粮库类拱形屋顶光伏项目设计方案探讨及优化

常景电力

2016年国家发改委、国家粮食局印发《粮食行业“十三五”发展规划纲要》通知,此前网传的“仓顶阳光工程”示范正式被写入规划。文件纲要提出:十三五期间发展绿色环保新型粮食产业,充分利用…

2016年国家发改委、国家粮食局印发《粮食行业“十三五”发展规划纲要》通知,此前网传的“仓顶阳光工程”示范正式被写入规划。文件纲要提出:十三五期间发展绿色环保新型粮食产业,充分利用粮库设施资源和条件,引导社会投入,支持粮食企业加快实施“仓顶阳光工程”示范,争取到 2020 年装机容量达到 1GW。2017年4月安徽省合肥市印发《合肥市“仓顶阳光工程”实施方案》,文件中明确“十三五”期间全市粮食系统力争完成50MW光伏发电装机容量建设,2017年全市粮食系统光伏发电装机容量力争达到17MW以上。

随着我国经济的快速发展,经济增长与资源耗费和环境污染之间的矛盾愈发突出,自然资源的可持续利用已成为经济社会持续发展的关键,经济再生产越来越依赖于自然生态环境的优化和再生产。光伏电站的建设,正在把保护环境、优化生态与提高效率、发展经济统一起来,提高了资源配置的高效性,促进了资源的可持续供给。在政策的指导下,粮库屋顶的光伏电站的建设有利于在持续利用资源的基础上,在资源环境与经济协调发展的过程中,实现经济效益最大化、生态效益最大化和社会效益最大化,是发展地区绿色经济的需要。

粮仓简介

粮仓是重要的储粮设施之一,粮仓的结构和性能优劣直接影响到储粮安全。在建设粮仓分布式光伏发电项目之前,需要充分了解仓房结构、性能与配套设备方面的细节。以下将主要介绍粮仓的一些主要特点,为更好的建设分布式光伏电站做好充足的准备工作。

➤仓房结构

仓体:粮仓不同于其它建筑物,除承受风载、雪载、地震等载荷外,还要承受相当大的粮食侧压力,尤其要考虑不同粮种、不同堆放方式、不同装粮高度的粮食侧压力对仓壁的影响,以防墙体开裂;还要考虑对地坪的垂直压力、预防地坪下陷。

仓门、仓窗:仓房的门窗、孔洞设置要考虑粮食进出仓工艺和日常管理方便。考虑到仓房的气密性和仓储工艺要求,仓房的窗户宜少、窗户大小、数量与开启方式要符合通风、补仓作业需要。

➤仓房储粮性能

防潮防漏性能:仓房上部排风扇孔洞的外侧应有挡雨盖,避免雨水渗入,内侧有密闭门,避免熏蒸时漏气;防潮层防水材料一般设置在保温层的高温侧,以避免保温材料内部出现水分凝结,降低隔热效果。

隔热保温性能:在屋面上增设实体材料隔热层,提高结构的隔热性;

密闭、通风性能:降仓温通风是仓房日常管理中,尤其是低温储粮管理中的一项。

➤仓房配套设备

粮情测控系统:粮情测控系统是粮库长期储粮的必需设施。

通风降温系统:在选用风道时必须考虑仓房用途、进出仓作业形式、通风途径比等因素。

图1 粮仓框架结构

现场勘查及设计要点

➤屋顶类型

1)混凝土屋面

现场勘查此类屋顶时,需要注意如下几点:

Ø 建筑物的朝向、坡度以及屋面是否有收缩缝、女儿墙或障碍物等;

Ø 防水层是否出现老化,起鼓等现象;

Ø 是否有隔热层以及其做法;

Ø 避雷带的安装位置及具体做法。

图2 混凝土屋面(无隔热层)

2)彩钢瓦屋面

现场勘查此类屋顶时,需要注意如下几点:

Ø 建筑物的朝向、坡度以及屋面是否有采光带、女儿墙或障碍物等;

Ø 彩钢瓦类型(优选角弛型或直立锁边型彩钢瓦结构,一般梯形彩钢瓦不建议安装光伏电站,若采用胶粘方式可以适当考虑梯形彩钢瓦);

Ø 彩钢瓦锈蚀程度,屋面防水情况;

