光伏结构系统的设计要点

一、结构设计的一般原则

　　1.1光伏面板的结构可按下列方式分为两类：　　 (1)分离式光伏面板: 只具有发电功能，不作为围护结构的面板；建筑需要围护功能时须另设密封的采光顶或幕墙。这种面板要设单独的支架，支架连接在主体结构上（图1）。因此这种光伏建筑是一体化设计，两层皮。　　 (2)合一式光伏面板：既具有发电功能，同时又是采光顶或幕墙的面板。又称为建材式光伏面板。由于发电和建筑功能合一，因此建筑外皮只需一套面板，一套支承（图2）。这种光伏建筑是一体化设计，一层皮。

图1分离式面板系统

图2合一式面板系统

　　合一式光伏结构系统与普通玻璃幕墙和采光顶大体相同，可以套用玻璃幕墙和采光顶的设计方法；分离式光伏结构系统在普通玻璃幕墙和采光顶的外侧另外附加了一个单独的结构，工作性质又不同于一般的幕墙和采光顶，必须进行专门的设计。

　　1.2光伏结构系统应进行结构设计，应具有规定的承载能力、刚度、稳定性和变形能力。

　　结构设计使用年限不应小于25年。预埋件属于难以更换的部件，其结构设计使用年限宜按50年考虑。大跨度支承钢结构的结构设计使用年限应与主体结构相同。

　　1.3光伏结构系统的设计目标是：在正常使用状态下应具有良好的工作性能。抗震设计的光伏结构系统，在多遇地震作用下应能正常使用；在设防烈度地震作用下经修理后应仍可使用；在罕遇地震作用下支承骨架不应倒塌或坠落。

　　2008年汶川大地震和2010年玉树大地震表明，玻璃幕墙在强烈地震中完全可以达到只要主体结构不倒，幕墙就不会破损的设计目标（图3、图4）。

图3 四川绵阳（9度）玻璃幕墙震后完好

图4 玉树机场（8度）幕墙玻璃完好，保证了及时救援

　　1.4非抗震设计的光伏结构系统，应计算重力荷载和风荷载的效应，必要时可计入温度作用的效应。

　　抗震设计的光伏结构系统，应计算重力荷载、风荷载和地震作用的效应，必要时可计入温度作用的效应。

　　1.5光伏结构可按弹性方法分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应，并进行作用效应的组合。

　　1.6光伏结构系统的构件和连接应按各效应组合中最不利组合进行设计。

　　1.7光伏结构构件和连接的承载力设计值不应小于荷载和作用效应的设计值。按荷载与作用标准值计算的挠度值不宜超过挠度的允许值。

　　二、荷载和作用

　　2.1光伏结构系统应分别不同情况，考虑下列重力荷载：

　　(1)面板和支承结构自重

　　(2)检修荷载

　　(3)雪荷载

　　2.2光伏结构系统的风荷载，应按国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 2006版本采用。设计时应分别考虑：

　　(1)分离式光伏面板的风荷载应计入迎风面风荷载和背风面风荷载；

　　(2)支架的风荷载应计入面板传来的风荷载和支架直接承受的风荷载；

　　(3)合一式面板系统应分别采光顶和幕墙的风荷载，按相应规范采用。

　　2.3分离式光伏结构系统应考虑突出屋面小结构的地震力放大作用。必要时可将其作为独立的质点，连同主体结构一起进行地震反应分析。

　　屋面上的分离式光伏系统结构具有一定的质量和刚度，相当于一个小楼层，但是其质量和刚度又远小于主体结构的质量和刚度。放在屋面上的地震反应要比放在地面上要强烈得多，称之为鞭梢效应。放在屋面上，地震力比放在地面上放大可达3~5倍，取决于它与主体结构的质量比和刚度比（图5、图6）。

图5 光伏结构系统在屋面上地震力放大

图6 光伏结构系统作为第n个质量参加整体地震反应分析，求出地震力．地震反应计算可按国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50009的规定进行。

　　2.4合一式光伏结构面板和支承结构的地震力计算与一般玻璃幕墙相同，可按照行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

　　2.5分离式光伏结构的支架暴露于室外，应考虑温度作用的影响。必要时可进行钢支架的温度应力计算（图7、图8）。

图7 高雄世界运动会主会场分离式光伏系统

图8 分离式光伏墙的露天钢支架曲线形室外支架

　　2.6光伏结构系统的荷载组合可按照行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

　　光伏采光顶和斜墙的重力荷载会产生平面外方向的作用分力，它与风荷载和地震力的作用相叠加，计算时应注意。

　　重力荷载起控制作用的组合，重力荷载的分项系数应取为1.35。

　　风荷载起主要作用的组合，地震作用的组合值系数应取为0.5。

三、面板设计

　　3.1面板的玻璃应能承受施加于面板的荷载、地震作用和温度作用。其厚度除应由计算确定外，尚应满足最小厚度的要求。

　　3.2分离式面板夹胶玻璃中的单片玻璃，厚度不应小于4mm。

　　3.3用作采光顶和幕墙的合一式面板，夹胶玻璃中的单片玻璃厚度不应小于5mm；幕墙中空玻璃的内侧采用单片玻璃时，厚度不应小于6mm。

　　3.4有光伏电池的夹胶玻璃，外片宜采用超白玻璃。夹胶玻璃的内外片，厚度相差不宜大于3mm。

　　3.5无中空层的单片夹胶玻璃，不宜采用Low-E镀膜；有中空层的夹胶中空玻璃，Low-E镀膜应朝中空层。

　　3.6合一式面板应采用PVB夹胶膜；分离式面板可采用PVB夹胶膜，也可采用EVA夹胶膜。非晶硅电池的夹胶玻璃宜采用PVB夹胶膜.

