多陣列屋面分布式光伏電站中光伏支架結(jié)構(gòu)的分析研究

摘 要：針對建設(shè)在鋼筋混凝土屋面上方的多陣列屋面分布式光伏電站，以其光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干影響因素為研究對象，從光伏支架的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)流程出發(fā)，結(jié)合其受力特點(diǎn)和方式，研究陣列排布方式、相鄰立柱間距、檁條間距、斜撐支撐點(diǎn)位置、光伏支架傾角、相鄰光伏支架間距這6種因素對光伏支架承載力的影響。研究結(jié)果表明：在采用同樣材料、規(guī)格光伏支架的前提下，這6種影響因素對光伏支架的承載力均存在具有一定規(guī)律的影響。1）同樣列數(shù)的情況下，優(yōu)先選用“豎向組件2行”的陣列排布方式，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)且排布更為合理；2）相鄰立柱間距設(shè)置在光伏組件長邊水平投影長度的60%～70%范圍內(nèi)時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)；3）檁條間距設(shè)置為光伏組件長邊水平投影長度的70%左右時(shí)，可以保證光伏組件自身的剛度和較大的承載力，且方便施工時(shí)的安裝操作；4）當(dāng)斜撐支撐點(diǎn)位置與斜梁高側(cè)端點(diǎn)的距離為整個(gè)斜梁長度的35%～60%時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)；5）當(dāng)采用配重式支架基礎(chǔ)時(shí)，光伏支架傾角通常采用5?～20?的小角度，以減少產(chǎn)生的光伏附加荷載，從而確保光伏支架主體結(jié)構(gòu)的安全性；6）當(dāng)相鄰光伏支架間距采用光伏組件短邊長度的150%～200%（即每榀光伏支架承擔(dān)約1.5～2.0塊光伏組件）時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)，且經(jīng)濟(jì)性較好。所得結(jié)論和規(guī)律可為后續(xù)多陣列屋面分布式光伏電站的光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：屋面分布式光伏電站；多陣列；光伏支架結(jié)構(gòu)；立柱；斜梁；檁條；承載力

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

目前，國家大力推行2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的“雙碳”減排政策，包括太陽能在內(nèi)的新能源領(lǐng)域?qū)儆谡咦钣辛Φ捻憫?yīng)部分。如何有效利用太陽能資源，且不占用過多的地面資源成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題[1]。在既有建筑物屋面設(shè)置分布式光伏電站成為有效的解決途徑，其中，光伏組件采用多陣列的布置形式（同一光伏支架上橫向1行的光伏組件為1個(gè)陣列）可以更有效的利用屋面有限的空間資源[2]?；诖耍疚尼槍υO(shè)置在鋼筋混凝土屋面上方的多陣列屋面分布式光伏電站，以其光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干影響因素為研究對象，分析研究陣列排布方式、相鄰立柱間距、檁條間距、斜撐支撐點(diǎn)位置、光伏支架傾角、相鄰光伏支架間距對光伏支架承載力的影響，并總結(jié)規(guī)律，以期在大規(guī)模推廣屋面分布式光伏電站的背景下，為光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1" 光伏支架的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)流程

1.1" 光伏支架的結(jié)構(gòu)組成

光伏組件是直接接收太陽輻射，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵部件，根據(jù)材料不同可分為非晶硅光伏組件、單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件。

對于屋面分布式光伏電站的光伏支架結(jié)構(gòu)而言，其包括光伏支架和光伏支架的基礎(chǔ)（即支架基礎(chǔ)）兩個(gè)部分。光伏支架由檁條、斜梁、立柱、斜撐及相關(guān)連接附件組成。根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)，光伏支架可以分為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材、不銹鋼和鋁合金光伏支架，其中，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材和鋁合金光伏支架的應(yīng)用較為廣泛。兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材的受力性能好、價(jià)格較便宜、市場采購方便，但是其自重較大、耐腐蝕性較差，需要進(jìn)行熱浸鍍鋅處理；鋁合金的自重較輕、耐腐蝕性較好，但是其受力性能不如普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材，且價(jià)格偏高[3]。

對于鋼筋混凝土屋面結(jié)構(gòu)，根據(jù)形式不同，支架基礎(chǔ)可以分為光伏建筑一體化（BIPV）式、配重式、壓重式和后錨固式，具體采用何種支架基礎(chǔ)形式需結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際條件進(jìn)行選擇。

