混凝土平屋面光伏支架强度及屋面承重计算

■ 买发军潘甲龙白荣丽（.特变电工新疆新能源股份有限公司；.中国船舶重工集团西安第七O五研究所海源测控技术有限公司）

混凝土平屋面光伏支架强度及屋面承重计算

■ 买发军1*潘甲龙1白荣丽2
（1.特变电工新疆新能源股份有限公司；2.中国船舶重工集团西安第七O五研究所海源测控技术有限公司）

结合泰安加华电力器材有限公司以利奥林6 MW分布式光伏电站项目，从混凝土屋顶支架强度计算、混凝土基础负重设计、屋面承重计算等方面展开论述，详细介绍了支架强度计算方法、混凝土基础负重设计及屋面承重校核方法。

光伏支架；支架强度；混凝土基础；屋面荷载

0　引言

光伏组件支架是固定光伏组件的重要部件，光伏支架的强度和支架基础负重设计是确保光伏电站可靠性的关键。风荷载对支架强度的影响主要有支架前面吹来（顺风）的风压及从支架后面吹来（逆风）的风压引起的材料的弯曲强度和弯曲量两个方面，混凝土屋顶支架设计及基础校核要充分考虑承重、抗风、抗雪压、抗震等因素的影响。

1　工程简介

1.1工程概况及建设规模

项目名称：泰安加华电力器材有限公司以利奥林6 MW分布式光伏电站项目。

工程地点：山东以利奥林电力科技有限公司厂区。

工程特征：分布式安装，以380 V/10 kV电压等级将分布式光伏电站［1］接入用户电网，就近消纳，余电上网。

建设规模：本期建设规模为6.291 MW，分别安装在铁芯材料表面处理车间、晶体处理车间、常化酸洗车间和制氢制氮车间屋顶。该厂区条件非常适合光伏电站的建设和利用，是国家级分布式光伏发电示范区。

1.2设计依据

组件尺寸为1640 mm×990 mm×50 mm；组件重量为20 kg；最大风速为30 m/s。安装方式：组件安装采用纵向2×10阵列安装，20块组件为一个单元；采用固定倾角钢支架，支架倾角为33°。

2　支架型材强度计算

2.1设计取值

1）假设为一般地方中最大的荷重，采用固定荷载G和暴风雨产生的风压荷载W的短期复合荷重。

2）根据气象资料，本计算最大风速设定为30 m/s。

3）对于混凝土屋面，采用最佳倾角33°安装的系统需要考虑足够的配重，确保组件方阵的稳定可靠。

4）屋面高度为10 m。

2.2承受荷载

2.2.1固定荷载G

以2×10阵列为一个单元进行计算，则光伏组件质量G1=20 kg×20=400 kg，因此C形轨道承载的固定荷载重量G=400×9.8=3920 N。

2.2.2风荷载W

根据《建筑结构荷载规范》［2］，垂直于建筑物表面的风荷载标准值的计算公式（按承重结构设计）为：

式中，Wk为风荷载标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数，取0.84；W0为基本风压，kN/m2，取0.2。

根据《建筑结构荷载规范》表7.4.3中脉动增大系数ξ为1.6，所以βz为1.6；根据表7.3.1，体型系数μs取0.83。

因此，Wk=1.6×0.83×0.84×0.2=0.223 kN/m2。

2.2.3雪荷载S

根据《建筑结构荷载规范》中的规定，屋面水平投影面上的雪荷载标准值计算式为：

式中，Sk为雪荷载标准值，kN/m2；μr为屋面积雪分布系数；S0为基本雪压，kN/m2。

根据《建筑结构荷载规范》表6.2.1，μr取0.2，S0取0.35 kN/m2。因此，Sk=0.2×0.35=0.07 kN/m2。2.2.4 地震荷载FEk

根据《建筑抗震设计规范》［3］，采用底部剪力法时，按下列公式确定：

式中，FEk为结构总水平地震作用标准值；1为水平地震影响系数值；Geq为结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值。

由于泰安市不处于我国地震带，根据《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2，查得Geq=0，所以FEk=0。

2.2.5荷载基本组合P

根据《建筑结构荷载规范》第3.2节荷载组合，计算式如下：

风压主导时 ：P=G+W+S （4）

式中，Wk=0.223 kN/m2；Sk=0.07 kN/m2；a为电池板长度，取1.64 m；b为电池板宽度，取0.99 m；n为一个光伏组件阵列的数量，取20。

所以，P=3.92+7.24+2.27=13.43 kN。

2.2.6C形轨道结构强度计算

以下进行C形轨道的验算：

图1　轨道受力示意图

材料弯曲应力为：

式中，q为施加在电池板上的均布荷载，N/m，由于系统由4排轨道支撑，每排轨道长10.2 m，则q=P/（4×10.2）=329.17 N/m；L为两个支点间跨距，取L=2.073 m；E为材料弹性模量，取E=6.9×105 N/cm2；IM为惯性矩，取IM=28 cm4。

根据《光伏发电站设计规范》表6.8.8，受弯构件允许的挠度值为L/250，即 （2.073×102） / 250=0.83 cm＞0.39 cm，所以安全。

3　屋面混凝土基础负重设计

混凝土屋面光伏支架方阵采用主次梁布置，电池板以33°倾角布置；本次计算以2×10阵列为一个单元进行计算，阵列布置简图见图2。

图2　光伏组件阵列布置简图（单位：mm）

基础校核如下：

荷载基本组合P为13.43 kN，即负荷为13.43 kN。单个基础的配重为1.6 kN，则基础总配重为1.6×10=16 kN。

本项目的基础总配置达到16 kN，大于负荷13.43 kN，满足安全性要求。

4　屋面承重计算

4.1屋面荷载质量

光伏组件质量G1=20×20=400 kg，支架总荷质量G2=136 kg，混凝土基础质量G3=160× 10=1600 kg。因此，总荷重G4=400+136+1600= 2136 kg。

4.2屋顶单位面积受力

组件安装面积为10.125×2.973=30.1 m2；屋顶单位面积受力为2136/30.1=70.96 kg/m2=0.80 kN/ m2。

由于本项目建筑均为上人屋面，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》设计，混凝土屋面设计载荷为2 kN/ m2，屋顶平均载荷为0.80 kN/m2，安装太阳能方阵后的载荷远小于设计载荷，所以屋面承重安全。

5　结束语

随着光伏电站的大规模应用，太阳能光伏发电成为电力系统中不可或缺的电力来源之一。本文结合泰安加华电力器材有限公司以利奥林6 MW分布式光伏电站项目，从满足抗风荷载、抗雪压、抗地震荷载等方面进行论述，对混凝土屋顶光伏支架强度、支架基础负重及屋面承受荷载进行校核计算，为光伏电站可靠、安全、稳定的运行提供了理论依据。

［1］ GB 50797-2012，光伏发电站设计规范［S］.

［2］ GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

2015-11-13

买发军（1987—），男，本科，主要从事光伏系统集成的设计与研究。maifajun3410@163.com