毛伊县水务部门在圆形混凝土储水库屋顶安装了低倾角、非穿透式压载光伏阵列,阵列直流功率约105至141千瓦,发出的电力直接用于抵消所在水库设施的用电负荷。项目由江森自控作为承包商交付。
抽水通常是饮用水公用事业主要的电力负荷。美国环境保护署(EPA)指出,市政水处理和分配成本中约80%用于电力;能源通常也是最大的可控运营成本,约占运维(O&M)费用的25%至30%。在负荷设施附近,平坦且阳光充足的闲置空地并不多见,岛屿上尤其如此。

这些阵列不穿透屋顶,采用压载方式,通过重量而非紧固件固定。太阳能组件本身较轻,关键在于水箱能承受多少压载,这主要取决于地震行为,而非屋顶本身。这些水库已有数十年历史,安装前结构工程师会根据原始图纸或现场评估预先确定其容量。
光伏组件和支架系统是矩形,水库屋顶是圆形。阵列需布置在内圆区域内,与弧形边缘保持退距,并避让仍在使用的检修口、通风口和检查点。在保持周边退距和禁区的同时最大化圆内面积,是水箱安装系统的核心布局难题,因此这些阵列呈现为边缘内收的密集矩形区域。

布局还须满足屋顶光伏消防通道要求。按2018年国际消防规范第12章第1204.3节平屋顶通道路径的规定,设计在阵列周围保持了至少四英尺的清晰周边通道,并在每个屋顶检修口周围保持四英尺净空。规范基准周边要求为六英尺;根据第1204.3.1节的例外情况,当结构任一轴长为250英尺或更短时,周边可减少至四英尺,此项目适用该例外,在保留通道的同时回收了可用屋顶面积。
水箱很高,通常位于高而开阔的地面上,风荷载大。压载阵列靠重量抵抗上拔力,增加压载会在地震荷载下放大侧向力,因此质量是一把双刃剑。水箱中的水在地震时会作出反应并产生自身的侧向力,这使得压载与地震的平衡在水箱上比普通建筑更紧凑:添加任何压载之前,水箱已经承受着沉重的抗震需求。限制条件不是屋顶的重力承载力——面板很轻,并在很大程度上取代了屋顶原本设计用于承受的步行活荷载;约束条件是压载可能对已因储水而承受地震荷载的水箱增加多少额外地震荷载。风和地震必须同时求解,按美国土木工程师学会荷载标准ASCE7确定风上拔力对应的压载尺寸,再检查增加的重量是否将地震工况推过极限,并迭代协调两者。低倾角组件捕风更少,所需压载也相应减少。
光伏阵列寿命可达数十年,下方水库预计将使用更长时间,不能因太阳能设施而出现故障。EPA将开放式检修口和破损通风格栅视为成品水储存的卫生风险,屋顶阵列若布局不当可能阻碍或损坏这些部件。因此检修口、通风口和检查点保持畅通,布局为最终内部检查和重新涂覆预留了通道。由于平屋顶会积水,模块和导管采用架空方式布置,避开低洼处。
逆变器、隔离开关和配电板安装在水箱旁边地面上的独立支架上,而非水箱壁上,将重型设备移出结构。沿墙敷设的导体使用适合水箱结构的锚固件固定,连接方式与特定墙壁的建造方式匹配。阵列输出经电缆传送至地面逆变器。

水箱屋顶光伏安装被视为一种可重复方法,而非一次性项目:将公用事业已拥有的基础设施转化为分布式发电,抵消该设施的大部分电力负荷,降低关键供水服务的运营成本。每个场地的执行规范一致——先进行结构评估,采用压载式非穿透阵列,将风与压载作为耦合问题计算优化,在圆形足迹内优化阵列,并将水箱自身的维护功能作为首要要求。
更广泛的启示在于,最有价值的太阳能场地有时已经建成。水库屋顶不是免费土地,而是带有严格规则的限制性结构;但对土地稀缺、抽水负荷大的公用事业而言,储水资产同样可以成为制造驱动水的电力的最佳场所。

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