屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析

屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析

朱小进

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司南京分公司  江苏南京 210000

【摘要】为了满足绿色发展需求，可再生能源发展势不可当，其中太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势，已成为发展最快的可再生能源。目前光伏发电适用越发广泛，为了强化其适用性，屋顶分布式光伏发电逐渐发展突出。这一技术不需要占用过多土地面积，实现小型的光伏发电系统，为当地居民提供电能供给。本文简要介绍了屋顶分布式光伏发电，重点分析了光伏发电支架结构设计的要点与问题。

【关键词】分布式光伏发电；支架；结构设计

屋顶分布式光伏发电支架系统设计工作具有较高的复杂性，需要保障屋顶分布式光伏发电支架系统各个组件装配部件的耐候性。注意保障结构牢固性和可靠性，需要有效承受大气侵蚀和风、雪荷载等。保障安装过程的安全性和可靠性，利用最小的安装成本达到最大的使用效果，减少后续维护次数，这些在方案选择时需要综合考虑。

一、屋顶分布式光伏发电概述

（1）分布式光伏发电概述

分布式光伏发电是一种能够充分利用屋顶、院落和建筑体等具有可建设性质的空间，来进行光伏发电系统的建设，实现空间的充分利用。目前常见分布式光伏发电系统有两类，并网式和离网式。两者的组成不同，离网式主要是由直流箱、太阳能电池组成的方阵、逆变器和能源储蓄装置等设备组成。并网式发电系统则多出了交流配电箱和其他并网设备装置。

（2）光伏支架概述

光伏支架按照能否跟踪太阳转动区分为固定支架和跟踪支架。

固定支架以机械结构为主，主要由立柱、主梁、檩条、基础等部件构成。跟踪支架构成包括结构系统（可旋转支架）、驱动系统、控制系统（通讯控制箱、传感器、云平台、电控箱等部件）三大系统，除机械结构更为复杂外，其控制系统还涉及算法层面的优化设计。

虽然支架不是光伏产业链中最被重视的环节，但却是支撑固定整个光伏系统的重要设备，也被称为光伏电站"骨骼"。支架制作是光伏产业链中耗钢量最多的地方，也是光伏产业链中与钢厂联系最紧密的环节。

此外需要综合利用铝合金阳极氧化和超厚热镀锌以及不锈钢等技术工艺，光伏支架结构要具备牢固性和可靠性，同时要承受大气侵蚀和风、雪荷载等。材料的强度要综合考虑不低于25年及以上的气候因素，各种恶劣天气等影响。光伏支架中同时具备轨槽，用来放置电线，避免发生电击事故。合理选择电力设备安装位置，使其处于非暴露环节，同时方便后续维修及保障造价的合理性。

二、光伏支架结构性能分析

（1）安全性

在正常施工和正常使用中，结构可以承受各种作用，在发生地震和温度变化等，保障支架结构的整体稳定性。

（2）适用性

在正常使用阶段，优化支架结构的工作性能，例如避免产生过大的变形问题，否则将会影响到正常使用。

（3）耐久性

在正常维护下，保障支架结构的的耐久性，例如需要严格控制支架结构材料风化/老化以及腐蚀等，使其处于规定工作限度内保障正常工作性能。

（4）可靠性

支架结构设计需要符合使用年限，在规定条件下实现预定功能，保障结构的安全性和耐久性。

三、光伏支架结构设计

（1）光伏支架单元

光伏支架指的是支架负责承载光伏组件，因此约束光伏组件的自由度，在采光支架中需要安装不同的光伏组件，依次连接四块板质心形成矩形，光伏支架主要包括两个子支架和1个辅助支架，在每个子支架中可以安装单晶硅组件，利用子支架分别连接辅助支架，同时利用钢材方管焊接子支架和辅助支架，同时利用U形螺栓连接子支架和辅助支架。

（2）角度调节单元

为了优化光伏支架的跟踪功能，因此需要设计调节子结构，利用电动缸跟踪调节太阳高度角，利用电动缸伸缩所有可以调整采光支架，因此跟踪太阳高度角。跟踪太阳方位角需要利用涡轮蜗杆传动机构，驱动电机运行。

（3）支撑单元

支撑单元主要包括支撑管和两个法兰盘，支撑单元负责支撑光伏支架，因此要求支撑单元具有良好的承载力。

四、屋顶分布式光伏发电支架结构设计问题

（1）基础放点的直线度、间距、方正控制较差

基础放点是光伏支架安装质量控制的第一步，也是至关重要的一步。施工过程中由于操作人员素质参差不齐、放点设备的精度以及设备的检定质量不稳定致使放点时基础的前后排间距、左右间距、整排的直线度以及整组的方正存在偏差。

