外屋顶光伏电站安装与施工考虑因素分析.docx
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外屋顶光伏电站安装与施工考虑因素分析
外屋顶光伏电站安装与施工考虑因素分析
对于外屋顶系统的安装(图8-25),组件被金属结构固定安装在已存在的屋顶覆盖物的上方。
屋顶覆盖物仍然被保留并继续用于防水。
对于在已存在的屋顶上安装新的阵列,外屋顶系统通常是最经济实惠的选择,因为安装费用和材料开销是最少的。
然而,除了不太美观外,所有的部件,包括配件、电气连接和电缆等都容易受到自然环境的影响。
所以系统应该与已存在的屋顶环境尽可能和谐的一体化,组件应当被优化排布以构成一个独立性的光伏阵列。
在屋顶表面散列排布或阶梯状排布则很不好。
对于复杂的屋顶形状或有阴影则需避免,在安装光伏阵列时应选择很接近或者类型相同的屋顶表面。
用来固定组件的金属结构主要由三部分构成:
屋顶架、安装轨道和组件固定器件。
利用屋顶架,轨道系统被锚定在屋顶覆盖物结构下方或直接锚定在覆盖物上(前提是覆盖物足够牢靠)。
组件被特殊的系统固定装置安装在轨道上(图8-26)。
根据结构要求再详细讲解。
除了同时要支撑屋顶覆盖物本身外,下方的结构还必须能承受施加到光伏阵列上并传递到屋顶结构上的的外力。
除了盛夏的热应力外,组件主要遭受的是机械应力。
图1办公室屋顶上的机架固定光伏阵列
(1)稳固性和结构要求
光伏阵列被认为是建筑结构,所有必须参考并遵守国家建筑法律法规。
必须设计好所要安装的光伏系统使之在特定地点不会导致光伏阵列上升、翻转或下落等。
这就意味着,屋顶架的数量和轨道锚入的深度固定装置必须根据地点、屋顶和建筑的几何形态、以及组件的排布方式来确定。
在使用边缘钳、横向金属甲板钳等固定安装框架时,探查屋顶结构和屋顶覆盖物是否能支撑这些附加的压力非常重要。
也可见EuropeanStandardEN1991,也被叫作Eurocode1(EC1)。
(2)受力
组件会被一些因素推挤和拉扯。
压力是由雪、风以及各个组件和压结构的重力带来的。
拉力是由风造成的。
外屋顶结构可以像飞机的机翼那样架设。
为了使光伏阵列所承受的力最小,在进行规划时应考虑以下要素:
组件表面和屋顶覆盖物之间的间距不宜太大。
但在另一方面,也得确保在没有树叶阻塞时可以有效的通风,树叶还会阻碍雨水的排泄;
组件不应超出建筑物的垂直和水平线(屋脊、屋檐和山形墙)。
组件到屋顶边缘的距离应当至少为屋顶表面到组件的高度的五倍;
组件表面的倾斜度应当与屋顶倾斜度一致;
如果组件安置时没有齐平,在边缘处有小缺口,也容易达到压力补偿。
这样还可以避免风吹时的呼啸声。
(3)结构规格
结构规格证明,所有用于安装系统的部件都与特定组件的重量、大小和布局相适应,在不同的雪和风的作用力下与适用的标准一致。
很多装配说明书都包括了基于结构规格的表格,从上面可以获得每平方米的最少屋顶固定装置数、最大跨度(支持点之间的间距)以及部件的最大悬臂长度等。
应当注意的是,这些结构表格通常只适用于中心区域,而边角区域的值则没有提供。
结构规格不包括屋顶结构和组件框架。
在建筑场地使用组件制造商的规格说明书时应当把它们考虑在内。
(4)腐蚀
由于光伏系统要求设计能使用20年或更长的时间(因为比如在机架固定系情况下,所有的机械固定装置都暴露在自然环境中),所以应当在系统固定点上使用高质量的金属。
