管 8 太阳能 No.8 Toal No.364 2024年8月 SOLAR ENERGY Aeg. 2024 DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20230417.02 文章编号：1003-0417(2024)08-66-12 多阵列屋面分布式光伏电站中光伏支架 结构的分析研究 郑宇"，龚政，闫冬²，王峰3 （1.清华大学建筑设计研究院有限公司，北京100084：2.国能远景（海南）综合智慧能源有限公司，北京100007： 3.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100026) 摘要：针对建设在钢肠混凝土屋面上方的多阵列屋面分布式光伏电站，以其光伏支繁结构设计中的若干影 响因素为研究对象，从光伏支架的结构组成及设计流程出发，结合其受力特点和方式，研究阵列排布方式、 相邻立柱间距、橡条间距、斜撑支撑点位置、光伏支架倾角、相邻光伏支架间距这6种因素对光伏支架承载 力的影响.
研究结果表明：在采用同样材料、规格光伏支架的前提下，这6种影响因素对光伏支架的承载力 均存在具有一定规律的影响.
1)同样列数的情况下，优先选用“竖向组件2行”的阵列排布方式，对应的光 伏支架承载力性能较优且排布更为合理：2)相邻立柱间距设置在光伏组件长边水平投影长度的60%～70%范 围内时，对应的光伏支架承载力性能较优：3）条间距设置为光伏组件长边水平投影长度的70%左右时，可 以保证光伏组件自身的刚度和较大的承载力，且方便施工时的安装操作：4)当斜撑支撑点位置与斜梁高侧端 点的距离为整个斜梁长度的35%～60%时，对应的光伏支架承载力性能较优：5）当采用配重式支架基础时， 光伏支架倾角通常采用5～20”的小角度，以减少产生的光伏附加荷载，从面确保光伏支架主体结构的安全性6) 当相邻光伏支架间距采用光伏组件短边长度的150%～200%（即每程光伏支架承担的1.5-2.0块光伏组件）时， 对应的光伏支架承载力性能较优，且经济性较好.
所得结论和规律可为后续多阵列屋面分布式光伏电站的光 伏支架结构设计提供参考.
关键词：屋面分布式光伏电站：多阵列：光伏支架结构：立柱：斜梁：条：承载力 中图分类号：TM615 文献标惠码：A 0引言 响因素为研究对象，分析研究阵列排布方式、相 目前，国家大力推行2030年碳达峰和2060 邻立柱间距、棕条间距、斜撑支撑点位置、光伏 年碳中和的“双碳”减排政策，包括太阳能在内 支架倾角、相邻光伏支架间距对光伏支架承载力 的新能源领域属于政策最有力的响应部分.
如何 的影响，并总结规律，以期在大规模推广屋面分 有效利用太阳能资源，且不占用过多的地面资源 布式光伏电站的背景下，为光伏支架结构设计提 成为当前研究的热点间题".
在既有建筑物屋面 供经验和参考.
设置分布式光伏电站成为有效的解决途径，其中， 光伏组件采用多阵列的布置形式（同一光伏支架 1光伏支架的结构组成及设计流程 上横向1行的光伏组件为1个阵列）可以更有效 1.1光伏支架的结构组成 的利用屋面有限的空间资源.
基于此，本文针 光伏组件是直接接收太阳辐射，将太阳能转 对设置在钢筋混凝土屋面上方的多阵列屋面分布 换为电能的关键部件，根据材料不同可分为非品 式光伏电站，以其光伏支架结构设计中的若干影 硅光伏组件、单品硅光伏组件和多晶硅光伏组件.
收稿日期：2023-04-17 通信作者：郑字（1985一），男，硕土、高级工程师，主要从事结构动力分析.
新能源结构设计方面的工作.
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第8期 郑宇等：多阵列屋面分布式光伏电站中光伏支架结构的分析研究 学术研究 对于屋面分布式光伏电站的光伏支架结构而 既有建筑屋面面层，暴露出结构面层，在屋面 言，其包括光伏支架和光伏支架的基础（即支架 结构构件内设置后锚固螺栓，对既有建筑的结 基础）两个部分.