图3 彩钢瓦屋面

➤荷载复核

屋顶为混凝土屋面,正常情况下在增加 0.4~0.5kN/㎡的光伏系统恒荷载后, 能够满足新增光伏系统荷载后的结构设计要求。有的仓库顶面后期做了架空隔热层,其隔热层载荷是否符合设计标准,需不需要拆除,需要与相关部门人员确认核实。屋顶为彩钢屋面,正常情况下在增加 0.15kN/㎡的光伏系统恒荷载后, 能够满足新增光伏系统荷载后的结构设计要求。投资方应在建设项目前会对屋面承重情况进行复核,保证项目安全性。

平房仓结构设计应根据使用过程中结构上可能出现的作用 ,按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行作用效应组合 ,并应取各自最不利的组合进行设计。散装平房仓应按空仓、满仓及单侧堆粮时与其他各种作用的不利组合。

各种荷载的取值和作用的计算,除本规范规定者外,其余均应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的有关规定确定。

永久荷载 :结构自重、土压力、预应力或其他加在结构上随时间不变的荷载;

可变荷载 :粮食荷载 、屋面活荷载 、输送设施吊挂荷载 、风荷载 、雪荷载 、气密性加压检测荷载、温度作用或其他加在结构上随时间变化的荷载。

图4 散装粮对仓壁压力计算

➤光伏布置与接线原则

按照国家规范要求及相关行业经验,粮仓屋顶分布式光伏发电项目宜采用随坡布置的形式或者带有小倾角的形式安装,光伏阵列与光伏阵列之间的检修通道为500mm和1000mm,检修通道及电缆桥架宜设置在屋脊线附近,同时需要预留光伏逆变器、汇流箱的安装位置,宜放置在光伏方阵中间,同时尽量减少由此产生的阴影遮挡。

在光伏设备选型的过程中,需要特别注意逆变器的选型,考虑到拱形屋面的特性,选用组串式逆变器为最佳选择。在以下情况下,必须采用组串逆变器,才可以减少组件串的电气失配:如光伏组件平铺在粮库屋面上,光伏组件的倾角随屋面弧度的切线呈现不同角度的变化,在屋脊处为0度,在屋脊两侧逐渐变大,同时屋脊两侧光伏组件的朝向也不一样,如果建筑是东西走向,则屋脊两侧组件有朝正南方向有朝正北方向;如果建筑是南北走向,则屋脊两侧组件有朝正东方向有朝正西方向。只有当光伏组件都采用同一朝向、同一倾角时,可以采用集中式逆变器。而在粮库这种拱形混凝土屋面上,将光伏组件设计为同一朝向和同一倾角时,会大大增加光伏系统设计(倾角设计、阵列间距设计)和光伏支架的设计的难度,屋顶安装光伏组件容量将会减少,但光伏组件单瓦输出的发电量将会得到较大的提高。

图5为某项目粮库建筑物拱形屋面上光伏组件同倾角同朝向案例,如图中可见,南坡第一排为竖向三排设计,第二排和第三排为竖向双排设计,第四排和第五排为竖向单排设计,由于坡度原因,南坡阵列间距相对较小,北坡阵列间距相对较大,同时各排光伏阵列的支架结构也不一样,增加了支架安装的施工难度。在满足屋面荷载能力、支架风荷载、雪荷载等计算的条件下,在光伏组件平铺在屋面上和组件以同倾角同朝向布置两种方案之间,我们建议通过技术经济优化手段采用后者,以提高光伏组件单瓦发电量和经济效益,虽然这种方案会增加设计难度。

图5 拱形屋面光伏组件同倾角同朝向案例
在光伏组件串的组件串联接线时需要注意将同一朝向、同一倾角的组件串联在一起,然后进一步将同一朝向、同一倾角的光伏组件串并联接入逆变器的同一路MPPT中,以免南北坡混接引起光伏组件串并联失配影响发电量输出。

➤光伏支架设计

1)彩钢瓦屋面

彩钢瓦屋面通常根据彩钢瓦类型设计光伏支架,主要分为三种,角弛型、直立锁边型、梯形,其中前两者均采用夹具形式与屋面进行可靠连接,梯形主要采用打孔或胶粘支架形式与屋面进行可靠连接,由于梯形需要打孔,极易发生漏水,且粮仓对防水要求较高,因此建议不使用此类型的屋面。(梯形彩钢屋面不能打孔安装,如需安装建议采用硬度较低、剥离强度较高的光伏结构胶粘接,所用胶粘剂与混凝土结构胶在硬度、剥离强度等方面有所区别。)