对于任何类型的金属(比如铝或者V2A不锈钢),由于化学成分不同其质量有重大差异。
因此,应当特别注意各自的合金和材料型号。
只有在没有发生电化学反应的风险时才可以组合使用金属。
如果有必要,在固定点使用不同的金属时必须保持它们的干燥。
在有的情况下,可以考虑在金属之间使用高电位差的材料将它们隔离。
其它现有的构造(如檐槽、石板屋顶等)也必须考虑以消除任何发生电解腐蚀的可能。
如果支撑结构就安装在场地上,则应当确保被很好的防腐蚀保护。
热镀锌材料不应被钻孔和截短,因为后来的冷镀锌被用于未镀锌的地方时没有热镀锌的抗腐蚀性强。
除了在技术上进行防腐蚀保护,还应注意结构上的防腐蚀保护。
应当构造架置系统,这样就不会形成污物、树叶、针状物和其它堆积物可以聚集的角落和隐蔽处,也就阻止了腐蚀的发生。
也避免了积水。
(5)屋顶固定
必须在屋顶上制造固定点以固定安装支架。
安装支架的选择取决于现有的屋顶覆盖物。
有依靠椽子和不依靠椽子两种方案。
不依靠椽子的方案则是固定在屋顶板条上并可在屋顶上提供更多的布置空间,但在结构上它们的受力没有依靠椽子情况下的大。
图2无楞瓦(且有金属片的屋顶钩)图3屋顶钩
图4固定的屋顶钩图5倾斜屋顶带有附加绝缘配件的屋顶钩
(6)瓦片的屋顶钩、混凝土屋顶瓦片、无楞瓦(图8-27)
屋顶钩分为多种多样,如图8-28为一种新型设计,穿过屋顶覆盖物被螺钉牢靠的拧在椽子上。
这样放置屋顶钩(图8-29)后它们的边缘就可以卡在相应的瓦片下面的凹陷处,与表面和正面的距离为5mm。
它们应该不能对瓦片施加压力。
如果有必要,屋顶钩上必须使用木垫片。
在瓦片覆盖的屋顶钩突出的地方必须切掉,可使用角向磨光机或锤子。
对于无楞瓦屋顶,要么在每个瓦片覆盖屋顶钩的地方切除,要么使用一半大小或三分之一大小的瓦片。
在每个切除的地方,在屋顶钩下方装上钛锌板片,需安装合适的板片,这样在每一侧都至少有2cm的交叠。
或者也可以在屋顶钩的下面和上面插入特殊的金属片。
不同屋顶覆盖物所用的屋顶钩如图8-30。
(7)瓷砖瓦片、混凝土屋顶瓦或无楞瓦上的支撑瓦片
图6安装支撑瓦片
图7塑料制成的支撑瓦片图8铝制的支撑瓦片
各制造商为光伏阵列的固定提供的特殊瓦片。
这些瓦片由塑料或金属片制成,它们最初被用于陷雪栅或屋顶分阶炉篦的安装。
它们被安装在屋顶覆盖物内的椽子上并被螺钉固牢,或被楔入板条之间,支撑瓦片(如图8-31、8-32、8-33)只适用于有相应设计和尺寸的标准屋顶覆盖物。
它们会在有的位置替换常规瓦片。
这就意味着不必去修整屋顶瓦片以便于使用屋顶钩。
这些瓦片仍然是防水并且稳固的,在这些瓦片上使用屋顶钩也不会造成屋顶的破环。
然而在结构上,支撑瓦片不能承受重压。
对于无楞瓦屋顶,可使用带有屋顶钩的金属屋顶瓦片(图8-37、图8-38),并用螺钉拧在木质模板上。
图9不锈钢屋顶板的屋顶钩图10楔入的金属屋顶瓦片
(8)金属屋顶使用的边缘夹具
图11标准接缝的夹具图12正面的圆头夹具
如果接缝是自支撑的,Kalzip或梯形板的屋顶的承重性非常好,可以抵挡风的吸力,支撑框架可以直接固定在其金属部分上。
合适的用于标准接缝(图8-39)或圆形接缝的边缘夹具(图8-40)被安装在板缝处并夹紧。
通常,夹具应当被安装在每两个标准的接缝处(图8-41)。
对于梯形板屋顶,有特殊的使用自钻孔螺钉固定的夹子(图8-42)可用。
使用夹子和卡钉提供的孔洞,框架可以被牢固的拧紧。