光伏支架由橡条、斜梁、立柱、 构构件有一定损伤，会一定程度降低屋面的使 斜撑及相关连接附件组成.
根据构件的材质，光 用耐久性，并且施工有一定难度，施工周期也 伏支架可以分为普通碳素结构钢材、不锈钢和铝 较长.
合金光伏支架，其中，普通碳素结构钢材和铝合 光伏组件安装在光伏支架上，通过紧固件与 金光伏支架的应用较为广泛.
两种材料各有优缺 条连接，棕条与若干福的光伏支架连接，光伏 点，普通碳素结构钢材的受力性能好、价格较便 荷载（包括光伏发电系统荷载、风荷载、雪荷载、 宜、市场采购方便，但是其自重较大、耐腐蚀性 检修运维荷载等施加到光伏支架上的荷载）通过 较差，需要进行热浸镀锌处理：铝合金的自重较 支架基础传递给主体结构的受力构件.
以“配 轻、耐腐蚀性较好，但是其受力性能不如普通碳 重式支架基础光伏组件竖向安装（下文简称为 素结构钢材，且价格偏高.
“竖向组件”）2行”布置为例，其光伏支架结 对于钢筋混凝土屋面结构，根据形式不同， 构侧面示意图如图1所示.
棉条问距 条间距 支架基础可以分为光伏建筑一体化（BIPV）式、 光伏银件 配重式、压重式和后锚固式，具体采用何种支架 光快细件 基础形式需结合项目的实际条件进行选择.
高侧 低侧 9 1)若项目建设在新建建筑上，在有条件的情 支撑距高 基础 况下优先采用BIPV式支架基础.
此种支架基础 能最大限度地满足屋面布设分布式光伏电站的需 屋面建筑面层 沙钢范湿凝土现浇屋直结构惠 要，保证结构安全性，支架基础与屋面结构一体 立柱间距 立柱间距 浇筑成型，防水保温性能好，耐久性高.
图1“配重式支架基础竖向组件2行”布置的 2)若项目建设在既有建筑上，当主体结构屋 光伏支架结构侧面示意图 Fig. 1 Side schematic diagram of PV bracket structure 面预留荷载较富裕时，在确保主体结构安全性有 uogg saoeq mo u pu 保障的情况下，优先选择配重式和压重式支架基 vertical installation of PV modules 2 rows*a 础.
此种支架基础是工厂预制后运抵光伏电站现 1.2光伏支架的结构设计流程 场，施工吊装及安装较为方便，可以加快施工进 在光伏支架的结构设计中，安全性是各项工 度：但这类支架基础的荷载偏大"，对既有建筑 作顺利开展的前提.
光伏支架结构设计的工作流 主体结构承载性能的要求较高，常需要进行安全 程如图2所示.
性复核，并易破坏原建筑屋面的保温防水层，设 光伏支架结构设计以现行国家规范和规程 计时需要采取一定的附加措施（例如：增设局部 （例如：NB/T10115-2018《光伏支架结构设计 防水卷材），以保证建筑屋面面层功能的耐久性.
规程》、GB50009-2012《建筑结构荷载规范》 3）若项目建设在既有建筑上，当主体结构屋 等）为依据进行计算分析，计算内容包括光伏支 面预留荷载偏低、屋面结构梁布置间距较密时， 架本身承载力计算和稳定性验算，以及支架基础 可以采用后锚固式支架基础.
此种支架基础产生 的抗滑移、抗倾覆及抗浮验算，然后汇总计算结 的荷载较小，但其在施工中需要局部破坏或移除 果进行分析.
