家用光伏系统第2-3部分结构设计-征求意见稿编制说明-solarbe文库

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1 中国光伏行业协会标准家庭户用光伏发电系统第 2-3部分设计规范结构设计（征求意见稿）编制说明 “家庭户用光伏发电系统第 2-3 部分设计规范 -结构设计 ”标准编制工作组 2 中国光伏行业协会标准家庭户用光伏发电系统第 2-3 部分设计规范结构设计征求意见稿编制说明一、任务来源根据中国光伏行业协会 2018 年 3 月 15日关于印发 2018年第一批光伏协会标准制修订计划的通知的相关要求，家庭户用光伏发电系统第 2-3部分设计规范 -结构设计（ 2018004-CPIA）由江苏天合家用光伏科技有限公司牵头负责，中国光伏行业协会标准化技术委员会负责技术归口和管理，项目制定周期为 12个月。二、编制原则本标准在制定过程中主要按照下述原则编制标准内容测试方法科学、先进、合理、安全、环保的原则；发扬民主、协商一致、共同确认的原则；与现行有效标准协调一致的原则。三、标准编制背景光伏发电是我国重要的战略性新兴产业，大力推进分布式光伏发电对优化能源结构、保障能源安全、改善生态环境等具有重大战略意义。分布式光伏发电既是推动能源生产和消费革命的重要力量，也是促进稳增长调结构促改革惠民生的重要举措；分布式光伏发电与农户扶贫、新农村建设、农业设施相结合，能够促进农村居民生活改善和农业、渔业等发展。户用光伏发电系统是安装于民用住宅以 220V或 380V接入公用电网运行的户用型并网发电系统，是分布式光伏发电重要的形式之一。它倡导就近发电、就近并网、就近使用的原则，有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题；具有安装周期短、投资小、并网简单、补贴及时等优点，是具有广阔发展前景的太阳能能源利用方式。2017 年是我国分布式光伏爆发年，根据 “ 十三五 ” 规划 60GW 的装机总量，未来四年分布式光伏年均增量超 10GW，同时国家和地方政府还出台了一系列分布式光伏补贴政策，进一步推动了分布式光伏市场的大力发展。众所周知，分布式光伏发电系统主要包括光伏组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置等；由于光伏组件等在户外受不同自然环境的影响，如温度、湿度、辐照度、盐雾、沙尘暴及雪灾等，会产生不同类型的失效模式，影响光伏组件的使用可靠性及发电量，在设计时应综合考虑多方因素，除了应考虑组件的安装维度、经度、海拔、当地的太阳能总辐射量、年平均气温，年雨水量及受台风、降雪、冰雹等；还应根据实际使用地理位置及环境气候选择相匹配的配套设备，如支架的承载能力、逆变器的功率和输出性能等；任何一个设备部件出现问题都将影响整个发电系统的质量及其正常运行；另外，户用光伏的设计以及安装不规范，还可能会造成发电量不足、漏电、系统被大风吹落、屋面漏水、逆变器烧毁等严重问题，不仅损害了业主收益，给业主造成人身安全问题，更损害了行业整体形象，也不利于家用光伏的可持续发展。因此，为规范分布式光伏市场，促进分布式光伏行业健康发展，迫切需要建立科学的、完善的分布式光伏系统设计和性能检测及质量评估等技术标准，来保障分布式屋顶光伏系统安全运行、性能可靠和业主收益稳定等，因此制定 “ 家庭户用光伏发电系统设计规范 ” 系列标准具有非常重要的意义，可进一步有序发展户用光伏发电系统，规范行业竞争秩序，促进户用光伏发电系统设计和安装水平的提高。四、国内外标准现状国外户用光伏发电的应用方面，德国推广力度比较大。德国于 2000年出台了可再生能源法， 2014 3 年 6月 9日德国光伏瞬时供电超过系统负荷 50。