混凝土框架屋面平单轴光伏支架方案设计研究

摘要：本文以安徽省宿州市一屋面分布式光伏发电项目为依托，基于厂房特殊的屋面结构形式，以支架方案为研究对象，对屋面结构特性进行分析，同时响应业主关于“创新做法，打造优秀示范项目”的目标和理念，创新性的提出了框架屋面平单轴支架方案，对于日后屋面分布式平单轴支架方案的研究提供了一定的借鉴意义。

关键词：混凝土框架屋面；平单轴支架；基础连接

1 概述

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话时宣布，我国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

国家发改委发布的《产业结构调整指导目录（2019年本）》[1]共涉及48个行业，分三部分内容，分别是鼓励类、限制类、淘汰类。其中，光伏发电技术属于鼓励类第五项“新能源”中的内容。

目前，国内光伏的建设正在加快，2022年全国新增光伏并网容量87.41GW，累计光伏并网装机容量达到392.6 GW，新增和累计容量均为全球第一。全年光伏发电量为4276亿kWh，同比增长30.8%，约占全国全年总发电量的4.9 %。2023年全国光伏累计装机容量已达609.49GW，同比增长55.2%[2]。

由上文可知，国内光伏产业发展势头正盛，而作为光伏项目重要的一部分--分布式光伏项目，目前也呈现快速发展的态势，故本文以某一典型分布式项目为依托，研究屋面分布式光伏跟踪支架的设计方案，旨在提升项目发电量，同时满足业主单位对项目创新创优的要求。

目前光伏市场上光伏支架的种类主要为固定式支架、平单轴跟踪式支架、斜单轴跟踪式支架、双轴跟踪式支架以及固定可调支架，其中固定式支架应用最为广泛，其大量应用于大型的集中式光伏项目和小型分布式光伏项目，而近些年来，由于国家对光伏产业的大力推进以及光伏产业链的技术进步和规模的扩大，组件的价格创低，其功率却逐年增高，采用跟踪式支架带来的投资增加劣势相对于其带来的项目收益增加的优势，其劣势逐渐减弱，投资成本也随着技术进步日益降低，相对于固定支架，平单轴支架能够根据太阳的运动轨迹自动调整光伏组件的角度，确保光伏组件始终面向太阳，从而最大限度地捕获太阳光，这种方位角的可变性设计使得平单轴支架在发电效率上可以显著提升，故平单轴支架的应用也在逐步推广开来，目前广泛应用于我国西北地区以及西亚地区，但平单轴支架的应用场景往往布置在地面，一般应用于大型集中式光伏项目，鲜见关于平单轴支架在屋面的设计方案研究内容，故本文以某一典型分布式项目为依托，开展屋面分布式光伏跟踪支架的设计方案研究。

2 工程概况

本项目位于安徽省宿州市，为屋面分布式光伏发电项目，项目涉及屋面类型主要为彩钢瓦屋面、混凝土平屋面和混凝土框架屋面，共涉及5栋厂房，其中3栋厂房为彩钢瓦屋面，采用常规的导轨+夹具的组件安装方式，1栋为混凝土平屋面，则采用常规的混凝土预制块+固定支架形式，唯有1#厂房为混凝土框架屋面，常规的固定支架安装方式不适用该屋面的建设，同时响应业主关于本项目需要创新创优的设计理念，并要求生成创优设计成果，故综合考量并结合业主需求，决定在此屋面采用平单轴支架方案建设屋面光伏电站。

3 项目重难点分析

本项目应用场景位于混凝土框架屋顶，不同于地面布置的平单轴支架方案，其设计过程存在较多难点：

（1）立柱跨距大

常规平单轴支架方案基础间距普遍分布在6～7m之间，而本项目屋面框架柱间距约8.4m，远大于常规平单轴支架方案跨距，这对支架的规格型号的选取及支架结构强度和变形的控制提出了更高的要求。

（2）基础连接方式

平单轴支架方案角度调节范 围大，最不利处角度可达45°，同时由于屋面框架柱间距较大，故单个支架立柱柱脚产生的上拔力、下压力和弯矩都远超常规支架方案，如何设置合理的基础连接方式保证支架的稳定性是重中之重。

4 方案设计

4.1 支架设计方案

本项目平单轴支架布置于混凝土框架屋面之上，采用5个立柱，组件单排布置，总数量30块。平单轴支架旋转角满足±45°范围内可调，组件旋转至45°时，组件最低点距离梁顶约0.5m，考虑到屋面承载能力的可靠性，平单轴支架立柱布置于原屋面框架柱柱顶，立柱布置间距约8.4m；平单轴旋转轴心距离离柱顶1.3米，主梁采用方钢管，安置于2个立柱之间，立柱采用圆钢管。

驱动机构安装在正中间的立柱上，采用竖向7寸回转驱动机构，回转驱动以及电机满足平单轴旋转角度要求。平单轴立柱顶端各固定安装一个可以旋转的连接器，连接器中间安置一条方管，用于固定主梁钢管。

采用MidasGen软件进行支架结构计算，建立三维有限元计算模型。其中，斜梁、横梁和立柱均采用梁单元模拟。考虑结构自重、风荷载、雪荷载等作用效应，按照规范相关要求进行结构分析。根据计算结果可知，本项目支架结构强度及变形均满足规范要求。

4.2基础连接方案

根据建模结果导出平单轴支架方案传递给单个立柱柱脚处的荷载值，上拔力最大可达23.933kN，下压力最大可达6.11kN，水平力最大可达9.594kN，弯矩最大可达19.136KN.m。根据导出荷载结果可知，由于平单轴支架具有跨度大，反力高的特点，支架立柱柱脚处的水平力、下压力、上拔力和弯矩值均较大，故结合屋面梁柱分布情况及屋面承载能力情况，经过综合分析，确定将平单轴支架立柱布置于原屋面框架柱位置，基础连接方案则是采用化学锚栓结合对拉螺杆进行固定，保证支架和原屋面连接的安全和可靠性。

其中，化学锚栓采用M16的不锈钢锚栓，单个立柱处设置8个，化学锚栓均布置在框架柱竖向钢筋以内，施工前对锚栓进行拉拔试验，满足抗拔及抗水平力后方可进行统一施工，同时考虑基础连接的稳固性和可靠性，单个立柱处采用M16的8.8级对拉螺杆放置在屋面框架梁的两侧，框架梁底部放置连接钢板，螺杆与混凝土主梁用螺母锁住抱紧，上端则与支架立柱的底板相连，十字梁4个方向各放置1套对拉螺栓的结构，共设置4个M16的高强度螺栓固定立柱，根据计算，化学螺栓和对拉螺杆组合承载能力及结构强度远超荷载需求，可有效保证支架立柱和原屋面框架柱连接的可靠性。且采用化学锚栓和对拉螺杆的方式，施工便利且效率高，有效降低了施工难度。

5 结论

本文以宿州市某一典型分布式光伏发电项目为例，提出了混凝土框架屋面的平单轴支架方案。该方案的实施，不仅可以有效提高项目发电量，同时符合业主关于“创新做法，打造优秀示范项目的”要求和预期，具有较好的创新和示范意义，也可为日后平单轴支架方案在屋面分布式光伏项目的应用提供设计参考。

参考文献

[1]国家发展和改革委员会.产业结构调整指导目录（2019年本）[EB/OL].（2019-10-30）[2023-03-06].

[2]中国政府网.2023年全国电力工业统计数据[EB/OL].（2024-01-28）[2023-04-17].