屋顶分布式光伏发电的支架结构设计探究

史 嫄

（河北港湾电力技术有限公司）

0 引言

在现代城市化进程中，随着人口数量和城市化程度逐渐增加，越来越多的人开始关注“节能减排”问题。随着全球气候变暖、环境污染问题日益突出、化石燃料资源短缺等现实条件制约着经济发展。近年来国家大力支持发展绿色低碳经济以缓解能源危机，同时提出可再生能源建设规划纲要，为我国未来的太阳能光伏发电市场奠定基础。由于土地资源有限，屋顶是城市建筑的重要组成部分，成为光伏发电的重要载体。随着我国经济发展，城市建设速度加快，建筑规模不断扩大。城市中建造大型住宅区、商业街区或工业厂房等公共用地时都会选择利用太阳能作为能源来发电，抵消一部分电费，还能将多余的电量卖给国家电网，因此屋顶分布式光伏是一种非常重要且应用前景十分广阔的新型绿色环保节能应用。为缓解能源危机与环境污染问题，国家出台了一系列政策来扶持光伏产业的发展和应用，屋顶安装太阳能发电系统为解决节能减碳这一难题取得了显著应用成效［1］。

目前，屋顶分布式光伏发电主要由太阳能电池组件、支架结构、组串式逆变器和电缆等组成。太阳电池组件是一种能量转换装置，它将来自外部阳光辐射能转化为电能，当阳光足够强时输出电压会升高，通过逆变器转换为交流电并提供给负载供电，所发电量能够就近在建筑内部消纳使用，减少电缆传输损耗［2］。

1 太阳能资源评价

本项目区域属太阳能辐照资源丰富地区［3］太阳能资源等级分类如下表所示。

表 太阳能资源等级分类

2 屋顶分布式光伏建设思路

华能元氏县整县屋顶分布式光伏项目建设思路为，在元氏县宋曹镇，赵同乡，北褚镇，南佐镇，黑水河乡的镇（乡）政府，医院，学校，工商业及农户等屋顶建设分布式光伏项目。城区内元氏县常山路小学，元氏县槐阳实验学校小学部，元氏县实验中学，元氏七中以及元氏县中医院，元氏县科学技术局，元氏县教育局，元氏县发展改革局，元氏县民政局，元氏县人力资源和社会保障局，元氏县住建局，元氏县供销合作社，元氏县人民检察院，元氏县自然资源和规划局，元氏县市场监督管理局，负责工业园区河北汇康日用品有限公司，河北华远冶金设备有限公司，河北东成启达供应链管理等区域开发。实施屋顶分布式光伏发电项目，采用整体开发，分步实施的开发建设思路，总容量约37.38MW。其中，党政机关屋顶建设光伏容量约0.9MW，采用“全额上网”的并网模式；企事业单位屋顶建设光伏容量约1.96MW，采用“全额上网”的并网模式；农村居民屋顶建设光伏容量约32.22MW，采用 “全额上网”的并网模式；工商业屋顶建设光伏容量2.3MW，采用自发自用余电上网的并网模式，本项目不占用耕地，满足国家用地要求［4］。

3 屋顶分布式光伏发电的支架结构设计

3.1 支架结构设计思路

光伏支架系统设计方案需要结合具体建筑屋面结构形式，根据建筑物自身特点及发电量最佳等因素综合考虑，太阳能光伏发电组件安装在屋顶闲置空地，不应影响建筑使用功能，并在设计时考虑与建筑外观协调一致，同时根据原设计建筑以及结构图纸分析原结构的荷载能力，如果结构承载没有问题，下一步设计光伏组件的铺设方式［5］。

3.2 混凝土屋面支架设计

混凝土平屋面，光伏阵列铺设方式采用最佳倾角铺设，考虑前后排间距不能对光伏板造成遮挡，同时保证建筑物及周围不应对光伏组件上的阳光造成遮挡。光伏阵列前后排间距设计思路，应满足全年不受遮挡，因此通常情况下考虑间距满足冬至日9：00～15：00光伏组件不受遮挡，结合项目所在地的经纬度、方位角等，利用专业软件测算前后排不遮挡的光伏阵列布置。已建建筑光伏阵列采用混凝土配重支架系统，光伏系统新增恒荷载为0.3～0.5kN／m2，设计安全系数能够符合规范及工程要求。光伏支架系统本身不破坏原有建筑屋面防水功能，原有建筑应能保证安装光伏系统后屋面承重及防水仍能够满足建筑结构安全及使用功能要求［6］。