　　3.7采光顶采用中空玻璃时，室内侧也应采用夹胶玻璃；斜玻璃幕墙采用中空玻璃时，朝地面一侧宜采用夹胶玻璃（图9、图10）。

图9 光伏采光顶室内侧采用夹胶玻璃

图10 斜墙可采用单块夹胶光伏玻璃(1)；如用中空玻璃，室内侧也应采用夹胶玻璃

　　3.8夹胶玻璃宜采用半钢化玻璃或浮法玻璃，可采用钢化玻璃。点支承面板应采用钢化玻璃。

　　钢化玻璃有1%~3%的自爆率，即使经过二次热处理也还有0.1%~0.3%的自爆率。而半钢化玻璃和浮法玻璃不会自爆，夹胶后成为安全玻璃。所以如果承载力足够，完全不必采用钢化夹胶玻璃，以免使用后更换玻璃的困难。

　　点支承玻璃开孔处局部应力很大，只有强度高的钢化玻璃才能满足承载力的要求。

　　3.9 面板的结构计算应按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003的规定进行。规范中已列出了边支承玻璃板和点支承玻璃板的计算公式和计算用表，可直接采用。

　　3.10 由荷载及作用标准值产生的面板挠度，边支承面板不宜大于短边的1/60；点支承面板不宜大于沿较大边长支承点间距的1/60。

　　四、支承结构设计

　　4.1支承结构设计应遵照《钢结构设计规范》GB 50017-2003 和《铝合金结构设计规范》GB 50429-2007 的规定进行。

　　4.2分离式面板的钢支架构件的截面厚度不应小于3.0mm，其钢种、牌号和质量等级应符合现行国家标准和行业标准的规定。钢材之间进行焊接时，应符合现行国家标准和行业标准的规定。

　　4.3分离式面板的钢支架应采取有效的防腐措施。当采用热浸锌防腐处理时，锌膜厚度不宜小于80微米。采用氟碳喷涂时涂膜厚度不宜小于40微米。采用防锈漆或其他防腐涂料时应遵照相应的技术规定。

腐蚀严重地区的钢支架，必要时可预留截面的腐蚀厚度。另外，圆管、方管等闭口钢型材，其内侧表面难以进行防腐处理，也可以留出腐蚀厚度。在通常条件下，钢材截面的腐蚀速度大概不超过每年0.02mm。这样一来，钢型材截面厚度额外增加1.0mm，就可留出单面腐蚀50年或双面腐蚀25年的余量。

　　4.4在风荷载标准值作用下，分离式面板支架的顶点水平位移不宜大于其高度的1/150。

　　4.5合一式面板的支承结构设计，应按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

五、连接设计

　　5.1分离式面板的钢支架的连接采用焊接时，钢材的材质应采用Q235B或Q345B。焊缝应按国家标准《钢结构设计规范》GB 50017进行设计。焊接应符合国家标准《建筑钢结构焊接规程》 GB/T 8162和行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81的规定。

　　5.2分离式面板的钢支架的连接采用螺栓连接时，应按照国家标准《钢结构设计规范》GB 50017进行设计，连接处的螺栓不应少于2个。碳素钢螺栓应符合国家标准的要求，并应进行防腐处理；不锈钢螺栓的材质不应低于S316XX。

　　5.3分离式面板的钢支架与主体结构的连接应能承受光伏系统结构传来的内力设计值。

　　5.4 分离式面板的钢支架与主体钢结构相连接时，应符合本节5.1条和5.2条的规定。钢支架与主体钢结构连接所用的连接件，宜在钢结构厂加工构件时一并制作。必须在现场进行焊接时，应取得钢结构承建商的同意。

　　5.5分离式面板的钢支架与主体混凝土结构应通过预埋件连接。预埋件应在主体结构混凝土施工时埋入，预埋件的位置应准确。预埋件应按国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010 进行设计。

　　5.6钢支架与主体混凝土结构采用后加锚栓连接时，应符合下列规定：

　　(1)产品应有出厂合格证；

　　(2)碳素钢锚栓应经过防腐处理；不锈钢锚栓的材质不低于S304XX；

　　(3)应通过现场拉拔实验确定承载力标准值；确定其承载力设计值时，材料分项系数不应小于2.15；

　　(4)每个连接点锚栓不应少于2个，锚栓直径不应小于10mm；

　　(5)采用化学锚栓时，不宜在锚板上进行连续的、受力的焊缝焊接。

　　5.7合一式面板的支承结构的连接设计，应按行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 进行。

　　六、双层外通风光伏幕墙

　　6.1 双层外通风光伏幕墙的外幕墙应为光伏夹胶玻璃组件，内幕墙应为符合节能、密封和隔声要求的幕墙和门窗系统。内幕墙有采光要求时为双层玻璃幕墙；内幕墙无须采光时，可采用铝板等金属材料。内外幕墙之间的热通道宽度不宜小于300mm，有通行要求时宽度不宜小于600mm。热通道的高度宜为多个层高。层数不多时热通道可贯穿建筑全高（图11、图12）。