1）若項(xiàng)目建設(shè)在新建建筑上，在有條件的情況下優(yōu)先采用BIPV式支架基礎(chǔ)。此種支架基礎(chǔ)能最大限度地滿足屋面布設(shè)分布式光伏電站的需要，保證結(jié)構(gòu)安全性，支架基礎(chǔ)與屋面結(jié)構(gòu)一體澆筑成型，防水保溫性能好，耐久性高。

2）若項(xiàng)目建設(shè)在既有建筑上，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)屋面預(yù)留荷載較富裕時(shí)，在確保主體結(jié)構(gòu)安全性有保障的情況下，優(yōu)先選擇配重式和壓重式支架基礎(chǔ)。此種支架基礎(chǔ)是工廠預(yù)制后運(yùn)抵光伏電站現(xiàn)場，施工吊裝及安裝較為方便，可以加快施工進(jìn)度；但這類支架基礎(chǔ)的荷載偏大[4]，對既有建筑主體結(jié)構(gòu)承載性能的要求較高，常需要進(jìn)行安全性復(fù)核，并易破壞原建筑屋面的保溫防水層，設(shè)計(jì)時(shí)需要采取一定的附加措施（例如：增設(shè)局部防水卷材），以保證建筑屋面面層功能的耐久性。

3）若項(xiàng)目建設(shè)在既有建筑上，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)屋面預(yù)留荷載偏低、屋面結(jié)構(gòu)梁布置間距較密時(shí)，可以采用后錨固式支架基礎(chǔ)。此種支架基礎(chǔ)產(chǎn)生的荷載較小，但其在施工中需要局部破壞或移除既有建筑屋面面層，暴露出結(jié)構(gòu)面層，在屋面結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)設(shè)置后錨固螺栓，對既有建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件有一定損傷，會(huì)一定程度降低屋面的使用耐久性，并且施工有一定難度，施工周期也較長[5]。

光伏組件安裝在光伏支架上，通過緊固件與檁條連接，檁條與若干榀的光伏支架連接，光伏荷載（包括光伏發(fā)電系統(tǒng)荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、檢修運(yùn)維荷載等施加到光伏支架上的荷載）通過支架基礎(chǔ)傳遞給主體結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件[6]。以“配重式支架基礎(chǔ)+光伏組件豎向安裝（下文簡稱為“豎向組件”）+2行”布置為例，其光伏支架結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖如圖1所示。

1.2" 光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全性是各項(xiàng)工作順利開展的前提。光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作流程如圖2所示。

光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以現(xiàn)行國家規(guī)范和規(guī)程（例如：NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[7]、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]等）為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算內(nèi)容包括光伏支架本身承載力計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算，以及支架基礎(chǔ)的抗滑移、抗傾覆及抗浮驗(yàn)算，然后匯總計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2" 光伏支架的影響因素分析

本文所選屋面分布式光伏電站位于北京市區(qū)內(nèi)某棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的辦公樓屋面，該辦公樓的建筑高度為15 m，屋面形式為鋼筋混凝土現(xiàn)澆屋面，建造時(shí)間為2006年。下文主要研究光伏支架采用不同設(shè)置條件時(shí)的受力結(jié)果，該結(jié)果主要包括光伏支架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比和最大位移兩個(gè)部分，并通過對比分析總結(jié)光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)。

該屋面分布式光伏電站中，光伏支架上的橫向1行光伏組件為1個(gè)陣列，每個(gè)陣列均為10塊光伏組件；采用的光伏組件峰值功率為545 W，尺寸（長×寬×厚）為2278 mm×1134 mm×35 mm，單塊重量為28.6 kg；所有光伏組件均采用豎向安裝的方式。

為使各組算例的計(jì)算結(jié)果具有可比性，本文對光伏支架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的材質(zhì)和規(guī)格進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)置，具體為：1）光伏支架材質(zhì)為Q235B鋼材（進(jìn)行熱浸鍍鋅處理）；2）支架基礎(chǔ)均采用配重式支架基礎(chǔ)；3）立柱采用U型鋼，截面尺寸為41.30 mm×72.00 mm×7.50 mm×2.75 mm；4）斜梁采用U型鋼，截面尺寸為41.3 mm×82.0 mm×15.0 mm×2.5 mm；5）斜撐采用U型鋼，截面尺寸為41.3 mm×41.3 mm×7.5 mm×2.0 mm；6）檁條采用U型鋼，截面尺寸為41.3 mm×82.0 mm×15.0 mm×2.5 mm。

