浅谈屋顶分布式光伏发电的支架结构设计

摘 要：在经济高速发展的放当下，我国对于能源的需求也越来越大，但是传统能源有限，不可再生，并且还会在使用过程中产生大量的污染，所以我国现在对于新能源的需求很大，而光电就是清洁能源的重要组成成分。所谓的屋顶分布式光伏发电就是把光伏发电系统安装在建筑物的屋顶，然而建筑的种类多，且结构复杂，所以支架设计的工作重点在于如何能够在现有建筑的屋顶基础上，采用合适的结构基础和固定方式，选用适当的工程材料，达到抗风、抗雪的能力。

关键词：屋顶分布式；光伏发电；支架设计

中图分类号：TU18 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0146-02

1 引 言

作为用户侧发电装置，屋顶分布式光伏发电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發电装置的结构设计。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。

2 屋顶的分类

屋顶分布式光伏发电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。

3 支架的结构设计

3.1 设计原理

设计的基本遵循原则就是不破坏建筑物屋顶原有的防水层，不影响原屋顶的功能，保证正常工作、生活的进行。对于轻钢结构彩钢瓦屋面来说，主要采用和彩钢瓦型号匹配的家具和导轨，让光伏发电机构着力于轻钢构架，以保证支架系统的稳定性。对于现浇混凝土屋面的施工，一般通过打水泥墩来进行安装，通过支架的自重和水泥墩的重量将支架固定在混凝土屋面上，实现抗风、抗压等功能。屋顶分布式光伏发电的支架结构设计是对现有的房屋进行外设的增加，是对房屋的再改造，所以在结构设计的时候应该按照外接设施的标准和稳定来要求，确保系统的安全性，不会造成安全事故的发生。

3.2 支架材料的选择

3.2.1 支架结构材料和材料要求

轻钢结构彩钢瓦屋面的支架材料包括各种以铝合金材料为主的夹具、立柱、横梁、导轨和滑块。混凝土屋顶发电装置支架材料包括钢立柱、钢横梁、钢导轨和水泥墩。光伏发电系统的设计寿命为两年，并且支架结构在屋顶上要不断接受阳光暴晒、雨水侵蚀、风蚀，所以在材料的选用上需要特别考虑到支架的防腐性，保证在工作年限内能够保持很好的稳定性。轻钢结构彩钢瓦屋面表面的铝合金选择6005-T5以上的材料，混凝土屋面支架的钢材料选择标准应该高于Q235B，对于安装好的构架还可以进行上漆等步骤进行防腐蚀处理。由于其建筑工程属性，考虑材料的选取时不能盲目选择厚度大、结构强的材料，也应该综合经济情况来进行考虑，实现经济化、稳定的工程设计。

3.2.2 轻钢结构彩钢瓦屋面夹具和导轨的选择

由彩钢瓦屋面的结构特性决定，材料选用要考虑最多的就是轻钢结构彩钢瓦屋面。在进行支架设计之前就需要确定施工对象的彩钢瓦型号，然后再依照型号选择匹配的夹具，再用螺栓等结构连接彩钢瓦和支架，以夹具和彩钢瓦系统作为之后整个支架的系统。因为夹具系统是后续施工的结构基础，所以对于夹具强度由很高的要求，一般选择5mm以上厚度的夹具对支架后续机构的夹持和固定。导轨是光伏支架的次级支撑结构，也是保证系统稳定的重要装置，一般选择的厚度不低于1.8mm，而且尽量选用市场上的通用型号，维护更换的时候避免麻烦。不管导轨还是夹具的材料选择，除了要考虑以上问题还需要对当地的环境有清楚认识，依据环境条件对材料选用进行适当改变，这样才能适应环境，保证使用年限。

3.3 支架结构设计原则

支架设计的基本原则就是保证支架能够稳定承载光伏发电系统，保证发电装置能够在各种条件下正常工作。对此，先需要建立模型，对原来屋面的承载能力进行计算；按照五十年标准考虑风荷和雪荷。另外，设计方案也还应该能够对光伏发电系统的后续清洁、维护等工作提供便利。

对于夹具的布置，需要沿着与屋面倾斜方向的垂直线布置，彩钢瓦型号的600mm波距是一个转折点，大于600的需要在每一个波峰都安装一个夹具，小于600则夹具安装间隔一个波距，保证夹具之间间隔不会太大，并且能够均匀分布，保证每个夹具的受力情况基本相同。对于沿着屋面坡度方向夹具的布置，由光伏系统选择和屋面形状等因素决定。

对于导轨的安装，平行导轨基本按照850mm的间距来进行安装，以此满足发电系统的最佳受力情况。而对于前后排导轨的间距选择更需要考虑光照、阴影遮挡德国问题，保证光伏发电的光照利用率最大化。

对于各个柱间支撑的布置，支架纵长30m及以下时，等距布置三道柱间支撑；在支架长度大于30m时，在保证中间和两边都有支撑的情况下，每隔30～40m布置一道支撑，保证支撑强度。

4 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/m的规格来计算支架和发电装置的载荷。关于风荷，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，确定新增载荷非极端条件一般按照80～120kg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，那么就需要考虑其他的安装方法，譬如墙面、地面安装，或者使放弃安装，避免危险情况的发生。然后就是光伏发电部分的铺设方式的确定。对于南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、与水平成8°的夹角，北向铺设也使朝向南方、与水平面成大小为3°的夹角。对于东西坡向的彩钢瓦屋顶，所有的组件进行顺序铺设，依照适宜的光照倾角进行调整。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。

5 结 语

综上所述，好的屋顶分布式光伏发电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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[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.

收稿日期：2018-6-20

作者简介：王世春（1987-），男，汉族，贵州铜仁石阡人，助理工程师，本科，主要从事光伏项目开发工作。