太陽能光伏組件與金屬屋面系統(tǒng)連接設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

種文軍

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

伴隨新能源在近些年的不斷發(fā)展，光伏建筑的一體化建設(shè)水平也在不斷提高，這使得太陽能光伏建筑的一體化建設(shè)，也成為未來一段時(shí)間內(nèi)，光伏應(yīng)用的一個(gè)重要的領(lǐng)域。就光伏發(fā)電與建筑物的集成化建設(shè)來講，其指的主要是將他樣能電池的組件安裝到建筑物屋頂上，借助引出端的作用，通過逆變器和控制器同公共電網(wǎng)連接起來，以便可以借助光伏方針和電網(wǎng)的并聯(lián)為用戶提供電能，從而組成一個(gè)用戶并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)。因此，要想首先光伏發(fā)電與建筑物集成化的發(fā)展目標(biāo)，對金屬屋面和光伏發(fā)電的連接設(shè)計(jì)展開研究勢在必行。

1 金屬屋面系統(tǒng)和太陽能光伏組件的連接設(shè)計(jì)

1.1 連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對太陽能光伏組件來講，對連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以使在金屬屋面板系統(tǒng)中進(jìn)行太陽能光伏組件安裝的目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，從而在保證屋面系統(tǒng)建筑防水、抗風(fēng)、建筑造型等使用功能順利完成的基礎(chǔ)上，保證光伏組件的效能可以被實(shí)現(xiàn)。對太陽能光伏組件來講，大多都是借助鋁合金壓塊，利用不銹鋼材料的螺栓被固定到方形的鋁合金材質(zhì)導(dǎo)槽檁條之上，而鋁合金的導(dǎo)槽檁條則按照間距被固定在“C”型的鋁合金檁條上；之后，再使用不銹鋼的螺栓，將“C”型的鋁合金檁條固定在鋁合金的鎖夾之上；最后，將鋁合金的鎖夾在金屬屋面系統(tǒng)中的固定座上夾緊，不可以將鋁合金鎖夾固定在屋面板不含有固定座的位置[1]。在連接太陽能光伏組件和金屬屋頂系統(tǒng)的過程中，只有完全明確上述各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)的傳力，才不會對鋁鎂錳合金材料制作成的金屬屋面板產(chǎn)生額外荷載作用。

1.2 光伏組件的鋁合金型號與材料

對金屬屋面系統(tǒng)來講，為了進(jìn)一步降低其在連接太陽能光伏組件時(shí)對于自身承重能力的要求，在選擇和使用用來固定光伏組件支架時(shí)均可以選擇使用輕型的鋁合金型號或者是材料。具體來講，構(gòu)成支架的鋁合金型號與材料需要滿足以下各項(xiàng)要求：①具有較強(qiáng)的成型能力，使用擠壓鋁合金型材成型處理的過程中，可以獲得各種復(fù)雜性的截面，或者是加工精度較高的支架[2]。②受力性能良好，對于牌號為6061-T6的鋁合金擠壓型材料來講，其本身的強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度最高能夠達(dá)到200N/mm2，抗剪力的強(qiáng)度可以達(dá)到115N/mm2，彈性模量能夠達(dá)到2700N/mm2，線膨脹系數(shù)可以達(dá)到23×10-6/℃，密度能夠達(dá)到2700kg/m3[3]。③自身重量較輕，不會對金屬屋面系統(tǒng)產(chǎn)生較大的荷載影響，安裝更加的方便。

1.3 鋁合金材質(zhì)鎖夾的設(shè)計(jì)

為保障金屬屋面系統(tǒng)整體的使用性能，在同太陽能光伏組件進(jìn)行連接時(shí)，需要保證選擇的各類構(gòu)建都不能夠穿透屋面板結(jié)構(gòu)。同其他連接件相比，在對連接安裝設(shè)計(jì)時(shí)，選擇使用鋁合金鎖夾，不僅可以保證整個(gè)屋面系統(tǒng)的完整性，不會對屋面系統(tǒng)防滲漏的性能帶來任何一種形式的影響，還可以確保太陽能光伏組件在安裝和使用過程中的安全性和便捷性，確保整個(gè)建筑物的造型和美觀度不會因此受到不利影響[4]。在適用鋁合金材質(zhì)的鎖夾時(shí)，安裝人員可以將鎖夾扣到屋面板高肋上，不需要穿透屋面系統(tǒng)任何一個(gè)位置，就可以同高肋下方高強(qiáng)度的鋁合金材質(zhì)支座保持相對應(yīng)的狀態(tài)，同時(shí)借助高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)支座的作用，將力傳遞到檁條結(jié)構(gòu)上，使太陽能光伏組件上部能夠被安全、穩(wěn)定的支撐在金屬屋面系統(tǒng)上[5]。

為了進(jìn)一步適應(yīng)金屬屋面板對于溫度變形提出的要求，可以采用特殊材質(zhì)的鋁合金鎖夾，借助鎖夾本身帶限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，使用M8號的不銹鋼螺栓進(jìn)行連接，配合雙螺母和帶彈簧墊圈的設(shè)計(jì)方案，就是一個(gè)具有較高可行性的連接設(shè)計(jì)模板。

2 在工程項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用

本文主要以廣西體育中心二期的游泳館、新建設(shè)完成的杭州東站和濱州市的奧林匹克公園開辦第十一屆全運(yùn)會的體育館，這三個(gè)建筑項(xiàng)目作為金屬屋面系統(tǒng)和太陽能光伏組件連接設(shè)計(jì)的工程實(shí)例。其中，廣西體育中心二期的游泳館對于太陽能光伏組件的應(yīng)用，主要是用該組件構(gòu)建了太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目，屬于該光伏組件借助高強(qiáng)度鋁合金鎖夾，將太陽能電池組件與屋面板系統(tǒng)進(jìn)行連接設(shè)計(jì)的一個(gè)成功案例。對于新建設(shè)完成的杭州東站，其金屬屋面采用的是加強(qiáng)型的鋁鎂錳合金制作的直立型鎖邊系統(tǒng)，整個(gè)屋面的面積在15萬平方米左右，采用了國內(nèi)單體面積最大的一個(gè)太陽能光伏組件的一體化系統(tǒng)。該站使用的太陽能光伏發(fā)電屬于BIPV示范項(xiàng)目的范疇，起標(biāo)準(zhǔn)的直流輸出功率已經(jīng)達(dá)到了10MWp。濱州市的奧林匹克公園在迎接第十一屆全運(yùn)會時(shí)建設(shè)的體育館，其屋面系統(tǒng)使用了HV470號的壓型鋼板。同時(shí)為了滿足同太陽能光伏組件連接設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度要求，還配合使用了不銹鋼的鎖夾，作為連接金屬屋面系統(tǒng)和太陽能光伏組件的配件。此外，相關(guān)人員針對不銹鋼鎖夾的承載力展開了試驗(yàn)研究，且試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)要求。

3 結(jié)論

總而言之，在光伏組件與建筑物朝著集成化的方向逐步發(fā)展的今天，了解太陽能光伏組件同金屬屋面系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)方法，明確其設(shè)計(jì)過程中比較適合的材料和設(shè)計(jì)方案，選擇了比較適合的鋁合金材質(zhì)，并介紹了相應(yīng)的連接設(shè)計(jì)方案，以及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，以期可以為后續(xù)相關(guān)工程的連接設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。