屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析

龙慧

摘 要：随着国家对绿色能源的需求，国家有关部门非常重视光伏产业的发展和分布式光伏发电的推广，屋顶分布式光伏是将光伏系统安装于已建建筑的屋面，而不同的屋顶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顶形式和结构承载能力，支架结构的基础固定方式、抗风载、雪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：屋顶分布式光伏发电 光伏支架 微波处理

中图分类号：TK18 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0006-02

屋顶分布式光伏发电是在用户侧并网的自发自用，余电上网的绿色能源，由于屋顶分布式光伏发电是近两年才出现的新兴事物，很多设计人员不知晓光伏发电系统在屋面的设计方式，因此该文从以下3个方面浅析屋顶光伏支架的设计要点。

1 屋顶形式分类

在确定光伏支架结构形式时首先需要明确所装光伏系统的屋面是何形式的。目前适合装光伏系统的屋面主要分为两大类：一是屋面面积较大的轻钢结构彩钢瓦屋面；二是现浇混凝土屋面。屋面形式不同采用的支架结构形式也不同。

彩钢瓦是用彩涂钢卷经专门的机器轧制成型，而后装于屋面檩条，从而形成防水的彩钢瓦屋面，目前常用的彩钢瓦有角弛型彩钢瓦，180度咬合彩钢瓦，360度咬合彩钢瓦；而混凝土屋面就是由混凝土现浇而成的屋面。

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（如图1所示）。

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（如图2所示）。

2.2 屋面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65 μm。

2.2.2 彩钢瓦屋面夹具、导轨的选用

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5 mm；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1.8 mm，且应选用常用的且市面上可以买得到的导轨。

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50年一遇的要求取值；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≤600 mm时，每间隔一个波距布置一个夹具；而当彩钢瓦波距≥600 mm时，建议每个波峰处都放置一个夹具，保证夹具的最大间距1 200 mm；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：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850 mm来确定；因为项目所在地的经纬度、房屋朝向、屋面坡度等不同，对光伏组件的阴影遮挡也就不同，因此前后排光伏组件的导轨间距需依据光伏组件阴影遮挡的情况确定。

（4）柱间支撑布置原则：每排支架纵向长度30 m时，两边和中间各布置一道；每排支架长度>30 m时，依据纵向支架的长度，每隔30～40 m布置一道，且整排支架的中间和两边各布置一道。

3 支架结构设计步骤

（1）由于屋顶分布式光伏发电系统是将光伏发电材料放置于已建好的屋面上，那么原屋面结构的承载能力是否满足新增光伏荷载的承载要求就显得尤为重要，因此在进行支架结构设计前第一步就要先验算原结构的结构承载能力；那么新增的光伏荷载有多大呢？一般情况下，对于彩钢瓦屋面，新增的光伏系统荷载按15～20 kg/m2来考虑；混凝土屋面需要依据当地的风压来计算抗倾覆作用，以此来确定新增荷载的大小，一般情况下可按80～120 kg/m2来考虑。

（2）如原结构承载无问题，则需确定光伏组件的铺设方式。若彩钢瓦屋面为南北坡的屋面形式，那么建议南坡屋面的光伏组件铺设时需向南与水平面成8度倾角，北坡屋面的光伏组件铺设时需向南与水平面成3度倾角；若彩钢屋面为东西坡的屋面形式，所有的光伏组件铺设时顺坡铺设；混凝土屋面的光伏组件需依据最佳倾角设计支架结构。

（3）依据组件的铺设角度和方式，确定好支架结构形式，同时考虑当地的风压、雪压及其他荷载情况进行结构计算，选用合适的材料保证结构的稳定安全。

4 结语

由以上分析可知，在设计光伏支架时，把握好以上设计要点，不仅可以保证原结构的安全，且选取的支架结构不会破坏原有屋面的防水层，不会影响室内的正常工作和生产。结构设计人员在设计时需要因地制宜，在把握上述要点的情况下，选择合适的支架结构形式，以保证整个光伏电站的安全运行、发电效率最大。

参考文献

[1] GB/T6892-2006.一般工业用铝及铝合金热挤压型材[S].中国国家标准化管理委员会，2006.

[2] GB50429-2007.铝合金结构设计规范[S].中国国家标准化管理委员会，2007.

[3] GB50017-2003.钢结构设计规范[S].中国国家标准化管理委员会，2003.

[4] CECS102：2002-（2012年版）.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京：中国工程建设标准化协会，2012.