2.1" 陣列排布方式

由于受光照及建筑屋面使用功能的影響，屋面區(qū)域內(nèi)可以利用太陽能的范圍經(jīng)常受到限制，因此，同一光伏支架上的光伏組件通常以豎向單行（即單陣列）和豎向多行（即多陣列）的方式排布。

將光伏支架傾角統(tǒng)一設(shè)置為15°，陣列排布方式分別采用“豎向組件1行×10列”“豎向組件2行×10列”“豎向組件3行×10列”“豎向組件4行×10列”（其光伏組件布置示意圖見圖3），對比不同陣列排布方式對光伏支架受力的影響。不同陣列排布方式的光伏支架側(cè)面示意圖如圖4所示，不同陣列排布方式下光伏支架結(jié)構(gòu)各部件受力情況的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，繪制出不同陣列排布方式下光伏支架的承載力對比曲線，如圖5所示。

從表1和圖5可以看出：在“豎向組件1行× 10列”陣列排布方式下，光伏支架立柱的應(yīng)力比最大；在“豎向組件2行×10列”陣列排布方式下，斜梁的應(yīng)力比最大；不同陣列排布方式下檁條和斜撐的應(yīng)力比有所變化，但相差不大。隨著陣列數(shù)量（即光伏組件行數(shù)）的增加，光伏支架的承載力呈線性增加。在“豎向組件1行×10列”與“豎向組件2行×10列”陣列排布方式下光伏支架的承載力相差不大，主要原因是“豎向組件1行×10列”陣列排布方式時(shí)光伏支架材料的應(yīng)力富余量較大，而“豎向組件2行×10列”陣列排布方式雖然多出1行立柱，但光伏支架材料的應(yīng)力富余量與“豎向組件1行×10列”陣列排布方式相比較少。

綜上可知，在同樣材料、規(guī)格光伏支架情況下，陣列排布方式采用“豎向組件1行×10列”和“豎向組件2行×10列”時(shí)光伏支架的承載力相差不大；但考慮到相鄰光伏支架間均需設(shè)置檢修通道，因此“豎向組件2行×10列”陣列排布方式所占屋面區(qū)域更少，更為合理。

2.2" 相鄰立柱間距

在既有建筑屋面上建設(shè)分布式光伏電站，光伏支架作為光伏組件與屋面之間力的傳遞紐帶，將光伏荷載順利傳遞給既有結(jié)構(gòu)。因此，光伏支架立柱的位置受屋面結(jié)構(gòu)安全性的限制，設(shè)計(jì)時(shí)需按現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，需要考慮同一榀光伏支架中不同的相鄰立柱間距對光伏支架受力的影響。

將光伏支架傾角統(tǒng)一設(shè)置為15°，陣列排布方式采用“豎向組件2行×10列”；每榀光伏支架對應(yīng)設(shè)置3根立柱，相鄰立柱間距的變化范圍設(shè)置為1000～1900 mm，以100 mm為變化梯度，計(jì)算不同相鄰立柱間距下光伏支架結(jié)構(gòu)各部件的受力情況，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，繪制出不同相鄰立柱間距下光伏支架的承載力對比曲線，如圖6所示。

從表2和圖6可以看出：當(dāng)光伏支架相鄰立柱間距為1000 mm時(shí)，斜梁的懸挑部分在所有模型中最長，此時(shí)其應(yīng)力比最大，且位移最大。相鄰立柱間距在1000～1900 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，斜撐的應(yīng)力比呈現(xiàn)增大的趨勢，立柱、檁條的應(yīng)力比基本一致。當(dāng)相鄰立柱間距為1500 mm時(shí)，光伏支架的承載力最大，此間距為光伏組件長邊水平投影長度的65%左右；隨著相鄰立柱間距由此距離逐漸減少，光伏支架承載力曲線下降的幅度較陡；隨著相鄰立柱間距由此距離逐漸增大，光伏支架承載力曲線下降的幅度較緩。

