,鍍鋅層厚度小于65 μm。防腐前需對鋼結(jié)構(gòu)除銹處理,除銹等級應達到Sa2.5的質(zhì)量要求。

        3 結(jié) 論

        各方案設計時對比了U型鋼、C型鋼、H型鋼及圓型鋼材用量,經(jīng)過比較采用U型和圓型鋼材,此文不做詳細介紹。在結(jié)合農(nóng)村實際施工的情況下,通過多個方案設計對比分析,在高效利用土地的基礎上,確定安全性、可實施性且經(jīng)濟性的方案,有效節(jié)約了業(yè)主投資成本。

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