金属屋面转接太阳能光伏系统应用

　　随着我国工业经济的发展，节能环保概念已引起全社会的普遍重视，对可再生能源的开发利用是节能减排的重要途径之一，我国对此已形成相关法律。本文阐述了金属屋面转接太阳能光伏系统的方法及注意事项。

　　《太阳能学报》(月刊)创刊于1980年，由中国科协主管，中国太阳能学会主办，北京市太阳能研究所承办，自创刊以来为我国新能源领域的学术交流、人才培养及促进科研成果产业化等方面做出了贡献。主要报道我国太阳能、生物质能、风能、氢能、海洋能及地热能科学技术研究成果。

　　1、引言

　　太阳能光伏与建筑一体化作为一种有效利用太阳能的现代科技手段，在政府的支持下，逐步得到推广。本文即以南京南站无站台柱雨棚屋面光伏系统为例，对金属屋面转接太阳能光伏组件的方法进行探讨。

　　2、南京南站雨棚屋面太阳能系统的典型、示范性

　　(1)南京南站雨棚屋面光伏系统是一座全球最大单体太阳能光伏发电站，系统总投资约2.7亿元，共安装了超过10万平方米的太阳能晶硅电池，装机容量达10.67兆瓦，并网运行后年平均发电量将超过900万千瓦时，是全国兆瓦级光伏与建筑一体化应用项目中技术含量较高项目之一;

　　(2)南京南站雨棚金属屋面有平屋面、坡屋面等多种屋面形式，这给光伏系统与金属屋面相结合带来了较大的技术研究空间;

　　(3)南京南站光伏项目按照25年的运营期计算，可发电超过2亿千瓦时，与同等发电量的火电厂相比，可节约使用大量原煤和减少二氧化碳的排放量，对促进光伏产业发展具有重大的示范引导意义。南京南站光伏系统安装如图1。

　　3、光伏系统安装的基础——相结合的建筑设计

　　3.1 建筑设计与结构设计

　　所谓光伏与建筑一体化，即指光伏系统设计与建筑设计时必须互相结合，能够形成统一的整体，既达到建筑的效果，又能方便光伏系统的安装和使用。南京南站无站台柱雨棚设计阶段即充分考虑了光伏系统，结构设计时增加了光伏系统的荷载，并考虑檩条间距满足光伏系统的要求;建筑设计时屋面形式设计为规则的平面、坡面形式及部分大半径的曲面形式，既满足了建筑形式的多样性，又较大程度的方便了光伏系统的安装。

　　3.2 屋面系统的深化设计

　　为保证光伏系统安装后建筑屋面的安全、可靠，必须在建筑设计的基础上对屋面进行进一步的深化设计，深化设计的内容包括屋面板板型、材质及厚度、屋面板支架及连接件的选择等，以南京南站雨棚金属屋面深化设计为例进行说明。

　　3.2.1 屋面板选型

　　屋面板选型时主要考虑两方面内容：a、波锋间距与光伏组件的模数相匹配;b、方便上部转接件的安装。据此，南京南站雨棚屋面选择YX-65-400型彩钢屋面瓦，瓦型如图2所示：

　　选择该板型的理由为：a、光伏组件长边长度为1580mm，加上20mm的通风散热间隙，为1600mm，是屋面瓦波峰间距400mm的4倍，模数相匹配;b、屋面瓦波峰高度适中，造型简洁，便于上部光伏组件的转接。

　　3.2.2 屋面板计算

　　以南京南站雨棚为例。南京南站彩钢屋面板厚度为0.8mm，对其进行强度、挠度的校核计算。计算时主要考虑恒载、风载、雪载及检修荷载等，其中恒载包括板本身自重及增加光伏系统所增加的荷载，风载标准值由风洞试验提供相关数据。荷载取值如下：

　　(1) 恒载：屋面板自重+光伏系统荷载

　　光伏系统设计荷载：Q1=0.20KN/㎡

　　(2)风荷载

　　根据南京南站雨棚及所在地特点，可查得：A、基本风压ω0：0.40KN/㎡;B、计算高度Z：33.9米;C、地面粗糙度：B类。根据风洞试验可得雨棚屋面风荷载标准最大值为：

　　ωk =-2.07KN/㎡。(风吸)

　　ωk’=1.23KN/㎡。(风压)

　　(3)活荷载(雪荷载)：Q2=0.65KN/㎡

　　(4)检修荷载：检修荷载取：1.0KN，折算线荷载如图3：

　　qre=ηF/b=0.5×1/0.4=1.25KN/M。(GB50018-2002 7.1.10)

