CN104032875A - 一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其包括：在一建筑物的屋顶上划分出角落区c、边缘区r和中心区f；根据角落区c、边缘区r和中心区f分配风载荷系数：角落区c的风吸力系数为-1.8；边缘区r的风吸力系数为-1.6；中心区f的风吸力系数为-0.6；根据角落区c、边缘区r和中心区f的风载荷系数，计算位于上述各区域中的光伏支架系统的压载量。本发明利用屋顶光伏支架系统的静态力学模型，进行风载荷区域划分，规定位于不同区域的风载荷系数，从而得到风载荷的正确分布，得到最优的屋顶光伏支架系统的压载物方案，划分过程快速、简单、方便。

Description

一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，具体涉及光伏支架系统的压载技术。

背景技术

目前大量的平屋顶工业厂房的业主对于光伏能源的需求日益增长。水平工业屋顶可以大量安装太阳能电池板，光伏能源为企业和个人提供更便宜和更清洁的能源。然而，房屋几何结构引起的风的湍流效会导致安装在屋顶的太阳能组件承受很大的上升风压。为了保障屋顶的防水和构造的要求，通常都不能够允许用机械螺栓刺穿屋顶，而是在支架系统上安装压载物。一直以来，工程中确定屋顶风荷载的传统方法一直都是利用国标相关结构设计标准中的风载系数，但是这个方法是非常不经济的，使用了大量的金属材料，同时对屋顶结构安全还造成了隐患。工厂屋顶的有限的残余负载能力所引发的安全性问题，加上利用压载物代替刺穿螺栓的必要性，使得更加经济更加合理的屋顶风载系数确定方法更准确和必需。到目前为止，国内外科研工作者已经做过大量风洞测试，取得大量的风压数据，为本发明的风荷载区间划分方法提供了大量数据作为依据。

发明内容

本发明的目的在于提出一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其能解决传统方法所产生的不经济问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其包括以下步骤：

步骤1、根据公式1.1-1.3，在一建筑物的屋顶上划分出角落区c、边缘区r和中心区f；

$a=\left\{\begin{array}{cc}0.15d_1\≥1.0m& d_1\≤3h\\ 0.45h\≥0.04d_1\≥1.0m& d_1\≥3h\end{array}\right.---\left(1.1\right),$

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}a& d_2\&GreaterEqual;1.5d_1\\ 0.15d_1(1.5-\frac{d_2}{d_1})+a(\frac{d_2}{d_1}-0.5)& d_2<{1.5d}_1\end{array}\right.---\left(1.2\right),$

$a_2=\left\{\begin{array}{cc}0.5d_1& d_2\&GreaterEqual;1.5d_1\\ 0.5d_1(\frac{d_2}{d_1}-0.5)+a(1.5-\frac{d_2}{d_1})& d_2<1.5d_1\end{array}\right.---\left(1.3\right),$

其中，h为建筑物的高度，d₁为屋顶的宽度，d₂为屋顶的长度，且d₂≥d₁，a为边缘区r的宽度，a₁为角落区c在d₁方向上的长度，a₂为角落区c在d₂方向上的长度；

角落区c位于所述屋顶的四个角落且呈L字形，中心区f位于所述屋顶的中部且呈方形，所述屋顶的其余区域为边缘区r；

步骤2、根据角落区c、边缘区r和中心区f分配风载荷系数：角落区c的风吸力系数为-1.8；边缘区r的风吸力系数为-1.6；中心区f的风吸力系数为-0.6；

步骤3、根据角落区c、边缘区r和中心区f的风载荷系数，计算位于上述各区域中的光伏支架系统的压载量。

优选的，所述屋顶的倾斜角度小于或等于10°。

优选的，所述屋顶呈方形。

优选的，所述屋顶具有护墙，所述护墙的高度小于200mm。

本发明具有如下有益效果：

利用屋顶光伏支架系统的静态力学模型，进行风载荷区域划分，规定位于不同区域的风载荷系数，从而得到风载荷的正确分布，得到最优的屋顶光伏支架系统的压载物方案，划分过程快速、简单、方便。

附图说明

图1为本发明较佳实施例屋顶上的不同风载荷区域示意图；

图2为光伏支架系统的开放结构的倾倒失效模式；

图3为光伏支架系统的闭合结构的倾倒失效模式；

图4为在倾斜屋顶上与屋顶平行的静荷载分力示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

本实施例考虑的光伏支架系统类型(平屋顶，组件有倾斜角度)有开放和闭合结构。一个闭合的结构可以被定义为一个所有可见面都闭合或者可以在前面、背面、截面屏蔽风(三角墙)的结构。

