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比一比谁家飞的更高?浅谈大平面式户用设计的不合理性

从2014年的零星项目,到2019年新增4.3GW的装机规模,截至2019年底,全国户用光伏累计安装已超过100万套。但由于户用光伏电站建设门槛低,导致从设计到施工及运维等环节均缺乏对技术问题的重视。

近日,光伏们从朋友圈看到三张户用光伏的安装照片(如下图:图1、图2、图3)。三张图片中的光伏电站,均利用光伏支架架高空间,实现支架和组件的安装和接线,并且组件以多排的方式进行排列。对此,光伏们咨询了专注于分布式光伏发电项目技术服务的EVO光伏工作室创始人付国辉。

以下为付国辉的详细解释:

上述三张图中的光伏电站安装同属“一个大平面”的风格,在户用市场中时常会见到。虽说是100%利用了屋顶面积,但是这种安装方式不可取。先不说方案的合理性及运维等方面的问题,我们仅针对基础结构安全做一个简单的计算分析。

基础结构的安全与否主要体现在抗拔、抗倾覆、抗滑移三个方面。从三张图中可以看出:

图1中:南北两个屋顶,南侧的屋顶组件安装角度小一些,目测约15°左右,北侧的屋顶组件安装角度明显大很多,约35°左右。

图2中:一个“回”字形的屋顶除了中间镂空部分,全部建成一个朝南的平面,角度约30°左右。

图3中:光伏支架架高后做了一个整体的朝南大平面。朝南角度目测约20°。

选取角度适中20°角度的图三案例做个计算分析。(由于仅有一张图片,并不了解此电站的详细资料数据,所以以下推算均是根据照片中能看出的信息进行的计算,仅供参考):

1.图中可以看出光伏组件应为60片单片多晶组件,户用项目通常选用280Wp规格组件,外形尺寸为1657mmX996mmX35mm,单块重约18公斤。

2.“大平面”南北方向为10块组件,东西方向为11块组件,除去南侧第一排空的2块,一共装机容量为30.24千瓦。可以推算出20°倾角的“大平面”的南北向长为16.75m,东西向长为11.156m(参考了组件的外形尺寸和组件间隙的20mm)。

3.根据图片中的比例,推算光伏支架南北跨距约2.3m的共7跨,东西跨距约2.3m的共5跨,支架占地南北向长约为15.739m,最南侧组件下檐距离屋面约2.3m,最北侧组件的后檐距离屋面约为8米。

4.25年一遇基本风压拟选取为较为典型的0.38KN/㎡。

5.光伏基础存在的问题:从照片中难以辨别是否为打膨胀螺栓生根的基础形式,还是小型混凝土块的基础形式,抛开这些,只计算基础柱底的受力大小。

6.风荷载的计算过程参考《光伏支架结构设计规程》NB/T 10115-2018和《建筑结构荷载规范》GB50009-2012。公式如下:

经过计算,垂直于光伏组件表面的上吸风力标准值约Fw=71.008kN。根据角度关系计算,在逆风时产生的竖向吸力F1= cos(20°)xFw=66.726 kN≈6.7吨;逆风时最大Fw引起的倾覆弯矩Gw=Fwx16.75/2=595.295 kN*m;由于基础形式不能确定,所以无法试算抗滑移相关数据。

综合以上数据,面对6.7吨的风吸力和595千牛米的倾覆弯矩,图3中的光伏电站即使考虑到电站自重及其基础锚固力,设计上也是难以满足的。

以抗倾覆设计举例,屋面光伏项目需要设计的抗倾覆系数是1.6,也就是说要设计的抗倾覆弯矩是倾覆弯矩的1.6倍,才能满足安全要求。因此,图3电站中的抗倾覆弯矩大概需要设计到952千牛米,才是安全的。而屋面电站的结构事故许多也是因为抗倾覆设计不足造成的,如下图:

假设1,如果这样的屋面采用配重式基础是否可行?

采用这种方式,首先,用于抵抗倾覆的配重墩的自重要足够大,而且要有足够的力矩,但是民用建筑屋顶承重能力十分有限,屋顶面积又小,对于如此大的设计弯矩来说已经不是一个数量级的了,所以配重式基础很难成立。

假设2,如果施工时采用打膨胀螺栓的形式生根固定是否可行?

采用这种方式,首先屋顶的结构层质量要可靠,既能锚固得住又不发生开裂。这就要求屋面至少应该是钢筋混凝土现浇的屋顶,预制的空心板屋面是不可以的。再就是膨胀螺栓的长度和数量要够。

其次要做好生根点的防水卷材铺贴修复等等一系列的间接工程。因为,如果防水恢复和日常的维护稍有疏忽,很可能造成多处屋面开裂和漏水。而且要保证25年运行期间受力安全可靠,这样的系统费用很可能超出了光伏电站的利润空间。因此也难以成立。

以上还没有对地震作用、雪荷载、温度荷载、风至共振作用等进行分析,即使对相关数据进行分析,结果也不会乐观。所以非特殊条件下,建议不要采用这样的安装方式。

付国辉总结道,综合以上分析与判断,户用光伏电站建成如此“大平面”形式确实存在诸多安全隐患。本着安全第一的原则,希望户用电站的经销商和户主能够理性的选择和科学的制定户用光伏电站的安装方案,或咨询具有丰富经验的专业人士来进行设计。

户用光伏电站一般建设在住户的屋顶上方,有限的屋顶面积,安装更多的光伏组件,从而增加发电量、增加收益,这一点无可厚非。但是收益需要建立在安全、长远的基础上。因此光伏们也在此呼吁,无论是经销商,还是住户,一定要重视户用光伏电站的设计问题。

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