一種用于屋頂或大棚光伏項目的物料運輸裝置設計

王 琨 苗馳壯 陶江平 宋碧昊

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

1 屋頂或大棚光伏項目物料運輸背景

縱觀光伏行業(yè)發(fā)展，西北地區(qū)光伏發(fā)展受消納問題限制[1]，華中平原區(qū)域受土地限制，未來光伏行業(yè)的發(fā)展會傾向于山區(qū)、屋頂或大棚等形式。屋頂或大棚光伏項目因為高度差、物料量大、吊車造價高等原因，使得物料運輸及散料工作必須由人工代替大型機械完成，但人工進行光伏物料的運輸，進度較慢會影響整體施工進度。

2 屋頂或大棚光伏項目物料運輸概況及現(xiàn)狀

在屋頂或大棚光伏工程建設中，光伏物料的運輸一直是一個難題。以工程容量為50MW、采用功率為260W 單晶硅單面半片組件的大棚光伏電站為例，共計現(xiàn)場組件散料量約10 萬個搬運次數(shù)；以功率為440W 光伏組件為例，組件散料量為約6 萬個搬運次數(shù)。且根據(jù)光伏組件廠家的搬運要求及晶硅組件易碎的特性，組件面板質地較為脆弱，裝載過程中受壓容易造成型材變形和玻璃破碎，將嚴重影響光伏站的運行和維護。

現(xiàn)有技術中屋頂或大棚光伏組件物料運輸主要有葫蘆運載、人工搬運、屋頂特種車輛、吊車運輸四種方式，葫蘆運載方式分為手拉葫蘆和電動葫蘆兩種，使用葫蘆運輸光伏組件時易造成重心偏移，面板受擠壓等破壞組件的情況；人工搬運一般為兩人搬運，耗費運輸人員較多，人力成本高，勞動強度大，在屋頂或大棚光伏施工過程中占用大量時間，對工程整體施工進度有較大影響，施工過程為高處作業(yè)；屋頂特種車輛適用于承載力較強的屋面，大棚因本身結構無法承載較重的物體，且屋頂特種車輛有一定作業(yè)空間的要求，在原有建筑物基礎上進行二次施工，施工工藝如不規(guī)范，將造成建筑物結構、發(fā)電系統(tǒng)的嚴重隱患[2]，故不適用于屋頂或大棚光伏建設；吊車運輸需房屋或大棚旁有足夠的吊車作業(yè)空間，但屋頂或大棚光伏項目的施工場地內，大型機械往往無法進場作業(yè)，且吊車施工費用較高，考慮到節(jié)約成本，使用吊車進行屋頂或大棚光伏組件的運輸不是最佳選擇。

綜上所述，設計一種成本較低、運輸效率高、易安裝拆卸且占用人力、場地較少的物料運輸裝置，對屋頂或大棚光伏建設非常有必要。

3 屋頂或大棚光伏項目物料運輸裝置的設計

為克服現(xiàn)有技術的不足和缺陷，設計一種物料運輸裝置用于屋頂光伏或大棚光伏，降低運輸成本，從而解決屋頂光伏施工物料運輸及散料困難的問題。一種屋頂或大棚光伏物料運輸裝置，包括由牽引索、承重索及承重纜索滑動系統(tǒng)、牽引機構、承重支架、運輸小車構成的主索道物料運輸體系、配重構成的錨固和基礎體系等系統(tǒng)構成（見圖1），該裝置采用模塊化設計理念，便于拆裝及運輸[3]。運輸裝置在承重支架、導向滑輪的限制下在固定軌道做循環(huán)往復運動，另外牽引機為運輸裝置提供動力。