在我国，自 2013年国务院出台关于促进光伏产业健康发展的若干意见以来，户用光伏发电市场繁荣发展，根据国家能源局 2017年上半年光伏发电统计分析，2017年上半年分布式光伏新增装机容量 711万千瓦，同比增长 2.9倍；户用光伏发电是分布式光伏快速发展的重要组成部分。据不完全统计，国内外关于光伏发电系统的标准主要有 GB 50797-2012 光伏发电站设计规范、GB 50794-2012 光伏发电站施工规范、 GB/T 50796-2012 光伏发电工程验收规范、 GB/T 19964-2012 光伏发电站接入电力系统技术规定、 GB/T19939-2005 光伏系统并网技术要求、 GB/T 50865-2013 光伏发电接入配电网设计规范、 GB/T33342 户用分布式光伏发电并网接口技术规范、 JGJ 203-2010 民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范等；但针对户用光伏发电系统特点的还没有统一的整体设计，应尽快研制并出台户用光伏发电系统设计系列标准来促进和规范行业技术的发展。五、标准编制过程2018年 3 月 15 日，家庭户用光伏发电系统第 2-3部分设计规范 -结构设计协会标准制定计划正式下达。2018年 4月，江苏天合家用光伏科技有限公司积极组织内部技术力量组成标准编制组，根据实际设计经验，经过多次讨论完善，搭建了初步的标准框架；然后与相关企业，如珠海兴业等专业技术人员开展多次的技术交流，起草编制，完成了标准草案稿。2018 年 5 月 9-10日，主编单位江苏天合家用光伏科技有限公司和天合光能股份有限公司组织行业技术专家在常州召开了 “ 2018年度家庭户用光伏标准工作组第一次工作会议暨家庭户用光伏标准研讨会 ” ；由中国光伏行业协会标准化技术委员会裴会川副秘书长主持会议，来自英利集团、江苏爱康、北京鉴恒呢衡、珠海兴业、阿特斯、上海市质量监督检验院，苏州 UL 美华、汉能控股、力诺电力、晶澳太阳能、中国电子第 41 所、西安黄河、四季沐歌、无锡尚德、通威新能源、南京日托、广州三晶等 60 家单位，约 100位左右的行业大咖、专业技术人员参加了会议；会议对标准草案稿进行了逐条讨论，与会专家提出了多条建设性的建议；会后，主编单位又组织珠海兴业、天津中环、上东力诺等单位专业技术人员进行专题研讨，并结合家庭户用发电系统实际设计经验，就本标准草案稿进行进一步的修改提炼，形成征求意见稿。六、标准主要内容（一）材料要求由于光伏发电系统需要在室外承受自然灾害的影响，并要保持 25 年以上，所以材料的选择非常重要；必须满足相应国标的要求；因此本章节明确了结构主要材料的质量和防腐蚀等要求，以保证家用光伏系统长期户用使用的可靠性。（二）设计要求1.1设计原则1.1.1 结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。1.1.2 承重结构按承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计。1.2 荷载和荷载效应计算1.2.1 支架应按承载能力极限状态计算结构和构件的强度、稳定性以及连接强度，按正常使用极限状态计算结构和构件的变形。1.2.2 为保证发电系统结构的承载能力，特给出了支架荷载的计算公式（ 1）和（ 2）（ 1）和（ 2）1.2.3 光伏结构的荷载和荷载效应还应满足下列规定 1.2.3.1 基本风压、基本雪压应按现行标准 GB 50009 中 100 年及 10 年一遇的荷载取值，计算得出重现期 25 年的相应值进行取值。1.2.3.2 地面和平屋顶楼面支架风荷载的体型系数应取 1.3。建筑物立面安装、紧贴斜屋顶（组件表面与瓦面距离 ≤ 20cm）安装的支架风荷载的确定应按标准 GB 50009 的要求进行取值。