綜合分析得出，當(dāng)相鄰立柱間距取值在光伏組件長邊水平投影長度的60%～70%范圍內(nèi)時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)。

2.3" 檁條間距

檁條位于光伏組件和光伏支架斜梁之間，為保證檁條與光伏組件緊密連接，每塊光伏組件下均應(yīng)設(shè)置不少于4個(gè)緊固件，將光伏組件與檁條連接固定。檁條的間距影響著緊固件的設(shè)置位置，因此需要考慮不同檁條距離對光伏支架受力的影響。

將光伏支架傾角統(tǒng)一設(shè)置為15°，陣列排布方式采用“豎向組件2行×10列”；檁條間距的變化范圍設(shè)置為600～1800 mm，以200 mm為變化梯度，計(jì)算不同檁條間距下光伏支架結(jié)構(gòu)各部件的受力情況，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，繪制出不同檁條間距下光伏支架的承載力對比曲線，如圖7所示。

從表3和圖7可以看出：檁條間距會(huì)直接影響光伏支架斜梁的應(yīng)力，當(dāng)檁條間距為600 mm時(shí)，由于檁條所傳遞的集中荷載均傳遞至斜梁的中部區(qū)域，導(dǎo)致此時(shí)斜梁的應(yīng)力比最大，且位移最大。隨著檁條間距逐漸增大，斜梁的應(yīng)力比逐漸下降，檁條的應(yīng)力比呈現(xiàn)增大的趨勢，立柱、斜撐的應(yīng)力比和位移基本一致。位于光伏支架頂部的檁條設(shè)置時(shí)需要考慮光伏組件的布置情況，每塊常規(guī)尺寸的光伏組件需要設(shè)置4個(gè)緊固件與檁條相連接。檁條間距在600～1000 mm范圍內(nèi)時(shí)，光伏支架的承載力變化不大，相對處于同一平臺(tái)；當(dāng)檁條間距超過1000 mm時(shí)，對應(yīng)光伏組件長邊水平投影長度的45%左右，光伏支架的承載力明顯增大。

一般情況下，緊固件與光伏組件邊緣懸挑段的距離不能過小，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出較為合適的距離在300～450 mm之間，相對于本工程中檁條間距為1600 mm時(shí)光伏支架結(jié)構(gòu)各部件的受力結(jié)果，對應(yīng)光伏組件長邊水平投影長度的70%，不僅可以保證光伏組件自身的剛度和較大承載力，且方便施工時(shí)的安裝操作。

2.4" 斜撐支撐點(diǎn)位置

光伏支架設(shè)置斜撐，可增加整體光伏支架的多余約束，保證其水平荷載順利傳遞至支架基礎(chǔ)。斜撐在斜梁上不同的支撐點(diǎn)位置通常會(huì)影響光伏支架的受力特性。

將光伏支架傾角統(tǒng)一設(shè)置為15°，陣列排布方式采用“豎向組件2行×10列”。以斜梁高側(cè)端點(diǎn)為起始點(diǎn)，斜撐支撐點(diǎn)位置即為斜撐支撐點(diǎn)距斜梁高側(cè)端點(diǎn)的距離，其變化范圍設(shè)置為0～2029 mm（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離為2029 mm），以200 mm為變化梯度。其中，0 mm代表不設(shè)置斜撐的情況；因?yàn)?000 mm與2029 mm相差過小，因此以2029 mm作為滿節(jié)點(diǎn)設(shè)置斜撐的情況（即斜撐上下連接到斜梁節(jié)點(diǎn)位置）。計(jì)算不同斜撐支撐點(diǎn)位置下光伏支架結(jié)構(gòu)各部件的受力情況，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，繪制出不同斜撐支撐點(diǎn)位置下光伏支架的承載力對比曲線，如圖8所示。