（2）混凝土浇筑质量及预埋件安装质量控制较差

混凝土浇筑质量及预埋件的安装质量是控制屋面光伏支架安装质量所有工序中最重要的一步，主要是因为混凝土的浇筑质量直接影响到后期屋面光伏支架在大风、雨雪等恶劣天气下是否能够满足支架抗拔、抗侧压力的能力。同时预埋件的直线度直接影响到后期光伏支架立柱的直线度，所以混凝土浇筑质量以及预埋件安装质量是影响屋顶分布式光伏发电支架安装质量最重要的一步。但是施工过程中受限于模板的放置、混凝土的浇筑和振捣、施工人员的技术水平、前期施工场地的平整等问题致使施工质量很难控制在要求的精度范围内。

（3）支架安装质量不满足要求

支架的安装质量是屋顶分布式光伏发电支架安装质量控制中最为直观的一个工序，施工中受限于施工人员的技术水平、现浇基础的成型质量、进场材料的质量等经常会出现很多问题，例如：立柱垂直度和直线度偏差较大、支架的固定倾角控制不到位、支架上各个节点的螺栓固定不满足要求等问题。

（4）设计与施工不匹配

局限于设计人员的技术水平以及设计人员对现场地质条件、气候条件以及施工工艺的不熟悉，设计中经常也会出现基础形式与支架安装不匹配或者基础形式不满足支架承载力，致使基础在风雪荷载的长期拉拔作用下，支架整体倾倒或者组件大面积损坏。

（5）支架防腐问题

光伏支架长期处于室外暴露环境当中，经受风霜雪雨的考验，通常光伏支架的防腐采用热镀锌或预镀锌铝镁的防腐措施，根据不同环境登记的要求，热镀锌的单面厚度通常不低于65um，预镀锌铝镁的的单面镀层重量不低于275g/m²。现场光伏支架的防腐要求应严格按照上述规定执行，保证光伏支架能满足25年的正常使用需求。

五、支架结构设计应用

在屋面安装光伏组件过程中，需要注意对屋顶防水层的保护，避免对建筑结构产生影响。常见的彩钢瓦屋面的支架固定方式是利用配套的专用夹具和导轨与彩钢瓦固定，在能够实现支架稳定可靠的前提下保证屋顶状态。而对于混凝土屋面来说，常见安装方式是水泥墩安装方式，主要原理是利用自身重量进行固定，能够有效避免对屋顶防水层带来伤害。

（1）支架结构材料及材质要求

目前光伏系统的设计使用年限为25年，这就要求直接结构在设计和材料选用中要重视材料性能，保证能够达到使用要求，避免发生损坏，影响系统的正常使用。彩钢瓦屋面铝合金材料的材质建议使用6005-T5及以上的材料，混凝土屋面的钢支架材料建议选用材质不低于Q235B，热镀锌含量不低于65μm。要注意材料的防腐蚀性和强度，在尽量减少成本消耗的前提下，实现对支架质量的保证。

（2）彩钢瓦屋面夹具、导轨的选用

彩钢瓦屋面的夹具导轨设计前，需要先了解彩钢瓦的具体型号及瓦型，选择专用夹具。夹具安装是利用不锈钢螺栓连接到彩钢瓦上，确保连接稳定牢固。夹具是整个支架系统安全稳定的基础，需要尽可能确保夹具固定稳定可靠。所以在夹具的厚度选择上，要求不低于3mm，保证整体结构强度。接着将光伏组件与夹具进行固定，主要利用导轨固定，固定过程需要依据当地的风压、雪压及其他荷载情况进行计算确定，建议厚度不低于2mm。

结束语

在国家倡导节能减排以及碳达峰、碳中和目标的推动下，光伏行业特别是一些与光伏发电相结合的发电模式也在随之进行发展。但是在实际的工程项目施工中仍然存在着一定的问题需要对其进行有效地解决，并要以项目施工实际中管理要求为依据，制定相应的具有科学性和专业性施工管理和施工质量控制措施，以此促进整个工程项目质量的提升,对施工过程中存在的隐患进行有效的消除和处理，最终实现项目质量提升、建筑企业经济提升、运维成本降低的目的，促进光伏行业在健康发展的情况下进行可持续发展。

参考文献：

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