复杂风荷载体型系数宜 4 进行风洞试验后来确定。1.2.3.3 结构荷载效应组合的设计值应按式（ 3）计算（ 3）1.2.3.4 位移计算采用的各荷载分项系数均应取 1.0；承载力计算时，荷载组合值系数应符合表 1 的规定。表 1荷载组合值系数表荷载组合载荷系数凤载荷， Ψ w 雪载荷， Ψ s永久荷载、风荷载 1.0 永久荷载、雪荷载 1.01.2.3.5 光伏发电系统的风荷载应按式（ 4）计算 0ww zsgzk   （ 4）1.2.3.6 阵风系数，按现行标准 GB 50009的规定选用；风压高度变化系数，按现行标准 GB 50009的规定选用；风荷载体型系数，按现行标准 GB50009 的规定选用；基本风压 0w ，按现行标准 GB50009规定的 25年重现期的规定值选用。1.2.3.7 光伏发电系统的雪荷载应按式（ 5）计算。（ 5） 1.2.3.8 屋面积雪分布系数，按现行标准 GB 50009规定值选用；基本雪压，按现行标准 GB 50009规定的 25 年重现期的规定值选用。1.2.3.9 结构设计时，应对施工检修荷载进行验算，基本原则如下述 a 进行结构构件承载力验算时，荷载组合应取永久荷载；b 施工检修荷载，永久荷载的分项系数取 1.2，施工或检修荷载的分项系数取 1.4；c 进行结构构件位移验算时，荷载组合应取永久荷载和施工检修荷载，分项系数均应取 1.0。1.3 设计指标及允许值1.3.1 光伏支架结构材料的物理性能指标及强度设计值、焊缝的强度设计值、螺栓连接的强度设计值应根据现行标准 GB 50017、 GB 50429、 CECS 410 的规定选用。1.3.2 结构或构件变形的规定。1.3.2.1 风荷载取标准值下支架的柱顶位移不应大于柱高的 1/60。1.3.2.2 受弯构件的挠度容许值要满足表 2 的规定表 2受弯构件的挠度容许值受弯构件挠度容许值主梁 L/250次梁无边框光伏组件 L/250其他 L/2001.3.2.3 受压和受拉构件的长细比限值要符合表 3的规定 5 表 3受压和受拉构件的长细比限值构件类别容许长细比受压构件主要承重构件 180其他构件、支撑等 220受拉构件主要构件 350柱间支撑 300其他支撑 4002 支架结构设计 2.1 设计原则2.1.1 在建筑屋面安装光伏发电系统，应根据支架结构形式对原屋面进行承载力复核，确保光伏发电系统对屋面的增重不超出原屋面的承载能力。在金属屋面和瓦屋面上安装光伏发电系统时，宜优先选用沿屋面坡度平行安装，避免屋面风荷载体形系数的改变带来对原结构的影响。2.1.2 设计结构构件时，受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效净截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算。2.1.3 光伏支架的构件应分别进行强度计算、整体及局部稳定计算，对于立柱还应验算柱顶位移，对于梁和檩条还应验算挠度值。2.1.4 计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，荷载的组合形式，各项荷载的分项系数、组合值系数均应满足现行标准 GB 50009 要求。2.1.5 在结构设计文件中应注明设计使用年限、材料牌号、焊缝形式、焊缝等级及对施工的要求。2.2构造要求2.2.1 光伏支架可由多个梁、柱、檩条单元构件组成。单元构件之间宜通过连接件采用螺栓连接，连接件节点板最小厚度应满足现行标准 GB 50017 要求。各单元构件的中心线宜交汇重合。2.2.2 镀锌钢支架用于主梁和柱的板厚不宜小于 2.5mm，当有可靠依据时板厚可取 2mm，用于次梁的板厚不宜小于 1.5mm。