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学术研究 太阳能 2024年 设计任务书 取得设计资料 确定光快支架类型 项目结束 结构安全性初判 项目继续进行 初判通过 初判末通过 复核或鉴定未通过 原结构加固 原设计院复核或第三方进行检测鉴定 复核或基定通过 进入光快支架结构设计阶限 图2光伏支架结构设计的工作流程图 Fig. 2 Workflow diagram for structural design of PV brackets 2光伏支架的影响因素分析 2.1阵列排布方式 本文所选屋面分布式光伏电站位于北京市区 由于受光照及建筑屋面使用功能的影响，屋 内某栋钢筋混凝土框架结构的办公楼屋面，该办 面区域内可以利用太阳能的范围经常受到限制， 公楼的建筑高度为15m，屋面形式为钢筋混凝 因此，同一光伏支架上的光伏组件通常以竖向单 土现浇屋面，建造时间为2006年.
下文主要研 行（即单阵列）和竖向多行（即多阵列）的方式 究光伏支架采用不同设置条件时的受力结果，该 排布.
结果主要包括光伏支架结构的最大应力比和最大 将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布 位移两个部分，并通过对比分析总结光伏支架结 方式分别采用“竖向组件1行×10列”“竖向组 构设计的规律和经验.
件2行×10列”“竖向组件3行×10列”“竖向组 该屋面分布式光伏电站中，光伏支架上的横 件4行x10列”（其光伏组件布置示意图见图3）， 向1行光伏组件为1个阵列，每个阵列均为10 对比不同阵列排布方式对光伏支架受力的影响.
块光伏组件：采用的光伏组件峰值功率为545W，尺 不同阵列排布方式的光伏支架侧面示意图如图4 寸（长×宽×厚）为2278mm×1134mm×35mm， 所示，不同阵列排布方式下光伏支架结构各部件 单块重量为28.6kg：光伏组件均采用竖向 受力情况的计算结果如表1所示.
安装的方式.
为使各组算例的计算结果具有可比性，本 % 文对光伏支架结构各构件的材质和规格进行了 统一设置，具体为：1)光伏支架材质为Q235B 钢材（进行热浸镀锌处理）：2）支架基础均采用 配重式支架基础：3)立柱采用U型钢，截面尺 寸为 41.30 mm×72.00 mm×7.50 mm×2.75mm; 4)斜梁采用U型钢，截面尺寸为41.3mmx82.0 mm×15.0mm×2.5mm：5）斜撑采用U型钢，截 面尺寸为41.3mm×41.3mm×7.5mm×2.0mm; 图3“竖向组件4行×10列”排布方式时的 光伏组件布置示意图 6)条采用U型钢，截面尺寸为41.3mmx82.0 Fig. 3 Schematic diagram of PV module layout in the mm×15.0 mm×2.5 mm. "vertical module 4 rowsx10 columns* arrangement 中国知网
第8期 郑宇等：多阵列屋面分布式光伏电站中光伏支架结构的分析研究 学术研究 a.竖向组件1行×10列 b.竖向组件2行×10列 c.盗向组件3行×10列 4.向组件4行×10列 图4不同阵列排布方式的光伏支架侧面示意图 Fig. 4 Side schematic diagram of PV brackets with diferent array arrangements 表1不同阵列排布方式下光伏支架结构各部件受力情况的计算结果 Table 1 Calculation results of stress on various ponents of PV bracket structures under different array arangements 最大应力比 最大位移/mm 序号 阵列排布方式 立柱 斜梁 条 斜撑 立柱 斜梁 棕条 1 竖向组件1行×10列 0.36 0.40 0.68 0.23 60°0 0.35 0.59 2 竖向组件2行×10列 0.24 0.78 0.59 0.17 0.08 0.59 0.86 3 竖向组件3行×10列 0.27 0.70 0.60 0.21 0.12 0.62 0.78 4 竖向组件4行×10列 0.25 0.72 0.60 0.26 90°0 0.71 0.85 根据表1的计算结果，绘制出不同阵列排布 4500 方式下光伏支架的承载力对比曲线，如图5所示.
4000 从表1和图5可以看出：在“竖向组件1行× 3500 NX 10列”阵列排布方式下，光伏支架立柱的应力 3000 比最大：在“竖向组件2行×10列”阵列排布方 2500 式下，斜梁的应力比最大：不同阵列排布方式下 光伏 2000 棕条和斜撑的应力比有所变化，但相差不大.
