适用于自由曲面的多向可调光伏支架系统研究

适用于自由曲面的多向可调光伏支架系统研究

李自强

中国电建集团贵州工程有限公司 贵州贵阳 550000

摘要：针对机场屋面的复杂设计和角度调节要求，传统的地面光伏支架无法满足实际需要，本文介绍一种适用于载荷有限的双曲屋面的、全方位可调节的光伏支架系统，主要说明支架系统的设计思路、结构。

关键词：全方位可调、光伏支架

引言：

某中东机场航站楼屋面总积约27万平方米，其中为光伏组安装预留的屋面面积约18万平方米。屋面采用一种直立缝契合的点支撑屋面系统，光伏系统依托该屋面进行安装，装机容量为29MW。由于屋面结构的限制以及机场的特殊性，屋面进行光伏支架设计时不能直接照搬常规的地面光伏，同时由于光伏组件的表面为玻璃材质，需要避免眩光问题，因此设计一种新的非标光伏支架系统才能满足项目规范和业主要求。本文基于该项目的光伏系统进行研究，设计一种全方位可调的夹扣式支架系统，保证光伏板系统的安装不对特殊彩钢屋面及其附属设施设备造成破坏或影响，与传统的光伏支架系统相比，具有三维可调、多角度可旋转的特点。

1 屋面的结构特性以及机场的特殊性

1.1直立锁边屋面结构特性

直立锁边彩钢屋面系统，广泛运用于火车站、机场、会展中心、体育馆等大型公共建筑的屋顶，能够很好地适用各种复杂的结构设计；本项目的二维弧线的坡度可达约40度，最大三维球面度可达约。屋面实例如图所示：

本机场项目航站楼的屋面主要由直立锁边彩钢屋面、支撑板（halter）、支撑槽钢、波形彩钢面等组成，各部分的安装如图所示：

屋面系统承载满足最大1.4kN的集中荷载或0.96kN/m2的均匀分布荷载。屋面分包商禁止直接站立在屋面上，因为直立锁边彩钢厚度仅为1mm，很小的集中冲击载荷就会造成高应力及不可逆形变，从而造成表面或部件损坏，进而影响整个的屋面结构。

1.2机场对于航空安全的要求

在光伏系统设计之初，建筑设计监理就要求对全屋面进行满铺，而光伏组件表面为玻璃材质，势必会造成大面积的眩光，而机场所在地的气候属于十分典型的热带沙漠气候，全年日照时长超过3000小时，这使得眩光问题更加严重；因此在进行光伏组件报批的时候监理要求提供完整的屋面眩光分析报告，表示由于机场作为重要的交通枢纽以及地标性建筑，安全是第一目标，即要求光伏板产生的眩光对航空安全或其他系统完全无影响或只能有极其微弱的影响。

1.3屋面光伏支架设计要求

由于机场设计造型的特殊性（弧形三角，一角朝北，另外两角东西朝向），根据最新的眩光分析报告，全场都没有任何两组（三块光伏组件为一组）朝向和倾角相同的光伏组件，如图所示：

因此光伏支架的设计要求三维可调、同时可轴向旋转。

2 常规支架设计

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2.1固定式

固定式光伏支架主要固定支架、杆件组成，结构相对简单，通常需要有稳定基础，可以将光伏组件稳定地安装在地面、露天场所等各种相对规则的环境中。固定式光伏支架活动件较少，因此维护和保养的频率相对较低，在成本控制方面有优势，但是一般只能使光伏面板统一的面向日照时长最大的角度，完全不适用于复杂安装面。

2.2倾角可调式

倾角可调式光伏支架可以看作是固定式光伏支架的升级版。一般将固定式的某一部件改成活动件（调节机构）即可实现，一般该活动件有档位式和无级可调式，档位式一般按太阳高度角的变化调整2到3次；无极可调式则可单一朝向角度范围内的无级调节。因活动件的机械运动较多，维护保养可能会相对频繁，成本投入也会稍高，但是请教可调式能够保证年度发电量有较大提升，因此适用于山坡沟谷等较不规整地形。

2.3自动追踪式

自动追踪光伏支架能够始终保持太阳入射光线和与光伏组件垂直，保证固定点安装的光伏板全年日照时长最大，使光伏组件能够接受到最多的光能，从而提高发电量。自动追踪支架一般可分为单轴追踪式和双轴追踪式，两者共性为使光伏阵列的表面法线完全根据太阳的运动规律而运动，始终保持太阳光线的入射角最小。在所需发电量相同时追踪式可以减少光伏组件装机容量，从而控制建造成本，但是由于其结构的复杂性、成本和适用性将有所制约，一般适用于缓坡、平地以及高纬度地区。

