不同類型農村屋頂結構的分布式光伏電站建設方法分析

任建龍，姜欣蔚，胡靖宇

(1.黃淮學院 機械與能源工程學院，河南 駐馬店 463000；2.國網河南電力駐馬店供電公司，河南 駐馬店 463000)

1 引言

作為可再生能源的重要組成部分，太陽能分布廣泛、資源豐富，成為最具開發潛力的清潔能源[1-3]。光伏發電得到了國家的大力支持，光伏發電項目也被列入“十三五”規劃當中成為百大重點工程之一。國家可再生能源基金會給予光伏發電0.42元/(kW·h)的補貼并簽訂20年補貼合同[4]。同時用戶發出來的電優先自己使用，用不完的電還可以并入國家電網，電網按照當地燃煤價格進行收回一般收回價格在0.35～0.4元/(kW·h)之間。除國家可再生能源基金會的補貼之外地方政府也會出臺一系列補貼政策，如河北、上海等地。國家還出臺多種方案供用戶選擇，用戶可以選擇“自發自用，余電上網”模式，或者選擇“全額上網”模式。“全額上網”就是光伏電站所發的點全部并入國家電網，2017年的上網電價為0.85元/(kW·h)。“自發自用，余電上網”是用戶自己優先使用發電量，用戶用不完的電送入國家電網[5]。

中國土地資源總量豐富但人均可耕地面積緊缺，大型光伏電站或集中式光伏電站都會占用大面積的土地資源[6]。而農村分布式電站不僅解決了往常光伏電站占用耕地的弊端，同時還使閑置的屋頂得到了充分利用。農村用戶擁有明確產權的屋頂資源，一般不存在產權糾紛。申請流程也很簡單，申請電站只需要持本人戶口本、宅基證到當地電業局申請辦理即可。但是農村屋頂條件的的不同導致電站的建設施工也出現了多種類型，本文對最常見的農村屋頂分布式光伏建設方法進行分析。

2 不同類型屋頂電站建設方法分析

2.1 瓦屋面系統

瓦屋面系統是基于瓦屋面的傾斜角來鋪設的光伏發電系統，系統不再考慮角度對發電量的影響，更多地要考慮組件系統的牢固性問題。一般情況下瓦屋頂的傾斜角都達不到全年最高發電量的要求。但如果適當地增加后立柱高度使組件傾斜面滿足最佳傾角，達到全年最高發電量的話，光伏組件受到的風壓就會大大增加，抗風性能就會減少，這個建筑就會出現安全漏洞。

在瓦屋頂結構的房頂安裝光伏發電系統需要用專業掛鉤，如圖1(a)所示。將掛鉤用膨脹絲固定在琉璃瓦下面的水泥層，再將琉璃瓦鋪在原來位置上，如圖1(b)所示。根據選用的太陽能電池板(組件)的規格確定掛鉤的位置，這是安裝太陽能電池板的第一步也是至關重要的一步。假設一共有20塊組件，分兩排安裝，每排10塊組件。每排組件需要兩排支撐支架，共鋪設四排支架。支架把每塊板子分成1∶3∶1的比例，如圖1(c)所示。這樣支架受到的板子重力才會均勻；最后把電池板用壓塊固定牢固。

優點：對瓦屋面起到一定的保護作用；與建筑物完美結合，使屋頂更加美觀，具有更強的科技感；相對于混凝土結構屋面建筑方法受到的風壓較小。

缺點：由于角度不能按照全年最大發電量來設計，使得發電量會有所下降；由于建筑的特殊性對定期清理灰塵造成了一定的不便；有一定局限性，施工前應計算好屋面的承載力，建議只在有水泥層的斜面上建設。

2.2 彩鋼瓦屋面系統

彩鋼瓦體統跟瓦屋面系統的大致結構是一樣的，系統的傾斜角跟彩鋼瓦面的傾斜角相同，考慮到系統抗風性問題不去刻意調整系統組件的傾斜角。斜梁的固定應優先選擇彩鋼瓦棚的橫梁處，必要時對彩鋼瓦結構進行加固。

