光伏安装系统在既有建筑平屋面改造中的设计研究

薛一冰　陈琨

摘要：文章首先从国家鼓励建筑与光伏发电相结合的政策背景出发，总结了既有建筑在平屋面光伏系统改造中的潜力与优势，找出平屋面建筑光伏安装的注意事项，并对改造中的光伏系统安装种类进行分析，以山东建筑大学1MW太阳能光伏发电示范项目为例，给广大设计施工人员提供一定参考。

关键词：既有建筑；平屋面；光伏；安装

中图分类号：TU113.1

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2013）05-0091-03

1 前言

既有建筑光伏发电系统是将既有建筑与光伏系统进行综合设计与利用。由于我国既有建筑面积容量大、屋面空间利用效率低、单位面积能耗巨大，对既有建筑平屋面进行光伏设计具有光伏发电系统靠近用户，光伏装机容量较小，满足于用户需求并支持现有电网运行；用户自行控制；减少输配线损失；起到调峰降压等作用。随着技术的进步和市场的扩展我国相继颁布了《关于组织申报金太阳和光电建筑应用示范项目的通知》、《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见（暂行）》等法规条例为国内私人业主及企事业单位安装光伏上网提供了相应的经济鼓励机制与法律法规；同时由于国外市场的萎缩大量企业开始注重国内市场的开阔与发展，使大量新技术新设备得以应用；因此当前我国发展光伏与既有建筑结合恰临前所未有的机遇。但是对于大量现存的既有建筑而言，太阳能光伏设备的安装较为不易，如适当的预埋件尚未装置，改造时给太阳能装置的安装造成了一定的障碍；增加建筑负荷可能损害建筑结构；破坏既有建筑保温构造等因此寻找一种适合我国既有建筑实际状况，又能具有较高经济性的系统安装方式显得较为迫切。

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既有建筑平屋面光伏系统的设计安装优势

建筑物屋顶作为吸收太阳光部件有其特有的优势，如：日照条件好，不易受遮挡，可以充分接受太阳辐射，系统可以紧贴屋顶结构安装，减小风力的不利影响，并且太阳能光伏板可以替代保温隔热层遮挡屋面，有效的利用了屋顶空间。

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既有建筑平屋面光伏系统的设计安装注意事项

3.1排布要求

3.1.1光伏阵列布局

阵列设计需要保证在冬至日当天光照辐射强度最好的时间段中（AM9：00—PM3：00）前排光伏组件的阴影不应影响后排光伏组件正常工作。如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比直射光照的要减少约10%-20%。因此在选择敷设方阵时应尽量留出空间，使发电效率达到最高。另外，当纬度较高时，方阵之间的距离加大，相应地设置屋面的面积也会增加，需在设置方阵阵列时，分别选取每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小，使屋面的场地得到充分的应用，节约空间资源。

3.1.2阴影的影响。

阴影分为随机阴影和系统阴影。随机阴影产生的原因、时间和部位都不能确定。如果阴影持续的时间很短，虽然不会对电池板的输出功率产生明显的影响，但在蓄电池浮充工作状态下，控制系统有可能因为功率的突变而产生误动作，造成系统的不可靠。系统阴影是周围比较固定的建筑、树木以及建筑本身的女儿墙、冷却塔、楼梯间、水箱等遮挡而成，由于持续时间长会对官府系统输出功率产生明显影响的水平。因此系统需要具有相应的容错能力，不会因瞬间的阴影产生误动作（如启动保护电路）；对于系统阴影要认真勘察现场，进行回避，进行合理设计。

3.1.3高效利用

为了获得较多太阳光，屋面坡度宜采用光伏组件全年获得电能最多的倾角。一般情况下可根据当地维度+或—10°来确定屋面坡度，低纬度地区还要特别注意保证屋面的排水功能。

3.2构造要求

（1）安装在坡屋面的光伏组件宜根据建筑设计要求，选择顺坡镶嵌设置或顺坡架空设置方式。顺坡架空在坡屋面上的光伏组件与屋面间宜留出有大于100mm的通风间隙。控制通风间隙的目的有两个：一是通过加强屋面通风降低光伏组件背面升温；二是保证组件的安装维护空间。设计良好的冷却通风系统，这是因为光伏组件的发电效率随着表面工作温度的上升而下降。理论和实验证明，在光伏组件屋面设计空气通风通道，可使组件的电力输出提高8.3%，组件的表面温度降低15℃左右。因此光伏系统的设计安装特别重要。

（2）对于原有防水侧已经破坏的屋面，支座基座部位应做附加防水层。光伏组件支座与结构层相连时，附加防水层应包到支座和金属埋件的上部，形成较高的泛水，地脚螺栓周围缝隙容易渗水，应作密封处理。附加层宜空铺，空铺宽度不应小于200mm。为了防止卷材防水层收头翘边，避免雨水从开口处渗入防水层下部，应按设计要求做好收头处理。卷材防水层应用压条钉压固定，或用密封材料封严。

