太陽光電系統鋁合金棚架型支撐架結構分析與設計

 

刊登日期:2019/9/4
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在臺灣,裝配於屋頂或地面的太陽光電(PV)系統棚架型支撐架,在面對颱風與地震兩大天然嚴峻考驗時,支撐架能否承受強大風壓及地震力,並讓太陽能模組穩定地鎖固於支撐架上,使光電系統發揮功能,是需要被關注的結構工程議題。鋁合金構材因具有質輕且耐腐蝕的優點,為適用於沿海地區的支撐架,其大多採用特殊接合型式。
 
本文將從以下大綱,針對鋁合金棚架型支撐架的結構分析與設計方法進行研究與探討。
‧前言
‧棚架型PV系統支撐架
 1. 棚架型支撐架之相關政策
 2. 鋁合金支撐架與特殊接合型式
 3. PV系統支撐架結構設計現況
‧鋁合金PV系統支撐架結構動力行為
‧鋁合金PV系統支撐架結構分析
 1. 分析模型之簡化模擬方法
 2. 簡化模擬與實驗量測的結果比較
‧PV系統支撐架結構設計
 1. 太陽光電系統支撐架結構設計參考手冊(草案)
 2. 結構物自然頻率對於設計的重要性
‧結語與未來展望
 
【內文精選】
前言
我國政府規劃於2025年將再生能源發電占比提升至20%,其中太陽光電(Photovoltaic; PV)系統累積裝置容量目標為20 GW,這當中屋頂型設置目標為3 GW、地面型設置目標為17 GW。為了達到前述目標,我國政府近年來推行相關政策來加速太陽光電再生能源設備的建置。例如經濟部自2012年起全力推動「陽光屋頂百萬座計畫」,採「逐步擴大、先屋頂後地面」的方式推動PV系統的應用普及化。2016年,行政院推動「太陽光電2年推動計畫」,透過各部會規劃相關策略與措施,將PV系統的設置目標分為屋頂型與地面型。屋頂型設置目標包含中央公有屋頂、工廠屋頂、農業設施與其他屋頂;地面型設置目標包含鹽業用地、嚴重地層下陷區域、水域空間、掩埋場等各類型場域。2018年起,經濟部又推動「綠能屋頂全民參與推動計畫」,採取優惠的躉購費率來鼓勵全民儘早參與設置PV系統。
 
棚架型PV系統支撐架
1. 棚架型支撐架之相關政策
在前述推動PV系統普及化的相關政策中,除了有優惠的電能躉購費率,經濟部也與內政部共同修正「設置再生能源設施免請領雜項執照標準」。依照現行的規定,設置於地面的高度自地面起算4.5公尺以下、設置於屋頂的高度自屋頂面起算4.5公尺以下之PV系統,以及設置於屋頂突出物的高度自屋頂突出物面起算1.5公尺以下之PV系統,此三種PV系統可免申請雜項執照。近年來,在前述PV系統於特定高度以下免雜照的政策推動下,臺灣出現愈來愈多的棚架型PV系統設置案例(圖一)。
 
圖一、鋁合金棚架型PV系統支撐架(振動台試驗試體)
圖一、鋁合金棚架型PV系統支撐架(振動台試驗試體)
 
3. PV系統支撐架結構設計現況
本研究蒐集到40個PV系統支撐架設計案的結構計算書,針對分析模型的建立方法、需求荷載的計算方法,以及設計檢核的項目進行彙整。這些案例的主要差異與常見的設計盲點茲說明如下。(想要了解更多的內容,請見下方附檔)
 
綜觀國內業者在執行PV系統支撐架結構設計工作的現況,如同上述彙整結果,的確存在著許多設計上的盲點,例如援引錯誤的規範進行設計風力與設計地震力的計算。為了改善此現況,工業技術研究院綠能與環境研究所(工研院綠能所)與臺中市結構工程技師公會綜合相關法規、設計方法等相關資料,研擬適用於鋼造或鋁合金造支撐架結構設計的「太陽光電系統支撐架結構設計參考手冊(草案)」。設計參考手冊內容與結構分析模型的關係將於本文後段進行說明。
 
鋁合金PV系統支撐架結構動力行為
正確的結構分析與設計應當始於合適的數值模型,為了解目前常見的鋁合金PV系統支撐架的動力行為與受震反應,並以實驗結果來評估模擬方法的準確性,國家地震工程研究中心(國震中心)研究團隊與工研院綠能所人員綜合相關設計方法與參照相關規範條文,設計一座典型的鋁合金棚架型支撐架(圖一),並進行振動台試驗測試其動力行為與耐震能力。在搜尋試體自然頻率的過程中,是以強度0.05 g之變頻正弦波,搜尋頻率範圍為1.3 Hz~33.3 Hz,對於試體輸入變頻正弦波進行掃頻測試,並以佈設在支撐架頂面上的加速規量測訊號,與輸入波來計算傳遞函數,尋找試體在長向、短向、垂直向(圖一)的自然頻率(fn,exp),自然頻率搜尋結果如圖四所示。
 
PV系統支撐架結構設計
1. 太陽光電系統支撐架結構設計參考手冊(草案)
工研院綠能所與臺中市結構工程技師公會綜合相關法規、設計方法等相關資料,研擬「太陽光電系統支撐架結構設計參考手冊(草案)」,手冊內容主要是依據現有規範與業界需求,針對三種常見的PV系統支撐架類型(棚架型、距置型、平貼型)進行設計方法的歸納與彙整,並依照安裝位置(地面或屋頂),一共提出五項設計流程(Design Procedure; DP)(表一)。以屋頂棚架型PV系統為例,如設計參考手冊所載,設計支撐架結構的建議流程與須遵循的相關規範章節,如圖七所示…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖七、屋頂棚架型PV系統支撐架設計流程圖(DP1)
圖七、屋頂棚架型PV系統支撐架設計流程圖(DP1)
 
作者:莊明介、葉芳耀/國研院國震中心;謝尚賢/國立臺灣大學;詹麒璋、黃朝揚/工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」393期,更多資料請見下方附檔。

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