随 1500 着阵列数量（即光伏组件行数）的增加，光伏支 1000 架的承载力呈线性增加.
在“竖向组件1行x10列” 1 2 光伏短件行数/行 与“竖向组件2行×10列”阵列排布方式下光伏 图5不同阵列排布方式下光伏支架的承载力对比曲线 支架的承载力相差不大，主要原因是“竖向组件 Fig. 5 Comparison curves of load-bearing capacity of 1行x10列”阵列排布方式时光伏支架材料的应 sususe rue ugp pun saoeq Ad 69 中国知网
学术研究 太阳能 2024年 力富余量较大，而“竖向组件2行×10列”阵列 伏支架作为光伏组件与屋面之间力的传递纽带， 排布方式虽然多出1行立柱，但光伏支架材料的 将光伏荷载顺利传递给既有结构.
因此，光伏支 应力富余量与“竖向组件1行×10列”阵列排布 架立柱的位置受屋面结构安全性的限制，设计时 方式相比较少.
需按现场实际条件进行相应的调整，需要考虑同 综上可知，在同样材料、规格光伏支架情况下， 一棍光伏支架中不同的相邻立柱间距对光伏支架 阵列排布方式采用“竖向组件1行x10列”和“竖向 受力的影响.
组件2行x10列”时光伏支架的承载力相差不大： 将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布 但考虑到相邻光伏支架间均需设置检修通道，因此 方式采用“竖向组件2行x10列”：每福光伏支 “竖向组件2行×10列”阵列排布方式所占屋面区 架对应设置3根立柱，相邻立柱间距的变化范围 域更少，更为合理.
设置为1000~1900mm，以100mm为变化梯度， 2.2相邻立柱间距 计算不同相邻立柱间距下光伏支架结构各部件的 在既有建筑屋面上建设分布式光伏电站，光 受力情况，结果如表2所示.
表2不同相邻立柱间距下光伏支架结构各部件受力情况的计算结果 Japn sengonujs expeq d jo squeuodoo snouea uo ssesjo snsau uoe ee different distance between adjacent columns 相邻立柱 最大应力比 最大位移/mm 序号 间距/mm 立柱 斜梁 条 斜撑 立柱 斜梁 条 1000 0.15 1.65 0.60 0.06 0.04 2.95 2.00 1100 0.14 1.33 0.60 0.06 0.04 2.44 1.15 3 1200 0.13 1.12 0.60 0.06 0.04 1.87 0.76 4 1300 0.15 160 0.60 0.05 0.03 1.33 0.75 5 1400 0.11 0.69 0.59 0.03 0.03 0.86 0.64 6 1500 0.16 0.46 0.59 0.07 0.03 0.40 0.82 7 1600 0.16 0.59 0.60 0.08 0.03 0.26 0.84 8 1700 0.15 0.67 0.60 0.09 0.02 0.34 0.85 9 1800 0.15 0.87 0.59 0.10 0.02 0.45 0.87 10 1900 0.15 1.01 0.57 0.10 0.02 0.55 0.88 根据表2的计算结果，绘制出不同相邻立柱 水平投影长度的65%左右：随着相邻立柱间距 间距下光伏支架的承载力对比曲线，如图6所示.
由此距离逐渐减少，光伏支架承载力曲线下降的 从表2和图6可以看出：当光伏支架相邻立 幅度较陡：随着相邻立柱间距由此距离逐渐增 柱间距为1000mm时，斜梁的悬挑部分在 大，光伏支架承载力曲线下降的幅度较缓.
模型中最长，此时其应力比最大，且位移最大.
综合分析得出，当相邻立柱间距取值在光伏 相邻立柱间距在1000~1900mm范围内变动时， 组件长边水平投影长度的60%～70%范围内时， 斜撑的应力比呈现增大的趋势，立柱、棕条的应 对应的光伏支架承载力性能较优.
力比基本一致.
当相邻立柱间距为1500mm时， 2.3条间距 光伏支架的承载力最大，此间距为光伏组件长边 条位于光伏组件和光伏支架斜梁之间，为 中国知网