这种类型的屋顶支架不能承受那么大的结构压力。
图13标准接缝屋顶图4自钻孔螺钉和封铅的金属盖板夹具
(9)波纹状石棉水泥瓦和梯形金属片屋顶使用的悬挂螺钉
图15波纹状石棉水泥屋顶螺钉图16固定轨道的悬挂螺钉
图8-45稳固框架图8-46石棉瓦上安装
波纹状石棉水泥瓦和梯形金属片屋顶使用的悬挂螺钉如图8-43,这种屋顶装置是由不锈钢制成的特别为波形或梯形屋顶盖片设计的,适用于各种片状类型的屋顶。
屋顶覆盖物在固定点处被钻穿,悬挂螺钉(图8-44)从穿孔中拧入椽子内,在螺帽较低的地方将一个密封垫圈压在屋顶覆盖物上以密封钻孔。
支撑轨道到屋顶的距离使用两枚埋头螺母来确定,它们固定了安装板和安装角以稳固框架(图8-45)。
在结构上,这种类型的屋顶固定方式比边缘夹具方式能承受更大的外力。
在石棉瓦上安装(图8-46)时,需遵循国家法律法规。
比如,在德国,要对石棉瓦板进行钻孔或作其它处理需取得由经验丰富的专家授予的个体许可证。
(10)穿透金属屋顶
图19穿透金属屋顶的装配支架,在穿孔处焊封以确保屋顶仍然防水
穿透金属屋顶的结构如图8-47。
如果因为结构原因,有必要将光伏阵列固定到金属屋顶的支撑结构上,钻孔点必须与屋顶覆盖物的工程指示一致被密封。
(11)轨道系统
轨道被安装在屋顶的固定点上(屋顶钩、支撑瓦片等)以支撑光伏组件,组件的支撑轨道直接安装在屋顶钩上或在第二层轨道上十字交叉。
为了获得平整的光伏阵列表面,屋顶上已存在的不平坦必须用倾斜的屋顶机架将其铺平。
因此,应该在铺平之前探查是否有必要调整高度(取决于安装系统,可以使用可调整的屋顶钩或使用垫片和衬垫垫塞)以及横向轨道的安装是否需要妥善的解决。
在倾斜屋顶机架上应能轻易的移动各个组件,因为可能会对组件下的屋顶进行维修或更换有问题的组件。
在最简单常用的安装方案中,每一行组件在两条水平平行的支撑轨道上垂直铺设(图8-48),且大多在四个点上固定(比如在组件框架的固定孔上)。
轨道间的距离取决于可能的屋顶固定点(比如瓦片行之间的距离以及组件制造商提供的说明书上所要求的组件的固定点)。
图17垂直安装的组件图18水平安装的组件
如果要将组件水平安装,或如果屋顶构架是水平方向的,则将组件支撑轨道水平安装在屋顶固定物上更为方便。
在很多阴影情况下,组件水平安(图8-49)装更有利。
如果屋顶构架没有为所要求的轨道间距提供任何合适的固定点,或者屋顶表面非常不平坦,则推荐使用以直角安装的第二轨道系统。
这种所谓的交叉轨道支架使得构造平整的组件阵列表面更为容易。
屋顶固定点有时可以不用考虑,因为它们之间的距离不会影响到组件的大小,这就意味着可以从结构上考虑允许的最大间距。
使用交叉轨道(图8-50)通常会有更大的材料开销。
图交叉轨道上的组件安装
图装配时预装的组件图交叉轨道系统上直线型安装的组件
组的装配在大规模阵列情况下非常敏感。
在这里,数片光伏组件被预装在轨道上并布线(图8-51),轨道和组件的排布可以旋转90°。
这项工作可以在地面进行。
使用起重机或倾斜的升降机,将以这种方式预装的组件组提升到屋顶并安装在较低的轨道系统上。
组的安装需要交叉轨道。
对于组件被嵌入支撑部分或直线型钳住的系统安装(图8-52),也有必要使用双层轨道系统,因为支撑部分的间距正好与组件长度一致了。
额外材料开销的减少与组件行的数量成反比。
(12)组件固定
点夹具
图中心夹图用于无框架组件的层压夹
