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展的主要形式之一，具有污染可控、能耗低、發電期間不會產生有害物質等優勢[1]。光伏支架作為太陽能光伏組件的支撐結構，對系統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 地質概括

遼寧省營口市境內，初擬場址區總體呈不規則多邊形；場區西側地形起伏較小，海拔高程為1～60 m，總體屬海積、沖積平原地貌；場區東側地形起伏較大，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、經濟作物果林及魚塘。區內地表植被發育良好，主要為灌木林及農作物。

場區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、西側沿海區域，場區中部區域，由北向南展布，場區中西部河谷區域和場區西側坡腳區域；侏羅紀侵入巖，主要分布場區南側；中下元古界前震旦系，主要分布場區東部高屯鎮南側和東北部區域。

1.2 房屋現狀

通過現場踏勘及問詢，房屋多為農村自建房，已使用30、40年，屬于年份久遠的老舊危房。且民房均為當地工匠師傅憑借自身經驗自行砌筑，沒有經正規設計單位設計，缺少設計圖紙，存在建筑材料性能、施工質量不穩定、建筑結構可靠度較低等問題。

在條件允許的情況下，盡可能不在農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年的現澆鋼筋混凝土屋面。并委托有資質的第三方檢測機構對原結構進行檢測，然后再進行計算復核，滿足規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，避免出現施工堆載的情況，并根據施工組織合理合規地進行光伏板鋪設。

2 分布式光伏支架方案對比分析

2.1 主要設計參數

抗震設防烈度：8度；

電池組件規格：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，鋼結構主要構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，因此影響支架系統整體穩定的主要荷載為風荷載。

2.4 支架結構形式

結合現場實際情況，本項目支架結構形式主要包含多立柱支架結構、單立柱支架結構、鋼支架屋蓋3 種[4,5]。

（1）多立柱支架結構。多立柱光伏支撐結構由主梁、次梁、前立柱、中立柱、后立柱、斜支撐和立柱基礎等關鍵構件組成。多立柱光伏支撐結構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。

本項目混凝土屋面均為當地工匠師傅憑借自身經驗自行砌筑，沒有經過正規設計單位設計，缺少設計圖紙，其承載力無法通過計算進行評估，為確保混凝土屋面結構安全，上部支架應采用多立柱支架結構形式，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，屋頂光伏傾角調整為20°。組件布置根據現場實際情況采用1×N、2×N、3×N這3種布置形式，如圖1所示。

圖1 屋面多立柱支架結構典型布置（單位：mm）

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

圖2 地面多立柱支架結構典型布置（單位：mm）

（2）單立柱支架結構。單柱光伏支撐結構主要由主梁、次梁、前支撐、后支撐、鋼柱、抱箍和單立柱基礎等關鍵構件組成。單柱光伏支撐結構采用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，具有簡潔、高效的特點。

本項目混凝土屋面均為當地工匠師傅憑借自身經驗自行砌筑，沒有經過正規設計單位設計，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 單立柱支架結構典型布置（單位：mm）

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

本項目混凝土屋面均為當地工匠師傅憑借自身經驗自行砌筑，沒有經過正規設計單位設計，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場安裝容量要求，通過利用房屋上部空間實現土地的高效利用，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 鋼支架屋蓋結構典型布置（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。結合房屋安全性、工程經濟性、施工難度以及場區容量要求，綜合考量，對于房屋條件較好的鋼筋混凝土現澆屋面推薦采用多立柱屋面支架，后續房屋安全性評估應委托專業的第三方檢測單位進行評估；對于房屋條件差的區域采用多立柱地面支架或單立柱地面支架在庭院內安裝。

表1 單樁支架與雙樁支架對比

2.5 支架結構設計方案

電池組件采用單晶硅組件，組件規格為2 094 mm×1 038 mm×35 mm，由于每戶地面及屋面面積不統一，為滿足現場施工安裝要求，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。支架結構平面布置如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 支架結構平面布置（1×N）（單位：mm）

圖6 支架結構平面布置（2×N）（單位：mm）

圖7 支架結構平面布置（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設計方法，用分項系數設計表達式進行計算。支架設計主要控制參數如下：受壓構件容許長細比為180；受拉構件容許長細比 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

結構主要構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，其余構件采用熱鍍鋅防腐，鍍鋅層厚度小于65 μm。防腐前需對鋼結構除銹處理，除銹等級應達到Sa2.5的質量要求。

3 結 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，經過比較采用U型和圓型鋼材，此文不做詳細介紹。在結合農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、可實施性且經濟性的方案，有效節約了業主投資成本。