圖1 屋頂大棚光伏物料運輸裝置布置圖

3.1 承重支架

承重支架由豎直立柱、中間橫梁和水平橫梁構成，形成穩(wěn)定的三角結構，設置鏈襠鋼絲繩防止承重支架發(fā)生側滑。立柱和橫梁的各部分可跟隨現(xiàn)場施工情況的不同調節(jié)高度和寬度，能適應更廣泛的施工場景。使用螺栓將豎直立柱分別與水平橫梁、中間固定橫梁固定為一個整體，同時設鏈襠鋼絲繩防止承重支架發(fā)生側滑。運輸小車在到達屋頂?shù)臅r候其卸料位置會高于屋面，從而使工作人員在卸料的時候更加方便。為保證施工安全，且本著循環(huán)利用，物料運輸承重支架采用鋼支架便于拆卸組裝。

圖2 承重支架示意圖

3.2 運輸小車

物料運輸小車可以一次性運輸4 塊太陽能光伏板，并且?guī)в斜苷鸱雷o措施。小車整體設計為不銹鋼材質，在保證結構強度的情況下，降低運輸小車本身重量。車身一端垂直固定一個擋板，擋板上附著木質垂直滑道，與放置的水平滑道一體固定光伏組件，垂直運輸確保組件玻璃及背板不受力。另外木質滑道用橡膠軟墊包圍，確保組件在運輸過程中發(fā)生碰撞不被損壞。常用光伏組件厚度為35mm，滑道固定寬度為60mm，寬度比光伏發(fā)電組件中的光伏板寬15mm 左右，方便施工人員裝光伏組件。車身另一側為可開合式擋板，擋板與小車用鉸鏈連接。

為了防止運輸小車在上升或下降過程中打滑，承重索與運輸小車固定處使用螺栓擰緊的方式，在物料運輸裝置的下承重支架上安裝彈簧防撞裝置，當小車與貨物行走時，如果出現(xiàn)摩擦力不足、運輸小車下滑的情況，彈簧防撞裝置可以有效避免碰撞和光伏組件的損壞。

圖3 運輸小車示意圖（1）

3.3 牽引機構

導向滑輪1 與牽引機組成牽引機構，為整個裝置提供動力。牽引機直接設置在下承重支架上，節(jié)約設備空間。牽引機固定在下承重支架上，與下承重支架的導向滑輪同心度保持一致，避免牽引機與導向滑輪之間發(fā)生相對位移導致傳動失效。當物料需要從地面運送至屋頂?shù)臅r候，工作人員首先將運輸小車掛在承力索上，而后啟動牽引機。牽引機收放鋼絲繩帶動運輸小車向上運動，通過力的合成與分解與相互作用力可知，鋼絲繩可以給運輸小車一個向上的拉力，從而拉動物料運輸小車沿鋼絲繩到達屋頂指定位置處。使得運料斗在向上運動的時候更加的穩(wěn)定。

圖4 運輸小車示意圖（2）

其中牽引機采用三相異步電動機，常規(guī)光伏組件重量約為29kg。因考慮到電機功率和物料運輸裝置承重及平衡問題，故運輸裝置拋棄循環(huán)式傳輸，裝設交流接觸器控制電動機正轉運行和反轉運行。運輸牽引速度以1.5～2m/s 為宜。在運送器材的起步和即將到位階段必須緩慢牽引。

3.4 承力索與牽引索

本物料運輸裝置的承力索與牽引索采用鋼絲繩。牽引索可用較細的鋼絲繩，而承力索因受較重的力，應選擇直徑較大的鋼絲繩，物料運輸裝置的承力索與牽引索的選型應根據(jù)物料運載要求以及懸索理論進行詳細的繩索選型設計。

索道形式為單索往復式索道，利用鋼絲繩進行光伏物料運輸時，需要考慮鋼絲繩的承受能力。物料的重量較大可能會導致繩索斷裂，給現(xiàn)場施工帶來不利的影響。這就需要對運輸裝置繩索承重力進行計算，使運輸?shù)奈锪现亓靠刂圃谶@一范圍內。避免由于超載問題，導致物料運輸裝置出現(xiàn)安全隱患。

表1 初始參數(shù)