本实施例设一个有平面屋顶的矩形建筑，而且屋顶有小于10度的倾斜角度但不会影响建筑安装。按照本实施例提出的方法，屋顶被分为角落、边缘和中间三个区域。屋顶分区图中的各个几何尺寸是利用图1和公式1.1、1.2和1.3得出，具体如下：

一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其包括以下步骤：

步骤1、根据公式1.1-1.3，在一建筑物的屋顶上划分出角落区c、边缘区r和中心区f；

$a=\left\{\begin{array}{cc}0.15d_1\&GreaterEqual;1.0m& d_1\&le;3h\\ 0.45h\&GreaterEqual;0.04d_1\&GreaterEqual;1.0m& d_1\&GreaterEqual;3h\end{array}\right.---\left(1.1\right),$

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}a& d_2\&GreaterEqual;1.5d_1\\ 0.15d_1(1.5-\frac{d_2}{d_1})+a(\frac{d_2}{d_1}-0.5)& d_2<{1.5d}_1\end{array}\right.---\left(1.2\right),$

$a_2=\left\{\begin{array}{cc}0.5d_1& d_2\&GreaterEqual;1.5d_1\\ 0.5d_1(\frac{d_2}{d_1}-0.5)+a(1.5-\frac{d_2}{d_1})& d_2<1.5d_1\end{array}\right.---\left(1.3\right),$

其中，h为建筑物的高度，d₁为屋顶的宽度，d₂为屋顶的长度，且d₂≥d₁，a为边缘区r的宽度，a₁为角落区c在d₁方向上的长度，a₂为角落区c在d₂方向上的长度；

角落区c位于所述屋顶的四个角落且呈L字形，中心区f位于所述屋顶的中部且呈方形，所述屋顶的其余区域为边缘区r。

如果屋顶有高于200mm的女儿墙作为护墙，要另外考虑。高度大于100小于200mm的矮护墙的情况适用以上公式。

假设组件按直线排布，每行的间隔都均匀，并且平行于建筑的一个主轴。上述的研究是没有将水平面上组件角度或者组件间隔参数化的情况下进行的，研究对象限制为均匀摆放和平行的组件的标准情况会比较安全。

步骤2、根据角落区c、边缘区r和中心区f分配风载荷系数。如表1.1所示。在这里所有的荷载都假设为在整个组件表面上恒定不变。

表1.1 不同屋顶区域里的风荷载系数

屋顶区域	Ws向上(风吸力系数)	Wp向下(风压力系数)
			c(角落区)	-1.8	1.2
r(边缘区)	-1.6	1.2
			f(中心区)	-0.6	0.6

荷载区域需要被简化才能适用于静力学荷载模型。在荷载区域和组件的两个边缘情况需要被标准化才能适用于静态模型里面。在这假设荷载区域上的边界被假设是垂直于支架系统的长轴。

步骤3、根据角落区c、边缘区r和中心区f的风载荷系数，计算位于上述各区域中的光伏支架系统的压载量。压载量的计算为公知技术，在此也进行详细说明。

所需要的压载物数量通过两个失效情况来确定，分别是倾倒和水平位移。当确定在最危险的向上风吸力荷载组合(如公式1.4展示)下所需的压载物数量的时候，只要施加风荷载和静荷载。

G_frame+G_panel+G_ballast＝1.5*F_wind-(1.4)