從表4和圖8可以看出：斜撐支撐點(diǎn)位置對光伏支架的立柱和斜梁的受力影響較為顯著。當(dāng)光伏支架不設(shè)置斜撐時(shí)，斜梁的應(yīng)力比最大，且光伏支架承載力最低。當(dāng)斜撐支撐點(diǎn)位置為800 mm（即占整個(gè)斜梁長度的40%）時(shí)，光伏支架的承載力達(dá)到峰值；然后隨著斜撐支撐點(diǎn)位置逐漸遠(yuǎn)離斜梁高側(cè)端點(diǎn)，光伏支架的承載力逐漸減??；但當(dāng)斜撐支撐點(diǎn)位置在斜梁低側(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，光伏支架的承載力仍大于不設(shè)置斜撐時(shí)的承載力。因此，可以認(rèn)為光伏支架設(shè)置斜撐能提升其整體穩(wěn)定性和承載力。

一般情況下，光伏支架設(shè)置有一定的傾角，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，在斜撐支撐點(diǎn)位置與斜梁高側(cè)端點(diǎn)的距離占整個(gè)斜梁長度35%～60%的條件下，光伏支架的承載力較高。

2.5" 光伏支架傾角

光伏支架傾角通常與光伏組件安裝傾角一致，其值的選擇需要綜合考慮項(xiàng)目所在地的大地緯度和太陽輻射量、所處屋面的坡度、光伏組件裝機(jī)容量，以及相鄰兩個(gè)光伏支架間前一個(gè)光伏支架中的最后1行光伏組件對后一個(gè)光伏支架中的第1行光伏組件造成的陰影遮擋等因素的影響。在這些因素中，光伏組件裝機(jī)容量通常是首位考慮因素，但是隨著光伏支架傾角的遞增，光伏支架結(jié)構(gòu)中高側(cè)的標(biāo)高會(huì)相應(yīng)增大，通過支架基礎(chǔ)傳遞到既有結(jié)構(gòu)屋面的光伏附加荷載也會(huì)相應(yīng)增加，不利于運(yùn)維操作，此時(shí)光伏支架傾角的選擇需要考慮的主要因素是既有結(jié)構(gòu)屋面承載的安全性因素。

光伏支架的陣列排布方式采用“豎向組件2行×10列”，光伏支架傾角的變化范圍設(shè)置為0°～45°，以5°為變化梯度，計(jì)算不同光伏支架傾角下光伏支架結(jié)構(gòu)各部件的受力情況，結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，繪制出不同光伏支架傾角下光伏支架的承載力對比曲線，如圖9所示。

從表5和圖9可以看出：在不同光伏支架傾角下，光伏支架承載力的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當(dāng)光伏支架傾角為0?時(shí)，光伏支架的承載力并未達(dá)到最低，然后隨著光伏支架傾角的增大，光伏支架的承載力逐漸減??；當(dāng)光伏支架傾角達(dá)到15?時(shí)，光伏支架的承載力為最低；當(dāng)光伏支架傾角超過15?且逐漸增大時(shí)，光伏支架的承載力也隨之增大；當(dāng)光伏支架傾角達(dá)到40?時(shí)，光伏支架的承載力達(dá)到最大；隨后當(dāng)光伏支架傾角繼續(xù)增大，光伏支架的承載力隨之降低。

但由于光伏支架傾角過大會(huì)增加配重式支架基礎(chǔ)的尺寸，對既有結(jié)構(gòu)屋面的安全性有較大影響，因此對于采用配重式支架基礎(chǔ)的情況而言，通常以犧牲光伏支架承載力為前提，采用小角度的光伏支架傾角。綜合分析后，光伏支架傾角選擇5°～20°，以減少作用于既有結(jié)構(gòu)屋面的光伏附加荷載，來確保光伏支架主體結(jié)構(gòu)的安全性。

2.6" 相鄰光伏支架間距

在既有建筑屋面上建設(shè)分布式光伏電站時(shí)，與相鄰立柱間距一樣，相鄰光伏支架間距（即相鄰兩榀光伏支架之間的距離）同樣受屋面結(jié)構(gòu)安全性的限制，其示意圖如圖10所示，因此需要考慮不同的相鄰光伏支架間距對光伏支架受力的影響。

將光伏支架傾角統(tǒng)一設(shè)置為15°，陣列排布方式采用“豎向組件2行×10列”。由于每個(gè)陣列的光伏組件數(shù)量相同，因此當(dāng)相鄰光伏支架間距變化時(shí)，光伏支架所包含的榀數(shù)不同，每榀所承擔(dān)的光伏組件塊數(shù)也不同。相鄰光伏支架間距的變化范圍設(shè)置為1500～3500 mm，以250 mm為變化梯度，計(jì)算不同相鄰光伏支架間距下光伏支架結(jié)構(gòu)各部件的受力情況，結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6的計(jì)算結(jié)果，繪制出不同相鄰光伏支架間距下光伏支架的承載力對比曲線，如圖11所示。