铝合金支架壁厚不宜小于 1.2mm,直接受力部位壁厚不宜小于 2.0mm。不锈钢支架壁厚不应小于 1.5mm。2.2.3 檩条应尽量选择通长不断开形式，如必须断开，嵌套搭接部分应采用螺栓连接，断开部位的弯矩宜小于该跨最大弯矩的 25。2.2.4 光伏支架的立柱柱脚在主刚架平面内宜设计为刚接，在平面外可设计为铰接，同时主刚架间宜用交叉张紧的圆钢、钢索或型钢作为柱间支撑以保证平面外刚度。2.2.5 型钢、圆钢或钢索作为交叉支撑时应按拉杆设计，支撑中的刚性系杆应按压杆设计，当圆钢支撑直接与梁柱的腹板连接时应设置垫块或垫板。2.2.6 光伏支架的最小倾角不宜小于 3° ，组件离地或屋面最低高度应满足现行标准 GB 50797 要求。2.2.7 安装金属屋面的光伏发电系统，逆变器宜安装在山墙、立柱等竖向构件上，如安装在屋面上的，宜分散布置，并进行局部的屋面承重校核。 2.2.8 安装在坡屋面上的光伏发电系统，采用全支撑形式支架的，应保证支架与建筑物的梁、柱构件有足够数量的锚固节点，具体数量应进行计算确定，北坡的拉杆可选用钢索或型钢。2.2.9 安装在地面上的支架，柱脚底面在地面以下的部分应采用混凝土包裹（保护层不应小于 50mm），并应使包裹的混凝土高出地面不小于 150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚底面应高出地面不小于 100mm。2.2.10 光伏支架选用直卷边槽形或卷边 Z 型的冷弯薄壁型钢时，卷边的宽厚比不宜大于 13，卷边宽度与翼缘宽度之比不宜小于 0.25，不宜大于 0.326。 6 2.3连接结构设计2.3.1 节点的设计应传力简捷，构造合理，便于加工、安装及调整；采用焊接时应避免应力集中。2.3.2 光伏组件与支撑结构之间可选用螺栓直接连接或压码连接；檩条、斜梁、立柱间的连接可选用螺栓连接或焊接连接。连接系统的设计应遵照现行标准 GB 50017 和 GB 50429的规定进行。2.3.3 光伏发电系统中的螺栓可采用不锈钢材质或碳钢材质，设计使用时应根据支架材料类型区分选用合适的螺栓材质。螺栓强度等级可选择 4.4 级、 4.8 级、 5.6 级、 8.8 级，或者 A2-50/60/70、 A4-60/70/80等。2.3.4 在钢结构金属屋面和瓦屋面上安装光伏发电系统，光伏发电系统结构所承受的外力应通过连接件传递至下部结构，连接件应分别进行材料本身、材料与屋面板连接的抗拉、抗剪、抗压强度的验算，必要时可按试验确定。2.3.5 支架构件的螺栓孔周边应无毛刺、破裂、喇叭口和凹凸的痕迹，切屑应清除干净。螺栓孔的孔径比螺栓公称直径 d 大 1.0mm～ 2.0mm。连接的螺栓应采用能防止螺帽松动的有效措施。2.3.6 硅酮结构密封胶的粘结宽度、粘结厚度及力学性能应符合现行标准 JGJ 102的规定。 2.4防腐设计2.4.1 支架、支撑金属件和其它的安装材料，应根据光伏系统设定的使用寿命选择相应的耐候材料并采取适宜的维护保养方法。2.4.1.1 碳素钢和低合金高强度结构钢作为支撑结构时，宜采用热浸镀锌防腐处理，锌膜厚度应符合现行标准 GB/T 13912 的相关规定；如采用氟碳喷涂或聚氨酯喷涂的表面处理办法时，涂膜厚度应满足现行标准 JGJ102 中的相关规定；如采用防锈漆或其它防腐涂料时应遵照相应的技术规定。腐蚀严重地区的支架，必要时可在上述规定的基础上适当增加防腐蚀涂层厚度。2.4.1.2铝合金型材采用阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂、氟碳漆喷涂进行表面处理时，应符合现行标准GB 5237的规定，表面处理层的厚度应满足表 4 的要求，且不应出现露底现象。