（3）需要经常维修的光伏组件周围屋面、检修通道、屋面出人口以及人行通道上面应设置刚性保护层保护防水层，一般可铺设水泥砖。

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既有建筑平屋面光伏系统的安装分类

4.1屋顶独立式

4.1.1独立基础式安装

独立基础式安装系统适合于屋面荷载小和风荷载小的地区，一般适用于中低层建筑。光伏安装系统基础采用混凝土浇注预制，尺寸长、宽、高可自定，在混凝土块顶面预埋地脚螺栓平放在水泥屋顶上。它具有不破坏原有屋面防水层、保温层，点式基座利于屋面排水等特点；同时预制的混凝土块方便屋顶吊装，减少人工、降低成本，适用于工程造价低，施工速度快的工程项目。

4.1.2条形基础式安装

条形基础式安装系统适合荷载量较大的平面屋顶，底部框架使用优质铝导轨，预埋螺栓固定，支撑件材料为不锈钢，牢固美观，铝合金导轨与单元连接设计，无需现场二次加工。适用于任意规格晶硅组件及部分薄膜组件；在水泥基础面上安装预埋地脚螺栓，根据实际需要设计调节安装角度具有较高的适应性；基座布置方面与屋面排水方向不垂直，利于屋面排水；所需人工量较少适用于工程造价不高的项目。

4.1.3负重基础式安装

负重式安装系统，无需破坏原有防水层，适用于平面屋顶荷载量较大的情况。底部框架使用优质铝导轨，固定采用水泥块或石块等重物，支撑件材料为不锈钢，牢固美观，独创的铝合金导轨与单元连接设计，无需现场二次加工。不破坏原有防水层，无需防水处理；适用于任意规格晶硅组件及部分薄膜组件；底框上安装可调负重框，上面放置水泥块、石块等；根据实际需要设计安装角度。但基座布置方向与屋面排水方向垂直，不利于屋面排水增加了屋面荷载，不适合于降雨量达又不能很好解决排水问题的屋面工程项目。

4.1.4全钢可调式安装

全钢可调式系统安装支架后立柱可以自由做长度调整，立柱上的安装固定座可以多角度旋转，在施工现场可以非常方便的实现光伏组件在高度和角度上的调整。支架结构件全部采用镀锌型钢，强度好，成本低；安装角度在一定范围内可自由调整，以适应不同安装场地；采用通用组件固定方式，方便可靠；利于屋面排水，工程适用范围较广。

4.1.5工程塑料固定式安装

工程塑料固定式中的承重部件采用工程塑料制造。工程塑料由聚酰胺制作，该塑料不但要求能在高温下保持极低的蠕变性，在低温下也表现出了优异的韧性和刚性；高比例玻璃纤维增强的聚酰胺还具有优异紫外耐受性和耐候性，在户外条件下寿命长达20年，能满足如雪载、风压等的承重要求；系统制造工艺中，使用扣接、骨架和挡板未排水和布线，使得部件非常轻巧和易于安装，太阳能板在平顶上的安装变得更加简单快捷，且具有良好的太阳能装置成本效益，适用于户外工程项目施工。

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山东建筑大学1MW太阳能光伏发电示范项目

山东建筑大学位于济南市东部地区，地处北纬36°40′，东经117°0′。济南属于暖温带半湿润大陆性季风气候。济南市全年辐射总量为5251.8MJ/m²，年平均日照时数2582.3小时，年日照百分率58.3%。校园楼房等建筑物多为平顶屋面，建筑物的屋面承载力较强，比较适合建设屋顶太阳能光伏电站。山东建筑大学在学生公寓梅园1#、2#、3#楼顶平面；松园1#、2#、3#楼顶平面；竹园1#、2#楼顶平面校图书馆与信息楼楼顶平面；校办公楼楼顶平面；大学生活动中心楼顶平面进行太阳能光伏系统的排布。

本项目本着投资小，安全可靠性高，施工安装方便，节省工期的特点，选用了独立基础式安装系统。支架檩条采用角钢50×5，立柱采用槽钢，材料为Q235A，并进行热镀锌处理。组件采用高强度铝合金压块固定。基础采用C30混凝土浇注预制，平放在水泥屋顶上，基础尺寸长约700mm，宽约300mm，厚度方向，因存在流水坡度，最薄处约300mm，上平面在同一水平面内，每个基础重量约为151.2kg。方便屋顶吊装（最高屋顶约30m）。

6 结语

根据光伏安装系统在既有建筑平屋面改造中的种类分析及实际的施工项目经验，系统的研究了不同安装结构类型的优劣势，为从事光伏设计人员与施工者提供一定程度的指导意见，为国内既有建筑的光伏一体化设计施工提出相应参考。