一种屋顶光伏支架系统的风载荷区间划分方法

摘要

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。

说明书

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；

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

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

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

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；

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

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

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

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)；

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

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。