2.4常规支架的不适用性

综上所述，屋面载荷以及常规方案的可调节性有限，而且常规方案对安装作业面以及安装基础的要求与本项目差异过大，故常规方案无法满足本项目的实际需求，因此本项目的支架设计需要因地制宜，充分考虑可调性、制造成本、施工难度、温度、抗腐蚀性等进行非标定制化设计。

3 本项目的支架设计

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3.1结构特点

航站楼屋面为球形屋面，还需要满足屋面建筑设计单位要求，因此光伏板支架设计要考虑在X、Y、Z轴方向上可调节，在Z轴方向可旋转。直立锁边与屋面主体结构垂直。每个直立锁边的跨度是400mm。

X轴方向可调

屋面设计方给的意见是光伏支架不能安放在Halter及其两边各100mm的区域内，因此在屋面某些区域，光伏支架需要往X轴方向正负移动，以避开禁止安装的区域，如图所示：

Y轴方向可调

由于直立锁边的跨度是400mm，支架的设计不能刚好落到直立锁边上面，因此光伏板支架无法正好安装在对应的跨度上，即需要在Y方向可调，如图所示：

Z轴方向可调

每一组光伏板（三块为一组）是一个完整的平面，而屋面是一个球形曲面(蓝线)，支架组无法安装在屋面上，如图所示：

为了使光伏板贴合屋面，光伏支架的必须设计为Z轴上下可调，每组光伏板的每条支腿都以特定高度安装在直立锁边上，才能保证每个支架的夹具能牢固地扣在屋面的直立锁边上，如图所示：

Z轴可旋转

如图所示：

如果按照直立锁边和光伏板同一个朝向（如绿圈所示），会导致光伏板的铺设不符合监理的意见（监理要求屋面光伏板满铺同时兼顾屋面造型美观）。如红圈的详图所示，光伏板的方向和直立锁边的方向有3度的夹角。因此底部构件需设计为可旋转结构进行支架安装，从而满足监理要求。

3.2力学分析

通过对正常情况下、移动X轴的支架腿避开屋面支撑halter、移动Y轴支架腿使之落到直立锁边上、部分组件悬空的平面安装方式和坡面安装（平行和垂直与直立锁边）方式进行结构计算，得出下表的结果：

上表中，
a、b、c、d对应四种支架的布置方式，1、2、3对应三种安装位置，±FZ表示支架对屋面施加的拉力和压力。从表中可知：在所有的情况下，每个方向上的力矩均未超出0.1kNm，因此该设计方案能够满足项目的规范要求和实际情况，同时在风洞试验过程中也未出现任何超载情况。

3.3实测结果

在理论验证通过之后，课题设计组随即进行了Solidworks模型设计，并将该模型交由厂家进行样品生产，收到样品后通过实地试装，三个方向都可以实现无级顺滑调节，Z轴上的旋转也能够满足要求。

总之本支架设计方案完美契合项目需求，使得项目的光伏进度达到新的里程碑。

4 对比分析

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4.1优势分析

全球范围机场航站楼屋面的光伏设计基本属于空白，在履约过程中，项目部咨询了15家以上的专业结构设计公司和5个有一定相似度的项目，均未得到任何有效信息，因次本项目遇到的困难没有任何的借鉴案例，而本支架设计方案除了满足本项目的需求之外也在机场的光伏设计领域开创了先河，让今后的机场的航站楼光伏设计成为了可能。

4.2经济效益

本设计方案直接将项目的光伏履约推进到新节点，为项目的工期以及反索赔提供了有力支撑，至少节约成本10%。

5 结束语

作为公司关注度较高的项目，项目的光伏板块一直是阻碍项目整体进度的一大难题，而本论文的支架设计十分契合公司的管理要求，是项目降本增效的一大重要举措，同时为公司培养了一大批优秀的技术人才，为此后的项目履约积累了宝贵经验，树立了典型做法。

参考文献

[1] MPW KIA II 26 31 00 Solar Photovoltaic System(rev.07) [S]

[2] MPW KIA II 07 61 13 Standing Seam Sheet Metal Roofing [S]