表 4 铝合金型材表面处理层厚度表面处理方法膜厚级别（涂层种类）平均膜厚， μ m 局部膜厚， μ m 阳极氧化不低于 AA15 t≥ 15 t≥ 12电泳喷漆阳极氧化膜 B t≥ 9漆膜 B t≥ 7复合膜 B t≥ 16粉末喷涂 t≥ 40氟碳喷涂二涂 t≥ 30 t≥ 25三涂 t≥ 40 t≥ 34四涂 t≥ 65 t≥ 552.4.2 除奥氏体型不锈钢外，光伏阵列中不同金属材料的接触部位应设置绝缘垫片或采取其他防腐蚀措施。受盐雾影响的安装区域和场所，应选择符合使用环境的材料及部件作为支撑结构或采用同一金属材料的支撑结构，并采取相应的防护措施。3 基础设计 3.1 一般规定3.1.1 在建筑上增设或改造光伏发电系统，应进行建筑物结构安全复核，并应满足建筑结构安全性要求。3.1.2 支架基础设计应进行抗滑移、抗倾覆、抗拔等稳定性验算。3.1.3 支架立柱与混凝土基础宜通过预埋件连接，预埋件的位置应定位准确；当采用其他可靠的连接措施时，应通过试验确定其承载力。3.1.4 支架基础可采用钢筋混凝土独立基础和条形基础。基础内应设置钢筋、基础宜与建筑物主体结构锚固，且应对原建筑屋面防水进行修复处理。当不能与主体结构锚固时，应采取提高支架基础与主体结构间附着力的措施。3.1.5 连接件与基础的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。 7 3.1.6 地面户用光伏发电系统基础设计应考虑地质条件，并参照现行标准 GB51101 的相关要求进行设计。3.2 建筑结构屋面承受荷载能力校核3.2.1 在建筑结构计算中，新增光伏发电系统所产生的自重应计入原建筑屋面的恒荷载中，并应考虑由于新增光伏发电系统所引起的屋面永久荷载、可变荷载变化的影响，对结构进行整体的结构计算复核。3.3 平屋面支架基础设计3.3.1 支架基础的抗倾覆计算应按现行标准 GB 51101 第 5.3.16 条进行计算。3.3.2 支架基础的抗滑移计算。应按 GB 51101 第 5.3.15 条进行计算；摩擦系数 μ 应根据屋面表层与基础直接接触的材料材质及其表面的粗糙程度确定，必要时应通过试验确定。3.3.3 支架基础的抗拔计算应按 GB 51101第 5.3.17条进行计算。3.3.4 支架基础配筋应满足 GB 51101 第 5.4.13的要求。 3.4 斜屋面连接件设计3.4.1 采用钢材制作抱箍、弯钩时，其设计应符合现行 GB 50017 的规定，采用铝材制作抱箍、弯钩时，其设计应符合现行 GB 50429 的规定。3.4.2 彩钢瓦夹具宜采用铝合金材质；夹具应根据彩钢瓦型号进行定制设计，夹具内侧应与彩钢瓦紧密贴合并与彩钢瓦波峰进行连接；夹具设计应符合 GB 50429 的规定。3.4.3 用螺钉连接的梯形夹具，螺钉的规格及数量需要根据实际荷载值进行计算确定，螺钉需做防腐处理，打孔处需用橡胶垫等做屋面的防水处理，保证原屋面的防水功能。3.5 埋件设计3.5.1 埋件、锚栓连接的屋面施工完成后需对原屋面防水破坏处进行修复。3.5.2 光伏支架基础所采用的埋件可分为预置埋件和后置埋件两种形式，现浇混凝土基础宜采用预置埋件、锚筋。3.5.3 光伏支架基础与建筑的主体结构采用后加锚栓连接时，应符合下列规定 a 碳素钢锚栓应经过防腐处理； b应进行锚栓承载力现场试验，必要时应进行极限拉拔试验；c）每个连接节点不应少于 2 个锚栓；d）锚栓直径应通过承载力计算确定，并不应小于 10mm；e）不宜在与化学锚栓接触的连接件上进行焊接操作；f）锚栓承载力设计值不应大于其选用材料极限承载力的 50；g）在地震设防区必须使用抗震适用型锚栓。七、与国内有关现行法律、法规和强制性标准的关系该标准符合国家有关法律、法规的要求，与现行国家强制性标准协调一致。八、标准实施的建议本标准建议作为推荐性协会标准实施。标准编制组2018年 6月