引言
隨著國家對分布式光伏發(fā)電支持力度的加大,分布式光伏發(fā)電越來越受到企業(yè)的青睞,屋頂分布式光伏電站體量日益增大。隨著我國屋面防水材料的技術(shù)革新,新型防水材料應用越來越廣,國內(nèi)制造業(yè)、物流業(yè)、數(shù)據(jù)機房、機場等大型建筑屋面大多采用TPO、PVC柔性防水材料,但傳統(tǒng)光伏支架系統(tǒng)不能適應這些柔性防水屋面。因此,設計一種穩(wěn)定、可靠、安全的柔性防水屋頂光伏支架系統(tǒng)具有重要意義。
1屋頂分布式光伏發(fā)展趨勢
目前,光伏行業(yè)項目開發(fā)由山地、荒地等大型電站逐步向分布式項目發(fā)展,2017一2019年我國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量將達到69.2Gw,未來五年年均復合增長率約為17.03%,2023年將達到129.8Gw。光伏電站的建設主要集中在工業(yè)廠房、物流園區(qū)、數(shù)據(jù)機房和機場等高耗能企業(yè),其建設應滿足就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用原則。然而,隨著新型防水材料（TPO、PVC）在建筑屋面防水領(lǐng)域的應用越來越廣,場地條件限制了屋頂分布式光伏項目的開發(fā)。因此,設計一種穩(wěn)定、可靠、安全的柔性防水屋頂光伏支架系統(tǒng)具有重要的意義。
2TP0屋頂光伏支架系統(tǒng)
本文以北京奔馳總裝車間分布式項目為例,分析TPO屋頂光伏支架的研究與應用。
2.1屋頂構(gòu)造
TPO防水屋頂與傳統(tǒng)彩鋼屋頂相比,構(gòu)造基本相同,均屬于輕質(zhì)屋面系統(tǒng),適用于大面積的廠房建筑,柔性防水屋面用柔性防水卷材（TPO、PVC等防水材料）取代了彩鋼屋頂?shù)拿鎸硬输摪?提高了屋頂防水年限。
TPO防水材料常見幅寬2000mm,搭接120mm,連接方式分為滿粘法和機械固定兩種,通常采用機械固定單層屋面系統(tǒng),防水卷材僅在邊緣120mm寬度范圍內(nèi),采用專用自攻螺桿固定,搭接采用熱風焊接,屋頂構(gòu)造如圖1所示。
2.2支架構(gòu)造
由于TPO防水材料為柔性材料,不能按常規(guī)的配重式基礎(chǔ)或專用夾具安裝,目前已建成的TPO屋頂支架系統(tǒng)形式主要分為3種:
2.2.1方案一:預埋件式支架系統(tǒng)
屋頂安裝時預留光伏支架立柱,在房屋建筑結(jié)構(gòu)設計時統(tǒng)一考慮預留荷載,且根據(jù)光伏組件和屋面采光窗、通風等設施布置形式相結(jié)合,預留光伏支架立柱,雖然傳力可靠,但施工復雜,屋面防水破壞點較多,且屋面防水節(jié)點施工周期長,自重大,不適用于老舊建筑。屋頂立柱構(gòu)造如圖2所示。
圖1屋頂構(gòu)造
圖2屋頂立柱構(gòu)造
2.2.2方案二:專用連接件支架系統(tǒng)
此系統(tǒng)基于屋頂光伏支架而特殊開發(fā),在屋頂沖孔后插入專用連接件,機械固定,將連接件與原屋頂焊接形成整體,優(yōu)點是適用于各種柔性防水屋面,布置靈活:缺點是對屋頂破壞較多,且安裝時對建筑日常使用有較大影響。支架專用連接件構(gòu)造如圖3所示。
圖3專用連接件構(gòu)造
2.2.3方案三:粘結(jié)式鋁合金支架系統(tǒng)
與傳統(tǒng)彩鋼屋面支架形式相同,光伏組件通過鋁合金導軌固定在屋面上,不同之處在于支座通過TP0卷材貼固定于屋面新加的TP0防水材料上,使得導軌和屋面緊密連接在一起,且避免鋁合金導軌對屋頂直接接觸造成破壞。優(yōu)點是不破壞屋面防水,施工構(gòu)造簡單,經(jīng)濟性好,組件布置相對靈活。缺點是施工速度較慢。支架與屋面連接做法如圖4所示。
圖4支架與屋面連接做法
3TP0屋頂參數(shù)收集及相關(guān)試驗
