太陽光電發電設備鋁合金框架

及支撐架設計的建議

    何象鏞 技師

首先介紹桃園縣某一太陽光電發電設備鋁合金框架失敗的案例，2013年7月13日蘇力颱風侵臺後，原來36片太陽光電板，在蘇力颱風中掀翻破壞14片，還有22片沒破壞，詳照片1、2。從現場觀察實際破壞的狀況，是由下往上翻轉力量，將太陽光電發電板邊框螺絲孔邊緣拉裂破壞，詳照片3、4。

太陽光電發電設備之結構檢核一定要針對以下三處結構來進行：1.支撐架結構；2.太陽能板框架結構及3. 太陽光電發電設備鋁框與支撐架之結合。筆者依據內政部95.9.22台內營字第0950805664號令訂定"建築物耐風設計規範"來檢核該案，發現以上三處結構檢核均應該沒問題才是，但是事實上在蘇力颱風中掀翻破壞14片，顯然95年版建築物耐風設計規範一定有某些不足之處，並且太陽光電發電板鋁合金框架強度沒有想像如鋼構材質那樣的強，引發筆者探究其中原因的興趣，在此將探究結果與各位讀者分享。

通常前二項結構檢核均應該會沒問題，本文僅針對最重要的第三部分：太陽光電發電設備鋁框與支撐架之結合部分結構，探究其中原因，因為設計者依現行之建築物耐風設計規範檢核此部分時可能會高估鋁合金材質的能耐，因此，造成設計不足的狀況大約可分為下列幾種情況：

由於「建築技術規則」沒規範鋁合金材質構造，因此，設計者應收集鋁合金材質相關設計規範，並且要注意鋁合金材質與常用鋼構材質之不同。

為什麼原來36片太陽光電板，在颱風中掀翻破壞14片，並且還有22片沒破壞，而不是全部都掀翻破壞。研判可能的因素摘錄如下。

1.疲勞破壞：鋁合金材質受到彎曲或震動等因素影響，而承受反覆性或週期性的應力變化，雖然這些應力遠低於材料本身的抗拉強度或降伏強度，但經過多次反覆性的應力作用，仍會使材料發生破裂。

2.螺栓不同鎖緊預力：鎖緊預力充足之螺栓接合結構系統，其自然頻率高，阻尼比小，能夠顯示出高剛性之結構特性。

3.應力集中現象：穿孔結構體承受外力時，在孔洞附近將會產生一應力較高的區域，此區域的應力通常是平均應力的若干倍，這就是一般所稱的應力集中現象。

4.容許應力：鋁合金的抗張、抗彎之長期容許應力安全係數大約為1.5，容許應力安全係數分別依衝擊荷重、反覆荷重或靜荷重而不同。

 綜合以上資料研判

當某些螺絲鎖緊預力不足或鬆脫時(契約上應規定施工廠商竣工後定期檢查螺絲鎖緊預力)，會造成低剛性之結構特性，容易受颱風風力作用造成疲勞破壞，竣工後遭遇幾次颱風可能使太陽光電板鋁框邊緣材料經過交變應力和應變的長期作用，表面或內部會產生微觀裂紋，累積損傷使裂紋達到臨界尺寸後，日益增加的材質疲勞累積在構件上的某一點，最終會造成該處的損壞。

構件在變動載荷和應變長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現象，稱為疲勞。變動載荷意指載荷大小，甚至方向隨時間變化的載荷，例如颱風載荷。因撞擊導致結構的壓縮也會加速材質的疲勞。

螺絲鎖緊預力不足或鬆脫時，颱風風力作用使得太陽光電板設備鋁框邊緣遭受的是一種衝擊荷重、反覆荷重情況，太陽光電板鋁框邊緣容許拉力一定會小於規範值。

除了鋁合金材質容許應力下降之外，颱風陣風所形成的掀翻彎矩，掀翻彎矩由風壓力及風壓力中心至螺絲距離相乘獲得，在颱風作用下陣風方向或風壓力作用位置會造成壓力中心的變化，於是掀翻彎矩由於壓力中心的變化而改變。

日本獨立行政法人建築研究所(2003)訂定「鋁合金建築構造設計基準」建議鋁合金的長期容許應力之安全係數至少為1.5。因此，就長期容許應力而言，每一太陽能光電板每一邊僅鎖兩支螺絲似乎不太夠。

建議

　1.太陽能板框架總共有10個固定用隋圓形孔，建議能全數鎖上。

　2.支撐架與支撐架之間建議不要忘了設計側向支撐角鋼，一方面可以將太陽能板框架10個固定用隋圓形孔全數鎖上，另一方面可以增加整體支撐架側向支撐。

　3.建議風力計算可以依內政部103.6.12台內營字第1030805400號令修正， "建築物耐風設計規範"(自中華民國104年1月1日生效)。該規範增加"開放式建築物之單斜屋頂局部構件之風壓係數"之規定提高了規範的風速。

　4. 建議考慮長期容許應力安全係數。

照片1 在蘇力颱風中掀翻破壞6片		照片2 在蘇力颱風中掀翻破壞8片
照片3 太陽光電發電板邊框螺絲孔邊緣拉裂破壞		照片4 太陽光電發電板邊框破壞狀況