不同类型农村屋顶结构的分布式光伏电站建设方法分析

任建龙，姜欣蔚，胡靖宇

(1.黄淮学院 机械与能源工程学院，河南 驻马店 463000；2.国网河南电力驻马店供电公司，河南 驻马店 463000)

1 引言

作为可再生能源的重要组成部分，太阳能分布广泛、资源丰富，成为最具开发潜力的清洁能源[1-3]。光伏发电得到了国家的大力支持，光伏发电项目也被列入“十三五”规划当中成为百大重点工程之一。国家可再生能源基金会给予光伏发电0.42元/(kW·h)的补贴并签订20年补贴合同[4]。同时用户发出来的电优先自己使用，用不完的电还可以并入国家电网，电网按照当地燃煤价格进行收回一般收回价格在0.35～0.4元/(kW·h)之间。除国家可再生能源基金会的补贴之外地方政府也会出台一系列补贴政策，如河北、上海等地。国家还出台多种方案供用户选择，用户可以选择“自发自用，余电上网”模式，或者选择“全额上网”模式。“全额上网”就是光伏电站所发的点全部并入国家电网，2017年的上网电价为0.85元/(kW·h)。“自发自用，余电上网”是用户自己优先使用发电量，用户用不完的电送入国家电网[5]。

中国土地资源总量丰富但人均可耕地面积紧缺，大型光伏电站或集中式光伏电站都会占用大面积的土地资源[6]。而农村分布式电站不仅解决了往常光伏电站占用耕地的弊端，同时还使闲置的屋顶得到了充分利用。农村用户拥有明确产权的屋顶资源，一般不存在产权纠纷。申请流程也很简单，申请电站只需要持本人户口本、宅基证到当地电业局申请办理即可。但是农村屋顶条件的的不同导致电站的建设施工也出现了多种类型，本文对最常见的农村屋顶分布式光伏建设方法进行分析。

2 不同类型屋顶电站建设方法分析

2.1 瓦屋面系统

瓦屋面系统是基于瓦屋面的倾斜角来铺设的光伏发电系统，系统不再考虑角度对发电量的影响，更多地要考虑组件系统的牢固性问题。一般情况下瓦屋顶的倾斜角都达不到全年最高发电量的要求。但如果适当地增加后立柱高度使组件倾斜面满足最佳倾角，达到全年最高发电量的话，光伏组件受到的风压就会大大增加，抗风性能就会减少，这个建筑就会出现安全漏洞。

在瓦屋顶结构的房顶安装光伏发电系统需要用专业挂钩，如图1(a)所示。将挂钩用膨胀丝固定在琉璃瓦下面的水泥层，再将琉璃瓦铺在原来位置上，如图1(b)所示。根据选用的太阳能电池板(组件)的规格确定挂钩的位置，这是安装太阳能电池板的第一步也是至关重要的一步。假设一共有20块组件，分两排安装，每排10块组件。每排组件需要两排支撑支架，共铺设四排支架。支架把每块板子分成1∶3∶1的比例，如图1(c)所示。这样支架受到的板子重力才会均匀；最后把电池板用压块固定牢固。

优点：对瓦屋面起到一定的保护作用；与建筑物完美结合，使屋顶更加美观，具有更强的科技感；相对于混凝土结构屋面建筑方法受到的风压较小。

缺点：由于角度不能按照全年最大发电量来设计，使得发电量会有所下降；由于建筑的特殊性对定期清理灰尘造成了一定的不便；有一定局限性，施工前应计算好屋面的承载力，建议只在有水泥层的斜面上建设。

2.2 彩钢瓦屋面系统

彩钢瓦体统跟瓦屋面系统的大致结构是一样的，系统的倾斜角跟彩钢瓦面的倾斜角相同，考虑到系统抗风性问题不去刻意调整系统组件的倾斜角。斜梁的固定应优先选择彩钢瓦棚的横梁处，必要时对彩钢瓦结构进行加固。

在彩钢瓦屋棚上面建设光伏发电系统可以用彩钢瓦屋面夹具，如图2所示。或者也可用自攻丝直接与彩钢瓦支架的横梁连接。使用自攻丝的具体方法如下：把光伏支架的C型钢斜梁纵向铺设在彩钢瓦上，每根斜梁间距110 cm，光伏支架的斜梁与彩钢瓦棚的斜梁用自攻丝固定，且在自攻丝处涂专用结构胶进行防漏处理。铺设方法与瓦屋顶类似，支架把每块板子分成1∶3∶1的比例，并将电池板用压块固定牢固。

图1 挂钩实物(a),挂钩安装(b),支架安装比例示意(c)

图2 彩钢瓦所用夹具

优点：每到夏季彩钢瓦屋棚内的温度特别高，系统建设完后成使彩钢瓦屋棚内温度大大降低可增加居住的舒适性；与建筑物完美结合；相对于混凝土结构屋面建筑方法受到的风压较小。

缺点：彩钢瓦屋面的寿命有限，一般为10～15年而光伏板的寿命在20年以上；一般彩钢瓦屋顶在建设过程中没有考虑到光伏组件的重力，所以在建设期间首先要对彩钢瓦屋面进行加固。

2.3 混凝土结构屋面系统

混凝土结构屋面在农村是最常见的一种屋面形式。在混凝土结构屋面上建设光伏系统需根据全年最高发电量来进行电站倾角以及方位角的设计，使发电效率相对于瓦屋顶系统以及彩钢瓦系统有较高提升，系统设计更合理。

将底座用膨胀丝固定在混凝土屋面上，每两个底座之间的距离不得大于2 m，固定好底座之后安装前后立柱；前后立柱安装后将斜梁连接在前后立柱上，要求倾斜角为组件全年最高发电量倾角[7]；斜梁、后立柱之间用一个100 cm的C型钢材料作为小斜撑与斜梁和后立柱构成三角形。安装三角支架后在斜梁上铺设横梁，铺设一排组件需要两排横梁支架，共需铺设4排横支架。铺设的4排横梁满足3∶2∶3的比例，如图3所示。这样支架受到的板子重力才会均匀；在每个底座上做一个长宽高分别为30 cm×30 cm×30 cm的水泥墩；最后把电池板用压块固定牢固。

图3 光伏支架的实物和示意

优点：发电量能够达到全年发电量最大，系统设计更加合理；施工安全性得到较好的保障，屋顶都是平面，相对于彩钢瓦屋顶以及瓦屋顶施工较为安全；有效地利用了闲置的屋顶，不仅节约了土地资源，同时也为农民增加了收入。

缺点：相对于彩钢瓦屋面以及瓦屋面来说耗材量有所增加，因组件建筑为平屋顶组件与屋面有一定夹角，使受风面积增大、风压加强需要水泥墩的配重。

3 结论

本文对农村屋顶式光伏电站主要的3种形式即瓦屋顶光伏发电系统、彩钢瓦屋顶光伏发电系统、混凝土

屋顶光伏发电系统进行介绍和分析，结论如下。

(1)在农村建设屋顶式光伏电站，由于场地的多种多样，需要根据用户要求，确定最合理的方阵排布以及逆变器的选型。

(2)农村屋顶各式各样，建设过程中要根据屋顶结构选择合适的形式来建设电站。

(3)光伏电站的建设受条件约束较多，需要注意不能产生长时间的阴影遮挡防止孤岛效应的产生。

光伏发电经过了几十年的发展，已经逐步从大型电站的建设向小型家用电站方向靠拢。在中国可耕地面积有限，发展农村屋顶式光伏电站是改善农村用电安全的重要途经，在国家电网改造成功后，家用屋顶式光伏电站道路将会更加宽阔。