赵梦丹
中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司宜昌设计院 湖北宜昌 443000
摘要：屋顶分布式光伏电站是将光伏组件安装于已建建筑的屋面，而不同的屋面型式选择的支架结构形式也不同，因此光伏系统支架设计需要重点关注已建建筑的屋面形式和结构承载能力，支架结构的基础固定方式、抗风荷载、雪荷载的能力以及支架材料的选择等方面的问题，该文结合笔者光伏支架设计经验，简要阐述屋顶分布光伏发电的支架结构设计要点。
关键词：屋顶分布式光伏电站；光伏支架；支架设计
作为用户侧发电装置，屋顶分布式光伏电站是用户自己安装供给自身用电，并实现余电并网的发电方式。由于这种类型的装置在最近几年才在市场上出现，所以很多的安装结构设计人员不了解屋顶分布式光伏发电装置的结构设计。在没有专业知识领导下贸然对发电结构进行设计施工，往往达不到使用要求，造成人力物力的浪费。
1屋顶的分类
屋顶分布式光伏电站的结构需要和对象屋顶的结构相契合，所以在安装之前就确定屋顶的结构类型。在现阶段，比较适合进行光伏发电装置安装的屋顶结构大致有两种，轻钢结构彩钢瓦屋面和混凝土屋面。不同的屋顶结构的结构性能也不同，所以在安装发电结构时选用的支架结构也不尽相同。混凝土屋面就是完全混凝土浇筑的屋顶，而轻钢结构彩钢瓦屋面则是用轻钢焊接好支架，然后再在结构上铺上经过轧制过的彩钢瓦，这种结构类型的屋面具有良好的疏水性，但是相对强度没有混凝土结构屋顶强，其承载能力较弱，在进行支架结构设计的时候考虑的因素更多，设计要求也相对更高。
2光伏支架结构设计
2.1支架结构设计原理
为了不破坏原建筑的防水层，影响正常的生产工作，彩钢瓦屋面的支架主要采用与彩钢瓦瓦型配套的专用夹具和导轨与彩钢瓦固定，以保证整个支架系统的稳定可靠。见图1及图2所示。
图1 彩钢瓦屋面光伏组件安装效果图
图2 彩钢瓦屋面光伏组件安装详图
对于混凝土屋面，为了不破坏建筑的防水层，影响正常的生产工作，一般采用水泥墩安装方式，靠水泥墩与光伏组件自身重量固定在混泥土屋面。见图3所示。
图3 混凝土屋面光伏组件安装详图
2.2支架结构材料的选用
2.2.1支架结构材料及材质要求
彩钢瓦屋面整个支架系统的材料主要包括：铝合金夹具、铝合金立柱、铝合金横梁、铝合金导轨、铝合金压块；而混凝土屋面整个支架系统的材料主要包括：混凝土基础，钢立柱、钢横梁、钢导轨。由于光伏系统的设计使用年限为25年，因此整个支架系统的材料需要具备非常好的防腐蚀性能，彩钢瓦屋面铝合金材料的材质建议使用6005-T5及以上的材料，混凝土屋面的钢支架材料建议选用材质不低于Q235B，热镀锌含量不低于65μm。
2.2.2彩钢瓦屋面支架
对于彩钢瓦屋面，在设计时首先需要确定彩钢瓦的瓦型，依据彩钢瓦瓦型选用与之配套的专用夹具，通过不锈钢螺栓与彩钢瓦紧密连接，并以此作为整个支架系统的基础。由于夹具与彩钢瓦固定后，是整个支架系统安全稳定的基础，因此夹具是否稳定可靠关系到整个支架系统的可靠性，因此夹具的厚度建议一般不低于5mm；而导轨是用于与光伏组件进行固定的次结构，是保证光伏组件稳定的重要构件，需要依据当地的风压、雪压及其他荷载情况进行计算确定，建议厚度不低于1.8mm，且应选用常用的且市面上可以买得到的导轨。
2.2.3混凝土屋面支架
对于混凝土屋面，支架结构型式与地面支架类似，主要由檩条、主梁、立柱、斜撑（根据结构安全性确定，有时不需要）等组成。根据GB50797-2012《光伏发电站设计规范》，檩条厚度≥1.5mm，主梁厚度≥2.5mm，立柱厚度≥2.5mm。