在進行索道強度檢驗過程中，主要目的在于保證索道安全性，其校驗條件如下：

式中：δp為破斷應力；δ2為鋼絲繩應力；K 為安全系數(shù)。

3.5 配重模塊

由配重模塊和地錨分別固定承力索兩端, 承力索在起始端可以進行馳度調節(jié)，以保證加載重物時，承力索道的承載弛度滿足對跨越物的間距[4]。

4 系統(tǒng)調試檢查

4.1 運輸裝置安裝完成后，檢查裝置各部分連接是否可靠，空載承力索馳度是否滿足運輸要求，承重支架及鏈襠鋼絲繩是否牢固。

4.2 牽引機是否可靠接地；導向滑輪是否轉動靈活，是否涂抹潤滑油。

4.3 運輸小車在進行物料裝卸作業(yè)時，應派專人檢查承力索是否正確卡入動滑輪的鉗口，確保運輸小車在運輸索道上牽引過程中不發(fā)生動滑輪脫落卡住的現(xiàn)象。一旦發(fā)生打滑或脫離，運輸小車很有可能會連同光伏物料從屋頂往地面下滑，可能會產生嚴重的安全事故。

4.4 索道運輸過程中，對單吊重量應嚴格控制，禁止超載運輸。

4.5 安全警戒工作是否落實到位。

檢查各系統(tǒng)正常后，即可啟動進行光伏物料運輸工作。

5 光伏物料運輸

如圖5 所示，沿承力索方向設置兩個動滑輪，地下搬運人員首先將空載運輸小車與運輸裝置上的動滑輪連接在一起，再向運輸小車上裝太陽能光伏板。啟動牽引機，收緊牽引索進行物料運輸，當運輸小車被運輸至卸料位置時，牽引索回松將運輸小車緩緩落地，屋頂負責卸物料的工人根據(jù)實際情況控制牽引機的停止時間。卸料完成后收緊牽引索將運輸小車懸空，再回松牽引機，依靠運輸小車的自重作用快速返回地面，進行下一次的物料運輸。

圖5 承力索動滑輪組

6 經濟效益分析

以20MW 屋頂光伏為例，采用440wp 單晶硅電池光伏組件，共需45455 塊，每塊組件重約25 公斤，人工搬運每名工人平均5 分鐘搬一塊，五名工人一天能搬運約500 塊光伏板；若采用光伏組件運輸工裝，電動機以6m/s 恒定速度運行。特質纜車在運輸過程中沿纜繩方向受力。

重力負荷計算：P=VW/η × 10-3=6×［（25× 6＋30）sin30° ×

10× 3］/0.6× 10-3=27kW

式中：P，功率kW；

W，額定重量＋吊鉤重量＋纜車重量＋鋼絲繩重量，N；

V，提升速度m/s；

η ，機械效率（η 取0.6）。

選用功率為30kW 的電動機為整個裝置提供動力。每天可搬運光伏組件約800 塊，工作效率可提升60%, 節(jié)約人工成本35000 元。

7 結論

本文設計的一種用于屋頂或大棚光伏項目的物料運輸裝置適用于機械無法進場、人工無法直接搬運的屋頂或大棚光伏項目，可以實現(xiàn)在組件到貨不卸車的情況下，五名工作人員解決屋頂或大棚光伏項目的組件快速運輸，工程現(xiàn)場需要在屋頂、地面分別配置兩名組件搬運工人、以及一名電動機控制員，運輸工裝選用的定滑輪、纜繩、滑輪、支架均為通用設備，選擇范圍寬泛，配重模塊可依據(jù)現(xiàn)場實際情況，就地取材，快速便捷，特制纜車材料為不銹鋼，取材方便；并且裝置整體重量輕、容易安裝拆卸、實用性強便于推廣，可適應不同屋頂或大棚場景。

通過此種運輸裝置的設計和使用，實現(xiàn)屋頂或大棚光伏項目的組件快速運輸功能，不但能解決人工物料運輸效率低、組件易損耗的問題，還能減少物料運輸工作中的人工成本，提高二次轉運效率，保證組件轉運質量，繼而縮短工期。此方法簡單方便、切實可行，大大減低了運輸成本，明顯起到節(jié)能增效作用可在以后的工程中大力推廣。