BIPV的技术壁垒
发布日期：2020/10/24
无需置疑，结构安全是建筑存在的前提。但安全性过高又会带来经济性的降低，在保证系统安全的同时又能将结构造价降至最低，才能推动建筑光伏行业的健康发展。由于建筑是人类活动最为频繁和密集的地方，光伏屋顶电站所需要的安全性能远比光伏地面电站要严格和重要得多，这就需要专门的结构师对系统作整体的计算和设计，在光伏系统总承包领域，拥有注册结构师的公司应该屈指可数。而光伏屋顶电站的结构设计标准的缺失导致了光伏系统的结构设计混乱，参考现有标准的设计结果是：如果所有指标全部按照“低配”取值，无疑是非常不安全的;如果全部按照“高配”取值，又是非常不经济的。这就需要大量的工程实践经验再配合理论进行设计考虑，重点主要体现在以下几个方面：
(1)结构安全等级不明，可靠度指标不确定;
众所周知，结构设计前必须确定结构的安全等级，进而根据其安全等级确定它们的目标可靠度指标(在设计中是确定安全等级对应的重要性系数)。
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001根据基于概率的设计方法，规定采用结构可靠度指标β值，作为结构失效的基本判据，其定义为：
对于不同类型的结构，《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001表3.6.1(如下表)有不同的规定：
结构构件承载能力极限状态的可靠度指标
注：当承受偶然作用时，结构构件的可靠度指标应符合专门规范的规定。
因此，通过分析确定光伏电站的结构类型，进而确定其对应的可靠度指标在实际设计中是到头重要的，它关系的结构的失效概率，然而实际情况是，大多数设计都并不清楚，应该采用何种安全等级，目标可靠度应定为多少。
(2)风荷载计算：
首先来看荷载计算，《建筑结构荷载规范》GB50009的第7章风荷载给出了两种结构形式的计算公式，一种为：主要承重结构，另一种为：围护结构。同一个案例两个公式计算得出的结果相差甚远，以假设B类地区某钢结构构筑物长5m，宽5m，高10m为例来计算，结果如下表：
可以看出：
1. 基本风压如果取25年重现期，荷载降低11%--13%，对主要承重结构的风振系数稍有影响。
2. 主要承重结构的风振系数与围护结构的阵风系数相比，降低约30%。
3. 体型系数影响降低30%。
综上：按“低配”设计比按“高配”设计风荷载降低55%--58%，意味着支撑系统的设计会降低一半。
光伏屋面系统的结构形式显然不属于围护结构，当然也不是主体结构，那么究竟应该如何计算?如果屋面附加的光伏系统出现破损时对人员的伤害概率相对于主体结构和围护结构来说都不算太大，那么在做承载力校核时结构构件重要性系数，是否可取为0.9?或者综合两个问题同时研究得出综合结论呢?
当然在保证安全的前提下我们希望取低者。因为无论是新建建筑还是改建建筑，光伏系统在建筑中大量的应用还是在屋面上附加，经济性的评价是实现大面推广的前提。今年电池板的价格已经降到了谷底，光伏屋面电站的系统成本成为争取项目的重要指标，可以说系统集成每瓦以毛为单位在衡量。这个时候，安全前提下的经济性就显得尤为重要。正在修编的《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ203在编制组的努力下试图解决荷载取值问题，业内共同在期待着本标准的发布。
(3)光伏构件的热应力的考虑
由于太阳能电池在发电的同时还会存在背面温升的问题，也就是说光伏构件相对于普通玻璃来说自身的昼夜温差、冬夏温差更大，产生的温度应力和形变更加不可忽略。设计中玻璃面板的缝宽应满足面板温度变形和主体结构位移的要求，并在嵌缝材料的受力和变形的承受范围之内。入槽的光伏构件边缘至边框槽底的间隙如果设计不够就会造成光伏构件的热应力得不到释放而挤压破裂，而显然《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102中的4.3.12条给出的公式是没有考虑温差形变的，只能作为参考。在国家标准给出这个间隙的新的计算公式以前，支撑系统的设计就需要工程经验了。