混凝土屋面光伏固定安装支架结构与地面光伏电站固定安装支架较为类似，主要构成部分由檩条、主梁、立柱、斜撑等组成。按照规范要求以及屋面荷载情况，进行材料设计及选择，通常檩条厚度大于1.5mm，主梁厚度大于2.5mm，另外立柱材料的厚度大于2.5mm［7］。其安装效果图如图1所示。

图1 混凝土屋顶光伏阵列安装效果图

3.3 彩钢瓦屋顶支架设计

本项目厂房屋顶主要为金属屋顶（彩钢瓦屋顶），光伏组件阵列的铺设方式将依照屋面角度平行铺设。支架系统固定方式主要根据彩钢瓦咬合形状制作夹具固定组件安装横梁，组件底部距屋面不低于150mm作为散热空间，光伏系统新增恒荷载为0.15kN／m2，设计安全系数能够符合规范及项目要求。光伏支架系统本身不破坏原有建筑屋面防水功能，原有建筑应能保证安装光伏系统后屋面承重及防水仍能够满足建筑结构安全及使用功能要求。屋面夹具布置首先考虑沿屋面坡度垂直的方向，当彩钢瓦波距小于等于600mm时，每间隔一个波距布置一个夹具；而当彩钢瓦的波距大于等于600mm，在瓦楞波峰位置一个夹具，保障间距超过1.2m。屋顶光伏支架结构设计与施工分别由具有专业设计资质的设计单位完成钢结构设计并具有合格施工资质的承包单位完成施工。光伏组件的安装方式通常以固定最佳倾角的形式为理想方案，能够耦合更高的发电量，但此方案将对建筑的外观效果造成严重破坏，因此对彩钢瓦屋顶拟采用与屋面平行覆设的安装方式，此种方式既能保证发电性能又可兼顾建筑效果的整体性［8］。

彩钢瓦支架系统通常由铝合金夹具、导轨、横梁、中压块、边压块等组成，光伏系统全寿命周期为25年，因此在结构设计以及材料选择时，支架要具有考虑较好的防腐蚀性能。彩钢瓦屋面在确定安装方式时要充分考虑屋面彩钢瓦型，选择与之具有良好匹配的夹具，由螺栓与彩钢瓦紧密连接。通常情况下彩钢瓦一般分为角驰性、直立锁边以及梯形板，前两种在选择夹具时具有很多种选择，也比较好实现，第三种通常需要粘接形式来固定连接件［9］。

3.4 琉璃瓦屋顶安装支架设计

此方案采用弯钩直接固定在混凝土屋面上，因此在屋面施工，需要对原有附属物进行拆除，做好现场的成品保护，弯钩需要结合屋顶进行选择合理的尺寸。在混凝土屋面安装施工区域需要对屋面防水进行测试，必要时需要重新进行屋面防水施工，确保安装光伏后屋面防水仍具有良好的可靠性。整个支架系统主要由弯钩连接件、U型钢导轨、导轨连接件、压块连接螺栓、弯钩固定螺栓，导轨连接件螺栓以及硅酮结构耐候胶构成，在弯钩与膨胀螺栓连接面上涂满硅酮结构耐候胶。导轨的布置，首先要满足光伏组件能够受力均匀，根据组件的尺寸计算每排导轨间距［10］，设计图如图2所示。

图2 木屋顶支架设计图

4 支架安装施工注意事项

对于利用建筑金属屋面板来安装的光伏系统，在设计时考虑检修通道的设计，采用夹具支托件固定光伏组件，在阵列安装完毕后严禁踩踏，严禁对板子造成遮蔽。同时考虑清洗系统的设计及安装，特别是北方地区，灰尘对光伏板造成较大的发电损失，需要定期清洗电池组件。光伏组件固定点尺寸按照屋面板棱距宽度2倍距离固定，点阵式阵列在安装定位时，要严格按照拉基准线找准距离进行操作，确保阵列整齐，外观统一。另外施工中，严禁在电池板支架系统悬挂其他物品，增加支架荷载，由于光伏支架设计并未考虑增加其他荷载的情况，因此会造成安全隐患［11］。

5 结束语

随着我国经济的迅速发展以及城市建设规模扩大，建筑领域耗能用能量依然占用较大比重，同时建设进程中对环境也造成较大的污染。屋顶分布式光伏发电利用闲置的空地资源，建设可再生能源应用形式具有较好的发展前景。本文就屋顶分布式光伏设计支架结构进行探究分析，为分布式光伏发展提供参考，同时希望能为该领域提供些许帮助与启示。发展新能源产业，实现节能减排，是促进经济可持续发展的必由之路。分布式光伏在全国各个区域的推广应用，对优化区域能源结构、提升能源利用效率、缓解区域用能压力具有良好的应用效果，为进一步推进我国建设资源节约型、环境友好型发展目标提供基本保障。