從表6和圖11可以看出：相鄰光伏支架間距對光伏支架承載力的影響較為顯著。相同陣列排布方式的情況下，隨著相鄰光伏支架間距逐漸變小，光伏支架結(jié)構(gòu)的榀數(shù)逐漸增多，光伏支架承載力也逐漸增大；當(dāng)相鄰光伏支架間距為1500 mm時(shí)，光伏支架的立柱、斜梁和檁條的應(yīng)力比最小，且位移也相對較小，而此時(shí)光伏支架的承載力達(dá)到最大值。

從圖11還可以看出：光伏支架承載力曲線下降趨勢出現(xiàn)兩處平臺(tái)段。第1處平臺(tái)段是在相鄰光伏支架間距大約為1750～2250 mm時(shí)，即為光伏組件短邊長度的150%～200%，此時(shí)每榀光伏支架承擔(dān)約1.5～2.0塊光伏組件；第2處平臺(tái)段是在相鄰光伏支架間距大約為2500～3000 mm時(shí)，即為光伏組件短邊長度的220%～260%，此時(shí)每榀光伏支架承擔(dān)2.2～2.7塊光伏組件。另外，相鄰光伏支架間距過大會(huì)導(dǎo)致材料用鋼量的加大，影響屋面分布式光伏電站的投資建設(shè)成本。

綜合考慮，認(rèn)為相鄰光伏支架間距位于第1處平臺(tái)（即為光伏組件短邊長度的150%～200%）時(shí)，每榀光伏支架承擔(dān)約1.5～2.0塊光伏組件，對應(yīng)的光伏支架可以得到較高的承載力，且安全性、經(jīng)濟(jì)性較好。

3" 結(jié)論

本文針對建設(shè)在鋼筋混凝土屋面上方的多陣列屋面分布式光伏電站，對其光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干因素對光伏支架承載力的影響進(jìn)行了分析研究，并總結(jié)了規(guī)律。在采用同樣材料、規(guī)格光伏支架的前提下，陣列排布方式、相鄰立柱間距、檁條間距、斜撐支撐點(diǎn)位置、光伏支架傾角、相鄰光伏支架間距這6種影響因素對光伏支架的承載力均存在具有一定規(guī)律的影響，具體結(jié)論為：

1）陣列排布方式的影響。同樣列數(shù)的情況下，光伏支架的陣列排布方式采用“豎向組件1行”與“豎向組件2行”時(shí)的承載力基本一致；隨著陣列數(shù)量的逐漸增加，光伏支架的承載力呈線性增大。若屋面可利用區(qū)域允許，光伏支架優(yōu)先采用多陣列排布方式。若僅適用“豎向組件1行”和“豎向組件2行”的陣列排布方式，優(yōu)先選用“豎向組件2行”的陣列排布方式，此時(shí)對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)且排布更為合理。

2）相鄰立柱間距的影響。光伏支架相鄰立柱間距不宜過大或過小，當(dāng)相鄰立柱間距為光伏組件長邊水平投影長度的65%左右時(shí)，所得光伏支架的承載力最大。光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)，相鄰立柱間距設(shè)置在光伏組件長邊水平投影長度的60%～70%范圍內(nèi)時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)。

3）檁條間距的影響。每塊常規(guī)尺寸的光伏組件均需要設(shè)置4個(gè)緊固件與檁條相連接。隨著檁條間距增大，光伏支架的承載力呈線性增大。檁條間距設(shè)置為光伏組件長邊水平投影長度的70%左右，緊固件與光伏組件邊緣懸挑段的距離可控制在300～450 mm范圍內(nèi)，此時(shí)可以保證光伏組件自身的剛度和較大的承載力，且方便施工時(shí)的安裝操作。

4）斜撐支撐點(diǎn)位置的影響。光伏支架斜梁下設(shè)置斜撐可以有效提高光伏支架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并提高其承載力，對光伏支架立柱和斜梁的影響較為顯著。當(dāng)斜撐支撐點(diǎn)位置與斜梁高側(cè)端點(diǎn)的距離為整個(gè)斜梁長度的35%～60%時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)。