(4)既有屋面支撑系统的结构设计
我国现有大约400亿m2的建筑面积，屋顶面积40亿m2，利用既有建筑闲置屋面加装光伏系统，成为光伏建筑的一个庞大分支。这种安装形式有效利用屋顶资源，简单易行，值得提倡。但是这种二次安装没有统一的标准和规定，对现有建筑物的屋顶的防水和承重破坏比较严重，其次系统本身的结构设计也是一个重点，一定不能与地面电站划等号。为了不影响原有屋面的防水保温功能，支架基座不一定与建筑物主体结构有连接，但规范应强制规定这种结构必须控制系统整体的抗滑移、抗倾覆能力，这个计算办法规范并没有给出，也不是简单的一个公式可以算出，这就需要专业的结构设计师进行专项设计计算了。同时在9度以上地震地区需要考虑竖向地震力的情况下不宜设置与主体结构无连接的屋面光伏系统。
特别补充：对于地面电站，安装环境通常为风压较大的的荒漠地区，因此，抗倾覆验算更加是必不可少的。然而，由于混凝土基础与地基都不可能做到完全刚性，因此，其验算中对之取矩的点不能取在基础的边缘，而应稍微偏内侧一些，但内移的距离，现在尚无相关的实验参数，能否参照目前的普遍建筑的规范也需要进一步论证。
(5)金属屋面支撑系统的结构设计
由于直立锁边点支承屋面系统被广泛用于机场、铁路站房、会展中心、体育场等占地面积大的底平型公用建筑，而往往这种建筑的屋顶正好是光伏系统的最佳利用场地，因此，目前直立锁边金属屋面外附加光伏系统的情况也是普遍存在的。光伏系统与金属屋面的连接往往依靠一种与T支座相配套的铝合金夹支撑金属屋面以上的系统，无需穿透屋面，完全可以保证屋面系统原有的整体防水保温性能。
但值得关注的是：很多项目从设计开始，一直到后期的招投标、采购、安装、维护等过程均未能实现完美的一体化，屋面以下的直立锁边金属屋面系统为屋面板厂家设计、施工、安装，屋面以上的光伏系统由电池板厂家设计、安装、维护。通常电池板厂家可以与建筑师配合好电池板的朝向、阵列、建筑造型等问题，而忽略了光伏电池板如何将自重、活荷载、雪荷载、风荷载等结构荷载合理科学安全的通过直立锁边金属屋面系统传至屋顶钢结构的问题。
为了节省光伏系统的支撑龙骨，将铝合金夹随意放置于金属面板直立边的任意位置的情况普遍存在。而根据实验：标准为400mm板宽，0.9mm板厚的直立锁边金属板安装在间距为1200mm的檩条上,可以承受不超过0.9kN的直立边跨中集中力。而1m2电池板自重0.3kN，屋面活荷载为0.5kN，就算不考虑风荷载仅考虑恒荷载和活荷载的组合，组合设计值为1.06kN，一平米设两个支点，则一个支点的集中力为0.53kN ，已经达到极限荷载的60%，从结构安全度上来讲是非常危险的。
更加危险的是，由于电池板多数为了考虑尽可能多的接受太阳辐射而设计为最佳倾角，已产生与原金属屋面完全不同的较大的正负风荷载，因此，绝不能忽略安装电池板带来的风荷载的改变对整个屋面系统结构的影响。正确的将屋面电池板的荷载传递至屋面钢结构的路径应该是：电池板荷载--电池板支撑龙骨--铝合金夹--T支座--屋面檩条--屋顶钢结构，与直立锁边金属板无关。规范应明确规定：附加在金属屋面板上的组件所承受的荷载应通过结构连接件有效转递至屋面钢结构檩条上，不宜将金属屋面板作为传力构件。
综上所述，在建筑上安装光伏系统绝不是简单的将地面电站搬到屋顶上，或者将幕墙的面板用光伏构件进行替代那么简单。这是建筑和光伏两个完全不同的技术领域的交叉和叠合，既需要和专业的合作有需要相互的妥协。在这条路上，总会有光伏和建筑产生的美妙的火花，也难免出现失败的案例给大家失败的教训。也正是因为这个交叉领域有太多的未知，才激起人类的不断探索。只要从业人员认识到这些差别，了解这些技术壁垒，项目就会越建越好，成功率就会越来越大。
来源：光伏测试网 作者：罗多