图6彩钢瓦屋面

2)混凝土屋面

混凝土屋面通常有如下几种做法,胶粘形式、支墩形式、地梁形式等,以下将分别介绍几种常见方案的优缺点及技术要求。以北京某粮仓屋顶为例,光伏组件采用GCL-P6/60-270W,组件外观尺寸为:1640*992*40mm,重量为18.5kg。光伏组串为每24块为1串,每8个光伏组串接入1台50kW光伏逆变器中,每4台光伏逆变器接入1台4进1出的交流汇流箱,后接入箱变中,实现高压并网。

a) 胶粘形式:

此种方式为了保证粘贴密实度,应采用先人工后机械的打磨方法,剔除混凝土表面的木屑、油毡、沙粒等表面附着物质及酥松混凝土,露出混凝土密实的表面。在粘接前,要保证粘接面一定要干燥,不能潮湿。严格按照配胶工艺要求进行配胶(具体根据胶水品牌和厂家要求确定),每次配胶都必须称重,随配随用,配胶量不宜过多(不超过4公斤),配好的胶需在适用期(夏季为20–30分钟,冬季为40-60分钟,具体可根据施工工艺确定)内用完。

立柱底板与混凝土屋面粘贴后在常温下进行固化,固化时间根据环境温度确定,达到固化时间后才可以进行后续施工。结构胶固化后,应对一定比例的立柱做拉拔实验,要求每个立柱抗拉拔能力不小于2.5kN。经计算,光伏组件与支架系统共增加恒荷载标准值约0.15kN/㎡。待立柱安装完毕后,立柱处应加强防水处理。此种方案适合屋面允许恒荷载值偏低的屋面使用,且对防水层修复能力要求较高。

图7 2X24光伏布置图(图中黑色方块为底板位置)

图8光伏组件屋面布置横断面示意图

图9现场安装图

b) 支墩形式:

此种方式为了保证不出现下滑风险,应采用先预制混凝土墩(300*300*250mm或其他规格,依据当地风荷载值),在其中做好预埋件,后用螺栓与立柱底板连接,最后在屋脊中间部分(南北坡或东西坡)一定要可靠连接,此举可以保证坡面两边受力均匀,避免了下滑的风险。经计算,光伏组件与支架系统共增加恒荷载标准值约0.4kN/㎡。此种方案适合屋面允许恒荷载值较高的屋面使用,且对防水层不构成破坏,有利用后期检修或更换防水层。

图10 2X24光伏布置图(图中方块为支墩位置)

图11光伏组件屋面布置横断面示意图

图12现场安装图

c) 地梁形式:

此种方式为了保证不出现下滑风险,应采用先浇筑混凝土地梁(300*400*Lmm或其他规格,依据当地风荷载值),在其中做好预埋件,后用螺栓与光伏支架连接,由于地梁为一个整体,中间不断开,此举可以保证坡面两边受力均匀,避免了下滑的风险。经计算,光伏组件与支架系统共增加恒荷载标准值约0.4kN/㎡。此种方案适合屋面允许恒荷载值较高的屋面使用,且对防水层会构成破坏,需要修复防水层。

图13 2X24光伏布置图(图中条状为地梁位置)

图14光伏组件屋面布置横断面示意图

图15现场安装图

d) 化学螺栓直接固定形式:

化学螺栓由化学胶管、螺杆、垫圈及螺母组成。化学螺栓是靠与混凝土之间的握裹力和机械咬合力共同作用来抗拔和螺栓本身来抗剪,主要用在新旧结构的连接处,各项力学指标计算时要根据生产厂家提供的资料来进行,因为各种厂家生产的化学粘接剂都不同,所以粘接能力也不同。化学螺栓具有耐酸碱、抗老化、可在潮湿环境使用,锚固力强、无膨胀应力,边距间距小,适用于空间狭小处,安装快捷,凝固迅速,节省施工时间等优点。采用化学螺栓直接在混凝土中固定的方案较为简单,施工快捷。此种方案适合屋面允许恒荷载值偏低的屋面使用,但对防水层修复能力要求较高。由于采用此方案需要在混凝土屋顶中钻孔,存在渗水可能性,如果难以做好屋面防水时不建议使用该种方案。

 
图16现场安装图

➤防雷接地设计

粮仓防雷设计前应全面收集相关资料,例如建筑总平面、当地年平均雷暴日数、工艺设备配置以及原有粮仓防雷接地设置等。粮仓防雷设计应符合现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057中第二类防雷建筑物的防雷要求。应在屋顶设置避雷网(带)、针或利用金属构件作为接闪器。屋顶避雷网网格尺寸不应大于10m×l0m、12m×8m。当光伏组件高出原有屋顶时,应设避雷针或避雷带保护,高出光伏组件约0.2m,避雷网(带)、针、金属构件及光伏设备均应与引下线牢固连接,引下线可按下列方式设置:

