太阳能光伏组件与金属屋面系统连接设计及工程应用

种文军

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

伴随新能源在近些年的不断发展，光伏建筑的一体化建设水平也在不断提高，这使得太阳能光伏建筑的一体化建设，也成为未来一段时间内，光伏应用的一个重要的领域。就光伏发电与建筑物的集成化建设来讲，其指的主要是将他样能电池的组件安装到建筑物屋顶上，借助引出端的作用，通过逆变器和控制器同公共电网连接起来，以便可以借助光伏方针和电网的并联为用户提供电能，从而组成一个用户并网的光伏系统。因此，要想首先光伏发电与建筑物集成化的发展目标，对金属屋面和光伏发电的连接设计展开研究势在必行。

1 金属屋面系统和太阳能光伏组件的连接设计

1.1 连接节点设计

对太阳能光伏组件来讲，对连接节点进行设计可以使在金属屋面板系统中进行太阳能光伏组件安装的目标顺利实现，从而在保证屋面系统建筑防水、抗风、建筑造型等使用功能顺利完成的基础上，保证光伏组件的效能可以被实现。对太阳能光伏组件来讲，大多都是借助铝合金压块，利用不锈钢材料的螺栓被固定到方形的铝合金材质导槽檩条之上，而铝合金的导槽檩条则按照间距被固定在“C”型的铝合金檩条上；之后，再使用不锈钢的螺栓，将“C”型的铝合金檩条固定在铝合金的锁夹之上；最后，将铝合金的锁夹在金属屋面系统中的固定座上夹紧，不可以将铝合金锁夹固定在屋面板不含有固定座的位置[1]。在连接太阳能光伏组件和金属屋顶系统的过程中，只有完全明确上述各个连接节点的传力，才不会对铝镁锰合金材料制作成的金属屋面板产生额外荷载作用。

1.2 光伏组件的铝合金型号与材料

对金属屋面系统来讲，为了进一步降低其在连接太阳能光伏组件时对于自身承重能力的要求，在选择和使用用来固定光伏组件支架时均可以选择使用轻型的铝合金型号或者是材料。具体来讲，构成支架的铝合金型号与材料需要满足以下各项要求：①具有较强的成型能力，使用挤压铝合金型材成型处理的过程中，可以获得各种复杂性的截面，或者是加工精度较高的支架[2]。②受力性能良好，对于牌号为6061-T6的铝合金挤压型材料来讲，其本身的强度较高，抗拉强度最高能够达到200N/mm2，抗剪力的强度可以达到115N/mm2，弹性模量能够达到2700N/mm2，线膨胀系数可以达到23×10-6/℃，密度能够达到2700kg/m3[3]。③自身重量较轻，不会对金属屋面系统产生较大的荷载影响，安装更加的方便。

1.3 铝合金材质锁夹的设计

为保障金属屋面系统整体的使用性能，在同太阳能光伏组件进行连接时，需要保证选择的各类构建都不能够穿透屋面板结构。同其他连接件相比，在对连接安装设计时，选择使用铝合金锁夹，不仅可以保证整个屋面系统的完整性，不会对屋面系统防渗漏的性能带来任何一种形式的影响，还可以确保太阳能光伏组件在安装和使用过程中的安全性和便捷性，确保整个建筑物的造型和美观度不会因此受到不利影响[4]。在适用铝合金材质的锁夹时，安装人员可以将锁夹扣到屋面板高肋上，不需要穿透屋面系统任何一个位置，就可以同高肋下方高强度的铝合金材质支座保持相对应的状态，同时借助高强度铝合金材质支座的作用，将力传递到檩条结构上，使太阳能光伏组件上部能够被安全、稳定的支撑在金属屋面系统上[5]。

为了进一步适应金属屋面板对于温度变形提出的要求，可以采用特殊材质的铝合金锁夹，借助锁夹本身带限位结构的设计方式，使用M8号的不锈钢螺栓进行连接，配合双螺母和带弹簧垫圈的设计方案，就是一个具有较高可行性的连接设计模板。

2 在工程项目中的实际应用

本文主要以广西体育中心二期的游泳馆、新建设完成的杭州东站和滨州市的奥林匹克公园开办第十一届全运会的体育馆，这三个建筑项目作为金属屋面系统和太阳能光伏组件连接设计的工程实例。其中，广西体育中心二期的游泳馆对于太阳能光伏组件的应用，主要是用该组件构建了太阳能光伏发电项目，属于该光伏组件借助高强度铝合金锁夹，将太阳能电池组件与屋面板系统进行连接设计的一个成功案例。对于新建设完成的杭州东站，其金属屋面采用的是加强型的铝镁锰合金制作的直立型锁边系统，整个屋面的面积在15万平方米左右，采用了国内单体面积最大的一个太阳能光伏组件的一体化系统。该站使用的太阳能光伏发电属于BIPV示范项目的范畴，起标准的直流输出功率已经达到了10MWp。滨州市的奥林匹克公园在迎接第十一届全运会时建设的体育馆，其屋面系统使用了HV470号的压型钢板。同时为了满足同太阳能光伏组件连接设计时的强度要求，还配合使用了不锈钢的锁夹，作为连接金属屋面系统和太阳能光伏组件的配件。此外，相关人员针对不锈钢锁夹的承载力展开了试验研究，且试验结果满足相关要求。

3 结论

总而言之，在光伏组件与建筑物朝着集成化的方向逐步发展的今天，了解太阳能光伏组件同金属屋面系统的连接设计方法，明确其设计过程中比较适合的材料和设计方案，选择了比较适合的铝合金材质，并介绍了相应的连接设计方案，以及其在实际工程中的应用情况，以期可以为后续相关工程的连接设计奠定良好的基础。