通過收集建筑物相關(guān)竣工圖紙、資料,確定屋面防水材料的相關(guān)參數(shù)（H類、P類、L類）、物理性能（最大拉力、伸長率、剝離強度等參數(shù)）、連接構(gòu)造（機械連接或滿粘連接）等相關(guān)參數(shù),并委托專業(yè)實驗室進行現(xiàn)場復核試驗和剝離強度試驗。試驗要求:
（1）對新老TP0防水材料做相容性試驗、接縫剝離強度實驗,并滿足《熱塑性聚烯烴（TP0）防水卷材》（GB27789—2011）的技術(shù)要求,實驗測得剝離強度為5.3N/m,大于規(guī)范要求的3.0N/m。
（2）對屋頂連接構(gòu)造進行現(xiàn)場檢測,確定防水卷材機械固定點的間距及拔出的拉力。屋頂連接試驗裝置如圖5所示。
圖5屋頂連接試驗裝置
（3）現(xiàn)場復核屋頂卷材敷設方向、間隔及相對位置,便于組件布置及方陣劃分。
4光伏支架系統(tǒng)計算分析
4.1光伏支架系統(tǒng)
以北京奔馳總裝車間分布式項目為例,屋頂采用1.5mm厚織物內(nèi)增強型TP0卷材防水層,展寬2m,搭接120mm,于平行屋脊方向鋪設,每隔350mm設有固定螺釘一個。屋面采用鋁合金支架系統(tǒng),垂直屋脊方向布置鋁合金導軌,并在TP0防水卷材搭接處通過TP0卷材貼固定于屋面上,光伏組件通過壓塊固定在鋁合金導軌上,考慮每組支架的剛度及變形協(xié)調(diào)性,屋頂光伏系統(tǒng)如圖6所示。
4.2光伏支架系統(tǒng)荷載計算分析
4.2.1光伏系統(tǒng)攤鋪荷載
光伏系統(tǒng)組件自重、TP0防水卷材、鋁合金型材重量:
0.12＋0.01＋0.01=0.149N/m2k0.159N/m2
與彩鋼屋頂光伏支架系統(tǒng)重量大致相同。經(jīng)計算,本工程屋面允許新增最大荷載為0.159N/m2,此光伏支架系統(tǒng)方案滿足屋面承載力要求。
4.2.2TP0卷材貼連接強度計算分析
TP0卷材貼尺寸為200mm×700mm光伏系統(tǒng),有效焊接面積長度1400mm:風壓標準值按50年取值:
卷材貼風荷載設計值:
o=1.5×0.67=1.0059N/m2
風荷載作用下TP0卷材貼的上拔力:
F1=（0.99-0.14）×2.02×1.005=1.7269N
接縫剝離強度取3.0N/mm,TP0卷材貼剝離力為:
F2=1400×3.0=4.29N<F1
由此可得出在50年一遇的風力作用下,組件傳給屋面的上拔力小于TP0卷材貼剝離力,滿足要求。
4.2.3支座受力分析
光伏支架支座連接通過TP0卷材貼與原屋頂TP0焊接,將鋁合金導軌固定在屋面上,TPO屋頂?shù)墓潭葆旈g距為350mm,固定螺釘拉力為2139N,按1.05的安全系數(shù)進行取值,可計算得出每個卷材貼下螺釘不少于2個,抗拉拔力為2.1kN,風力作用下的上拔力為1.726kN,小于螺釘抗拔力,支座安全。
導軌通過TPO卷材貼固定在屋頂新增TPO卷材上,與屋面防水形成整體,考慮屋面熱脹冷縮,利用支架的剛度及變形協(xié)調(diào)性,支架長度不大于6m,控制在3個卷材寬度以內(nèi),使其具有良好的抗震、抗風、抗雪壓等物理性能,使屋頂光伏支架系統(tǒng)能夠應用于TPO屋頂。
4.2.4注意事項
(1）TPO屋頂光伏支架系統(tǒng)采用方案三,構(gòu)造簡單,布置靈活,適用于各種TPO屋頂。
(2）TPO防水固定點的間距、抗拉力應通過實驗測得,確保支架的穩(wěn)定性。
(3）新老TPO連接應做相容性試驗,確保連接安全可靠。
(4）屋頂保溫、防水、壓型鋼板材料不同,力學性能不同,在自重作用下的壓縮變形應進行系統(tǒng)性研究。
5結(jié)語
在未來光伏發(fā)展道路上,分布式光伏發(fā)電占比日益增大,隨著5G時代的來臨,尤其在工業(yè)、制造業(yè)、物流業(yè)、數(shù)據(jù)機房等高能耗建筑的建設中,分布式光伏能源成為主要的綠色能源提供者,為國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、改善環(huán)境提供了源動力。