　　南京南站最大檩条间距为2m，根据以上数据进行荷载的最不利组合，对屋面板的强度及挠度进行校核，结果完全满足要求。

　　3.2.3 屋面板连接件选择

　　针对屋面增加了光伏系统荷载，南京南站屋面板支架选择高强度T型铝型材支架，如图4所示。支架与檩条间以自攻钉连接，自攻钉也必须进行强度校核计算，满足要求后方可使用。

　　4、光伏系统的安装

　　4.1 基座的确定

　　光伏组件需安装在屋面上，在混凝土结构中可在屋面结构层上预埋基座，但在金属屋面上无法预留基座，因为在屋面板上开孔后将组件基座及龙骨系统焊接在檩条上，将破坏屋面板的整体性，防水处理难度大，极易造成漏雨。为不破坏屋面板整体防水效果，根据南京南站金属屋面板的波峰特点，采用了屋面板转接上部龙骨系统的特制基座 ——铝合金夹具，夹具夹持在T型支架处屋面板波峰上，上部开设腰孔，以方便转接，如图5～8所示。

　　4.2 支架的确定

　　专用龙骨

　　为达到既不影响屋面整体的建筑效果，又方便快捷的安装系统组件，南京南站雨棚屋面太阳能系统光伏组件采用贴合屋面的方式进行安装，并自上而下对光伏组件进行固定。支架采用U形龙骨，龙骨底部开设腰孔，与专用夹具用螺栓固定，按照设计间距进行布置。龙骨如图9～10所示。

　　4.3 光伏组件的固定

　　为达到自上而下固定光伏组件的目的，南京南站光伏系统采用专用铝合金压件对光伏组件进行固定，压件与龙骨间用螺栓进行连接，压件分为中压件和边压件，如图11～12所示。

　　4.4 光伏组件支架系统的校核

　　对支架系统的安全可靠性必须通过计算及实验校核。

　　(1)基座的校核

　　基座的校核包括抗拔、抗压承载力的校核及摩擦力的校核，校核通过实验进行。基座的传力方式为：直立锁边屋面板固定在T型铝合金支架上，夹具(基座)夹持在T型支架位置屋面板波峰上，通过T型支架将系统荷载传递到檩条上。实验时按照实际工程做法进行试件的制作及测试。测试时以夹具被拉出屋面板失去作用或夹具受拉压后断裂为最终数据标准，与设计承载力进行比较、分析，符合要求方可使用在工程上。

　　屋面为坡屋面时，要对夹具进行摩擦力的计算与测试。南京南站雨棚主桁架屋面为坡屋面，坡度60度，按照光伏组件的设计排列方式，计算单个夹具所需承载的下滑力，然后与夹具实际可产生的摩擦力进行比较。按照工程实际做法，对单个夹具用拉力计等测量仪进行摩擦力的测试，满足抗滑力要求方可使用。

　　(2)系统荷载的校核

　　根据南京南站雨棚屋面的组成特点，对光伏组件进行合理的排列，并对排列后整个系统进行荷载的计算，与雨棚屋面设计太能阳光伏系统的荷载进行比较，满足要求后方可进行施工。系统荷载包括光伏组件重量、龙骨重量、夹具重量及压件重量等。

　　5、安装注意事项

　　(1)屋面板T型支架必须全部安装到位，不得漏装;

　　(2)铝合金夹具必须全部夹持在有T型支架处的屋面板上，不得直接夹持在无T型支架处的屋面板波峰上;

　　(3)所有连接件螺栓必须紧固到位，以满足受力要求;

　　(4)光伏组件安装时注意对金属屋面的成品保护，严禁材料集中堆放，以防压坏屋面板。

　　6、结语

　　南京南站雨棚及屋面太阳能光伏系统施工已全部完成并投入使用，在工期紧、任务重的情况下，以上金属屋面转接太阳能光伏系统的做法得到了成功的运用，为太阳能光伏与建筑一体化的发展起到了示范推动作用。

　　参考文献：

　　[1]01J925-1,压型钢板、夹芯板屋面及墙体构造[S]

　　[2]GB50345-2004,屋面工程技术规范[S]

　　[3]GB50009-2001,建筑结构荷载规范[S]

　　[4]DGJ32/TJ87-2009,太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程[S]

　　[5]中电电气(南京)太阳能研究院有限公司,京沪高铁南京南站屋顶光伏并网示范应用工程设计方案，中国，10-2010-K-1533、10-2010-K-1534、10-2010-K-1538[P]