5）光伏支架傾角的影響。當(dāng)光伏支架傾角為15°時(shí)，光伏支架的承載力最低；當(dāng)光伏支架傾角達(dá)到40°時(shí)，光伏支架的承載力達(dá)到最大。但光伏支架傾角過大會(huì)增加配重式支架基礎(chǔ)的尺寸，對屋面結(jié)構(gòu)的安全性有較大影響，因此對于采用配重式支架基礎(chǔ)的情況而言，通常以犧牲光伏支架承載力為前提，采用5°～20°的小角度光伏支架傾角，以減少產(chǎn)生的光伏附加荷載，來確保光伏支架主體結(jié)構(gòu)的安全性。

6）相鄰光伏支架間距的影響。相鄰光伏支架間距對光伏支架承載力的影響較為顯著。當(dāng)相鄰光伏支架間距采用光伏組件短邊長度的150%～200%，即每榀光伏支架承擔(dān)約1.5～2.0塊光伏組件時(shí)，對應(yīng)的光伏支架承載力性能較優(yōu)，且經(jīng)濟(jì)性較好。

需要說明的是，在光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還存在其他影響因素，例如：屋面類型、光伏組件安裝方向、多層檁條布置、緊固件位置等，但光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以主體房屋結(jié)構(gòu)和光伏支架結(jié)構(gòu)的安全性作為首要前提，并且應(yīng)考慮光伏支架被破壞后相應(yīng)的防墜落措施。本研究所得結(jié)論適用于采用豎向光伏組件排布的多陣列屋面分布式光伏電站的光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為后續(xù)此類設(shè)計(jì)提供參考。

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ANALYSIS AND RESEARCH ON PV BRACKET STRUCTURE IN MULTI-ARRAY ROOF DISTRIBUTED PV POWER STATION

Zheng Yu1，Gong Zheng1，Yan Dong2，Wang Feng3

（1. Architectural Design amp; Research Institute of Tsinghua University Co.，Ltd.，Beijing 100084，China；

2. China Energy Envision （Hainan） Integrated Intelligence Energy Co.，Ltd.，Beijing 100007，China；

3. Beijing Shougang International Engineering Technology Co.，Ltd.，Beijing 100026，China）

Abstract：This paper focuses on the multi-array roof distributed PV power station built above the reinforced concrete roof，taking several influencing factors in the PV bracket structure design as the research object，starting from the structure composition and design process of the PV bracket，combined with the stress characteristics and modes，studies the influence of array arrangement，distance between adjacent columns，purlin spacing，support point positions of slant support，inclination angles of PV brackets，distance between adjacent PV brackets on the bearing capacity of the PV bracket. The research results show that，under the premise of using the same materials and specifications of PV brackets，these six influencing factors have a certain regularity on the bearing capacity of PV brackets. 1） In the case of the same number of columns，the \"vertical module two rows\" array layout is preferred，and corresponding PV bracket has better bearing capacity performance and more reasonable arrangement. 2） When the distance between adjacent columns is set within the range of 60%～70% of the horizontal projection length of the long side of the PV module，the corresponding bearing capacity performance of the PV bracket is better. 3） When the spacing between purlins is set to about 70% of the horizontal projection length of the long side of the PV module，it can ensure the rigidity and greater bearing capacity of the PV module itself，and facilitate the installation and operation during construction. 4） When the distance between the support point positions of slant support and the high end point of the inclined beam is 35%～60% of the entire length of the inclined beam，the corresponding PV bracket has better bearing capacity performance. 5） When using a counterweight bracket foundation，the inclination angle of PV bracket is usually a small angle of 5°～20° to reduce the additional PV load generated and ensure the safety of the main structure of the PV bracket. 6） When the distance between adjacent PV brackets is 150%～200% of the short side length of the PV module （i.e. each PV bracket bears about 1.5～2.0 PV modules），the corresponding PV bracket has better bearing capacity performance and better economy. The conclusions and patterns obtained can provide reference for the design of PV bracket structures in future multi-array roof distributed PV power stations.

Keywords：roof distributed PV power station；multi-array；PV bracket structure；column；inclined beam；purlin；bearing capacity