2.3支架结构设计原则
（1）基本原则：支架结构的设计应满足承载力的要求，并应验算原屋面结构的承载力要求；风荷载和雪荷载的取值按25年一遇的荷载数值取值；地面和楼顶支架风荷载的体型系数取1.3。设计方案应能完全满足并能完全覆盖整个屋面光伏组件区域运维过程中的清洗、检修等工作。
（2）夹具布置原则：沿屋面坡度垂直的方向，当彩钢瓦的波距≤600mm时，每间隔一个波距布置一个夹具；而当彩钢瓦波距≥600mm时，建议每个波峰处都放置一个夹具，保证夹具的最大间距1200mm；沿屋面坡度平行的方向，每排光伏阵列中的夹具间距需依据屋面光伏组件的铺设形式确定。
（3）导轨布置原则：由于60片光伏组件的尺寸为1965×992mm，按光伏组件长边方向布置两排导轨考虑，为满足光伏组件最佳受力的要求，建议每排光伏组件的导轨间距按照850mm来确定。
、（4）柱间支撑布置原则：每排支架纵向长度30m时，两边和中间各布置一道；每排支架长度>30m时，依据纵向支架的长度，每隔30～40m布置一道，且整排支架的中间和两边各布置一道。
3支架结构的设计步骤
首先，在设计之初就需要了解原来屋顶的结构承载力以及预计装上整个屋顶光伏发电系统之后的结构受力情况。因为屋顶分布式光伏发电系统是将已经准备好的光伏材料安装在屋顶，会增加原来屋顶的承载力量，会对原来的力学性能造成影响，改变原有的结构受力情况。一般情况下，依照15～20kg/m2的规格来计算支架和发电装置的载荷。关于风荷载，无论是轻钢结构彩钢瓦屋面还是混凝土屋面都在计算的时候将风压计算在内，确定新增荷载非极端条件一般按照80～120kg/m2来选取。在对原有屋顶结构的承载力计算之后，如果满足条件就可以进行后续设计，如果满足不了力学承载，需先加固原屋面至屋面承载力满足要求后方可安装光伏组件。然后就是光伏组件铺设方式的确定。对于东西坡向及南坡向的彩钢瓦屋顶，所有的组件进行顺序铺设，依照适宜的光照倾角进行调整。对于北坡向的轻钢结构彩钢瓦屋顶，建议在设计安装的时候调设为朝南方向、与水平面成大小为3°的夹角。总之，铺设光伏组件的时候重点考虑组件对光照的吸收效果，能够实现发电的最大化，达成最大的经济效益。最后，在确定好坡向、水平角度、载荷之后进行结构设计，在这个环节实现对施工材料的选择，确保工程系统的稳定性。
结语
综上所述，屋顶分布式光伏电站系统支架设计需要在保证不改变屋顶原有性质、不影响屋内正常生活、工作的前提下，对支架实现最优化设计。把握上文中的设计要点，保证支架结构的稳定性，还能够通过支架结构形式增大光照利用率，增加光伏发电系统的发电能力，实现安全和经济效益上的双重把控。
参考文献:
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[2]杨小攀.工业厂房光伏屋面一体化设计及结构抗震性能研究[D].西南科技大学，2016.
[3]孙海燕.某混凝土屋面分布式光伏电站基础方案分析与计算[J].中国新技术新产品，2015（07）：158～159.
论文作者:赵梦丹
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/2
标签：支架论文; 屋面论文; 光伏论文; 结构论文; 屋顶论文; 组件论文; 夹具论文; 《防护工程》2018年第28期论文;