在两块组件之间的双侧中心夹(图8-53)以及在组件外侧位于每一行末尾的单侧边缘夹(图8-54)通常使用滑块、T形头螺钉或螺纹板来夹住支撑轨道的上的槽以固定组件。
螺钉的长度或理想的夹子(图8-55)高度需根据组件框架的高度来选择。
图边缘夹和中心夹
通常,需安装防滑装置(比如在组件框架的安装孔上装上阻挡架或简单的拧上一颗螺钉)以使得安装和更换组件时组件不会在轨道上滑动。
这使得排布组件更加容易,因为在安装时可先将它们松散的放到轨道上然后根据要求移动到相应的位置上。
线夹具
除了使用点夹具,还可以使用夹条(图8-55)将组件连续夹住。
使用制造商提供的装配说明书,检查组件是否可以被安装到通常设想的安装区域以外的区域很重要。
优点包括美观和安装简单,以及组件可以被轻易的嵌入(图8-56)而且不会滑动(塑胶树脂作为垫片),也不必一块一块的排列和固定。
然而,需要设计更为精良的双层轨道系统。
图夹有覆盖型材的夹条图使用夹条安装的组件
(13)平整系统
平整系统与夹条安装方式有类似的优缺点。
在这种安装方式中,组件被嵌入支撑部分并且不使用夹具和螺钉。
它们自身的重力和摩擦力阻止了被绷紧。
这就意味着不需要使用工具来安装组件并且能轻易的被更换他它们。
由于在组件下面没有横向轨道以阻止它们滑动(它们被排布在同一水平上)(图8-57、图8-58),所以通风性很好。
然而,有污物堆积以及雨水不能排泄(比如通过排水孔或其它结构设施)导致的霜冻破环的风险。
组件的边缘必需是支持线形安装的。
图使用工具放置水平部件图不使用工具放置组件
(14)悬架系统
在悬架系统中,组件被嵌入悬置支护夹具的固定架上(图8-59)。
即使有大幅的温度波动,组件仍然保持自然的张力并且不会承受任何机械应力。
然而,由于成本更高,悬架系统很少被使用。
图使用固定夹将组件框架拧在支撑结构上
(15)防盗
对于用螺钉固定的组件,各种安全部件被用来保护光伏组件不被盗窃(图8-60,图8-61)。
比如,使用只可以拧进去而需使用特殊工具拧出的安全螺钉,或使用标准的带有安全装置的凹头螺钉以保护组件不被松动(图8-63)。
图8-60拧松的螺钉用以防盗
图8-61压上不锈钢球防盗8-62切断并拧松螺钉以释放组件
(16)倾斜屋顶上安装的外屋顶系统
在市场上有各种倾斜屋顶结构。
如果在屋顶上安装有很多问题且耗费时间,则可考虑安装一种省材省时的新系统。
支撑轨道包括简单的方形、U形、C形和L形部分(例如Halfen轨道或更精良的带有特殊部分的轨道)。
需要准备合适的螺钉、夹子、夹条、钩和防盗夹等。
各处都使用了不同的系统故可选择各种不同的组件(类型和大小)。
标准材料是铝和不锈钢以及偶尔会用到的镀锌铁。
由于在与铝框架直接接触时有接触腐蚀风险以及在活性空气中使用铁被腐蚀(工业气体或靠近海洋)的风险,即使镀锌也不被推荐。
图安装在外屋顶的光伏系统图桶状屋顶上的光伏系统
对于外屋顶上的安装(图8-63、图8-64),可以使用无框和有框的玻璃薄膜组件或玻璃-玻璃组件。
通常它们被端到端排列,但也有无框组件像瓦片那样从上到下交迭排布的系统。
在维护和维修时是否可在光伏阵列上行走取决于所使用的组件(见制造商的说明书)。
在任何情况下,确保鞋底没有粘有石子或金属碎屑非常重要,因为这样能避免组件表面被刮伤。
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