太陽光電系統鋁合金棚架型支撐架結構分析與設計

 

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莊明介、葉芳耀/國研院國震中心;謝尚賢/臺灣大學土木工程學系;詹麒璋、黃朝揚/工研院綠能所
 
在臺灣,裝配於屋頂或地面的太陽光電系統棚架型支撐架,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。鋁合金構材具有質輕且耐腐蝕的優點,為適合用於沿海地區的支撐架,而有別於鋼結構的接合方式,鋁合金支撐架大多採用特殊接合型式,所以本研究團隊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
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」(1),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)
 
2. 鋁合金支撐架與特殊接合型式
在臺灣,常見的PV系統支撐架(簡稱支撐架),其構件型式常為冷軋型鋼或是鋁擠斷面構件(圖二)。相較於冷軋型鋼所組成的鋼造支撐架,採用鋁擠斷面構件所組構而成的鋁合金支撐架(圖一),以6005-T5鋁合金構材為例,除了具有鋁合金輕量的優點,且由於6005-T5降伏強度約240 MPa,與結構用鋼材的強度相近,故於建築物屋頂上增設PV系統時,在相同的風力與地震力荷載條件下,鋁合金的PV系統支撐架自重對於既有樓板的荷載強度需求增加幅度較小。此外,相較於鋼造支撐架,鋁合金支撐架具有較佳的抗腐蝕能力,相當適合用於臺灣的沿海地區。然而,在採用鋁合金構件組構支撐架結構系統時,大多採用特殊連接器(圖三(a))、L型角鋁的基底型式(圖三(b)),以及單軌斷面柱與斜撐螺栓鎖固的接合(圖三(c))等特殊接合型式。當採用這樣的接合方式時,鋁合金支撐架結構系統中各個構件的邊界與束制條件與一般常見的鋼造支撐架必定有所不同,所以這樣的差異對於鋁合金支撐架整體的動力行為影響為何?如何模擬支撐架以進行有效的分析與設計?這些與結構安全息息相關的議題都
值得受到關注,所以本研究針對鋁合金棚架型支撐架(Scaffold-type Supporting Frame)的結構分析(Structural Analysis)與結構設計(Structural Design),進行研究與探討。
 
圖二 試體構件選用之鋁擠斷面構件
圖二 試體構件選用之鋁擠斷面構件

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