在彩鋼瓦屋棚上面建設光伏發電系統可以用彩鋼瓦屋面夾具，如圖2所示。或者也可用自攻絲直接與彩鋼瓦支架的橫梁連接。使用自攻絲的具體方法如下：把光伏支架的C型鋼斜梁縱向鋪設在彩鋼瓦上，每根斜梁間距110 cm，光伏支架的斜梁與彩鋼瓦棚的斜梁用自攻絲固定，且在自攻絲處涂專用結構膠進行防漏處理。鋪設方法與瓦屋頂類似，支架把每塊板子分成1∶3∶1的比例，并將電池板用壓塊固定牢固。

圖1 掛鉤實物(a),掛鉤安裝(b),支架安裝比例示意(c)

圖2 彩鋼瓦所用夾具

優點：每到夏季彩鋼瓦屋棚內的溫度特別高，系統建設完后成使彩鋼瓦屋棚內溫度大大降低可增加居住的舒適性；與建筑物完美結合；相對于混凝土結構屋面建筑方法受到的風壓較小。

缺點：彩鋼瓦屋面的壽命有限，一般為10～15年而光伏板的壽命在20年以上；一般彩鋼瓦屋頂在建設過程中沒有考慮到光伏組件的重力，所以在建設期間首先要對彩鋼瓦屋面進行加固。

2.3 混凝土結構屋面系統

混凝土結構屋面在農村是最常見的一種屋面形式。在混凝土結構屋面上建設光伏系統需根據全年最高發電量來進行電站傾角以及方位角的設計，使發電效率相對于瓦屋頂系統以及彩鋼瓦系統有較高提升，系統設計更合理。

將底座用膨脹絲固定在混凝土屋面上，每兩個底座之間的距離不得大于2 m，固定好底座之后安裝前后立柱；前后立柱安裝后將斜梁連接在前后立柱上，要求傾斜角為組件全年最高發電量傾角[7]；斜梁、后立柱之間用一個100 cm的C型鋼材料作為小斜撐與斜梁和后立柱構成三角形。安裝三角支架后在斜梁上鋪設橫梁，鋪設一排組件需要兩排橫梁支架，共需鋪設4排橫支架。鋪設的4排橫梁滿足3∶2∶3的比例，如圖3所示。這樣支架受到的板子重力才會均勻；在每個底座上做一個長寬高分別為30 cm×30 cm×30 cm的水泥墩；最后把電池板用壓塊固定牢固。

圖3 光伏支架的實物和示意

優點：發電量能夠達到全年發電量最大，系統設計更加合理；施工安全性得到較好的保障，屋頂都是平面，相對于彩鋼瓦屋頂以及瓦屋頂施工較為安全；有效地利用了閑置的屋頂，不僅節約了土地資源，同時也為農民增加了收入。

缺點：相對于彩鋼瓦屋面以及瓦屋面來說耗材量有所增加，因組件建筑為平屋頂組件與屋面有一定夾角，使受風面積增大、風壓加強需要水泥墩的配重。

3 結論

本文對農村屋頂式光伏電站主要的3種形式即瓦屋頂光伏發電系統、彩鋼瓦屋頂光伏發電系統、混凝土

屋頂光伏發電系統進行介紹和分析，結論如下。

(1)在農村建設屋頂式光伏電站，由于場地的多種多樣，需要根據用戶要求，確定最合理的方陣排布以及逆變器的選型。

(2)農村屋頂各式各樣，建設過程中要根據屋頂結構選擇合適的形式來建設電站。

(3)光伏電站的建設受條件約束較多，需要注意不能產生長時間的陰影遮擋防止孤島效應的產生。

光伏發電經過了幾十年的發展，已經逐步從大型電站的建設向小型家用電站方向靠攏。在中國可耕地面積有限，發展農村屋頂式光伏電站是改善農村用電安全的重要途經，在國家電網改造成功后，家用屋頂式光伏電站道路將會更加寬闊。