公式(1.4)中的参数，分别代表：

G_frame是光伏系统金属支架的重量

G_panel是太阳能电池板的重量

G_ballast是压载物的重量

F_wind是风吸力，即向上的风力，此力情况下，使用压载物的结构最危险。

公式(1.4)的情况是最大风吸力破坏的情况，不利作用(引起上升力和位移)最大，此时可以确定压载物。

关于风载系数的使用方法的说明：

当我们确定压载物的时候，需要知道风吸力的大小，才能最终确定压载物。

当我们计算风吸力大小的时候，计算公式中就包括风载系数这一项。

公式如下：

F_wind＝W_s*A*q

其中Ws为风载(风吸力)系数，A为承风面积，q为风速压。

这样，根据不同位置的风载荷系数的选取，就可以有效降低压载物的重量。

对于开放和闭合支架系统，对待倾倒的方法是不一样的。

如图2所示，对于开放系统，风压会作用在四分之三宽的组件表面上。图中，

b_panel是电池板的长度；

L_wind是风吸力作用点到翻转中心(Centre of rotation)的距离；

g_panel是太阳能电池板的自重线密度；

F_wind是风吸力；

L_ballast是压载物的重心到翻转中心的距离；

G_ballast,_rear是压载物重力。

如图3所示，对于闭合结构，在前面和后面的合作用力会出现在前后表面的中间。图中，

b_panel是前表面即太阳能电池板的长度；

b_rear是后表面即挡风板的长度；

L_wind,_front是前表面即太阳能电池板上风吸力作用点到翻转中心的距离；

L_wind,_rear是后表面即挡风板上风吸力作用点到翻转中心的距离；

F_wind,_front是前表面即太阳能电池板上的风吸力；

F_wind,_rear是后表面即挡风板上的风吸力；

L_ballast是压载物的重心到翻转中心的距离；

G_ballast是压载物重力。

当压载物和它与前支撑的相对位置被考虑的时候，结构需要在于静态平衡的情况下。为了保证结构的安全和防止倾倒，需要满足下面的条件，公式(1.5)～(1.8)：

M_G+M_B＝1.5*M_W-(1.5)；

M_W＝b_panel*q_w*L_wind-(1.6)；

$M_G=b_{\mathrm{panel}}*g_{\mathrm{panel}}*\frac{b_{\mathrm{panel}}}{2}*\cos \mathrm{\&alpha;}---\left(1.7\right);$

M_B＝L_ballast*G_ballast,-(1.8)。

其中：

M_G是太阳能电池板的自重产生的转矩；

M_W是风吸力产生的转矩；

M_B是风吸力产生的转矩；

b_panel是电池板的长度；

L_wind是风吸力作用点到翻转中心的距离；

L_ballast是压载物的重心到翻转中心的距离；

α是电池板的倾斜角度；

q_w是风吸力的线密度；

g_panel是太阳能电池板的自重线密度；

G_ballast是压载物重力。

关于水平位移失效：

利用与之前段落描述的相同的负载方法，向下作用合力产生的摩擦力承载能力一定要超过结构上的水平合作用力。利用公式(1.9)可得到摩擦力承载能力，然后利用静态摩擦系数μ可以计算屋顶光伏支架系统和屋顶间的摩擦力。这个摩擦系数μ可设定为0.5。在倾斜平衡里，风压产生的向下合作用力和水平作用力可以通过公式(1.10)和(1.11)确定。

F_Friction＝μ*F_Vertical≥F_Horizontal-(1.9)；

F_Vertical＝(G_frame+G_panel+G_ballast)-1.5*F_wind*cosα-(1.10)；

F_Horizontal＝1.5*F_wind*sinα-(1.11)。

如图4所示，对于平缓斜屋顶，在一个倾斜屋顶上安装光伏支架系统和引起静荷载，从而使部件平行于屋顶。在这情况下水平位移力会被增加。因此，摩擦力增加了，压载物的重量就可以让光伏支架系统保持在原位。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据公式1.1-1.3，在一建筑物的屋顶上划分出角落区c、边缘区r和中心区f；

$a=\left\{\begin{array}{cc}0.15d_1\&GreaterEqual;1.0m& d_1\&le;3h\\ 0.45h\&GreaterEqual;0.04d_1\&GreaterEqual;1.0m& d_1\&GreaterEqual;3h\end{array}\right.---\left(1.1\right),$

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}a& d_2\&GreaterEqual;1.5d_1\\ 0.15d_1(1.5-\frac{d_2}{d_1})+a(\frac{d_2}{d_1}-0.5)& d_2<{1.5d}_1\end{array}\right.---\left(1.2\right),$

$a_2=\left\{\begin{array}{cc}0.5d_1& d_2\&GreaterEqual;1.5d_1\\ 0.5d_1(\frac{d_2}{d_1}-0.5)+a(1.5-\frac{d_2}{d_1})& d_2<1.5d_1\end{array}\right.---\left(1.3\right),$

其中，h为建筑物的高度，d₁为屋顶的宽度，d₂为屋顶的长度，且d₂≥d₁，a为边缘区r的宽度，a₁为角落区c在d₁方向上的长度，a₂为角落区c在d₂方向上的长度；

角落区c位于所述屋顶的四个角落且呈L字形，中心区f位于所述屋顶的中部且呈方形，所述屋顶的其余区域为边缘区r；

步骤2、根据角落区c、边缘区r和中心区f分配风载荷系数：角落区c的风吸力系数为-1.8；边缘区r的风吸力系数为-1.6；中心区f的风吸力系数为-0.6；

步骤3、根据角落区c、边缘区r和中心区f的风载荷系数，计算位于上述各区域中的光伏支架系统的压载量。

2.如权利要求1所述的屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其特征在于，所述屋顶的倾斜角度小于或等于10°。

3.如权利要求1所述的屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其特征在于，所述屋顶呈方形。

4.如权利要求1所述的屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法，其特征在于，所述屋顶具有护墙，所述护墙的高度小于200mm。