1、当粮仓为钢筋混凝土结构时,利用其结构通长主钢筋,每处不应少于2根,主钢筋必须焊接连接。

2、当粮仓为轻钢结构时,可以利用其自身防雷接地系统。

以上两种方案必要时均可以制作主接地镀锌扁钢与地网可靠连接。引下线可用镀锌扁钢,镀锌扁钢截面不应小于48mm²,厚度不应小于4mm。接地引下数均不应少于2处,间距不应大于18m,且应对称布置。低压线路宜采用电缆直埋地敷设或沿桥架敷设;电缆的金属外皮、避雷器及绝缘子铁脚应与防雷接地装置相连或单独接地。突出屋面的金属构件应与防雷装置可靠连接。一般情况下,粮食平房仓结构设计满足利用平房仓基础内钢筋做自然接地体,利用柱内主筋作为防雷引下线,电气装置(金属构件、PE/PEN线、电气装置中的接地母线、金属管道等)均应作总等电位联结。平房仓接地系统采用共用接地的形式,即工作接地、保护接地、防雷接地以及防静电接地共用,要求其接地电阻不大于1Ω。

➤防火设计

粮仓应按现行国家标准《建筑灭火器配置设计规范》合理配置灭火器,除此之外,粮仓的消防与给水设计尚应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016的有关规定。平房仓储存物品的火灾危险性应为丙类,其占地面积及每个防火分区的最大允许建筑面积应符合表1的规定。平房仓防火分区之间应采用防火墙分隔 ,防火墙的耐火极限不得低于4h。

表1 平房仓占地面积及防火分区中最大允许建筑面积(m²)

➤防水设计

根据《粮食平房仓设计规范》GB 50320的有关规定,储备仓及成品粮仓屋面防水等级不应低于I 级 ,其他使用功能的平房仓屋面防水等级不宜低于I 级 。金属板材屋面上层金属屋面不宜采用明螺栓固定,必须采用时,应采取防腐及防渗漏措施。拱板平房仓不宜采用刚性防水层,必须采用时 ,应采取防止刚性防水层下滑的措施。建设分布式电站时需要仔细勘察了解屋面防水情况,针对已经出现的漏水、渗水等情况,需要及时修复,同时尽量使用可以用夹具固定的彩钢瓦屋面,梯形彩钢瓦需要注意加强固定孔位置的防水措施。由于防水要求较高,建议在项目立项时充分考虑由此可能增加的相关措施费,由于防水等级要求不应低于I 级,正常情况下相关费用在50~80元/㎡之间。

➤箱变选址与电缆敷设

粮库屋顶光伏项目,现场环境有一个特点,即粮仓与粮仓之间几乎全部是硬化路面,粮仓建筑分布和道路布置均很规则,一般建筑之间没有地方可以布置箱变,建议利用绿化带或其他空余地方,同时根据《建筑设计防火规范》、《20KV及以下变电所设计规范》GB50053-2013等规范要求,油浸式变压器离墙的安装距离应不小于10m,因此在分布式光伏电站设计时,应优先选择干式变压器。建筑分散和硬化路面带了另一个问题是电缆的敷设,从屋顶上直流汇流箱或者交流汇流箱下至地面的电缆,有两种方式敷设,一种方式是开挖电缆沟,另一种方式是顶管。顶管技术优点在于不影响周围环境或者影响较小,施工场地小,噪音小,而且能够深入地下作业;顶管技术缺点在于施工时间较长,工程造价高等。在施工方面,可以根据实际情况,同时采用两种施工工艺,以开挖电缆沟为主,顶管技术为辅。

结束语

利用粮食仓储基地的仓顶铺设光伏系统,不但开发了闲置的屋顶资源,更重要的是通过这种技术可实现粮库隔热保温、防水防漏、环保节能等目标。同时在光伏发电系统设计与建设方面需要更加充分考虑屋面荷载、建筑系统结构、防火、防雷、防水防漏等方面更高的标准和要求,努力打造“优质、绿色、安全”工程,为国家粮食安全与社会稳定做出更大的贡献。本文通过对光伏粮仓的基本特点和建设难点的介绍,让设计人员有个充分的了解,为更好建设分布式光伏发电项目提供了一些参考建议。粮库仓顶分布式光伏发电项目,在投资建设之初,要充分考虑储粮安全和光伏发电的双重需要,科学设计,精心施工,使社会资源得到合理利用。

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