屋頂分布式光伏發電的支架結構設計探究

史 嫄

（河北港灣電力技術有限公司）

0 引言

在現代城市化進程中，隨著人口數量和城市化程度逐漸增加，越來越多的人開始關注“節能減排”問題。隨著全球氣候變暖、環境污染問題日益突出、化石燃料資源短缺等現實條件制約著經濟發展。近年來國家大力支持發展綠色低碳經濟以緩解能源危機，同時提出可再生能源建設規劃綱要，為我國未來的太陽能光伏發電市場奠定基礎。由于土地資源有限，屋頂是城市建筑的重要組成部分，成為光伏發電的重要載體。隨著我國經濟發展，城市建設速度加快，建筑規模不斷擴大。城市中建造大型住宅區、商業街區或工業廠房等公共用地時都會選擇利用太陽能作為能源來發電，抵消一部分電費，還能將多余的電量賣給國家電網，因此屋頂分布式光伏是一種非常重要且應用前景十分廣闊的新型綠色環保節能應用。為緩解能源危機與環境污染問題，國家出臺了一系列政策來扶持光伏產業的發展和應用，屋頂安裝太陽能發電系統為解決節能減碳這一難題取得了顯著應用成效［1］。

目前，屋頂分布式光伏發電主要由太陽能電池組件、支架結構、組串式逆變器和電纜等組成。太陽電池組件是一種能量轉換裝置，它將來自外部陽光輻射能轉化為電能，當陽光足夠強時輸出電壓會升高，通過逆變器轉換為交流電并提供給負載供電，所發電量能夠就近在建筑內部消納使用，減少電纜傳輸損耗［2］。

1 太陽能資源評價

本項目區域屬太陽能輻照資源豐富地區［3］太陽能資源等級分類如下表所示。

表 太陽能資源等級分類

2 屋頂分布式光伏建設思路

華能元氏縣整縣屋頂分布式光伏項目建設思路為，在元氏縣宋曹鎮，趙同鄉，北褚鎮，南佐鎮，黑水河鄉的鎮（鄉）政府，醫院，學校，工商業及農戶等屋頂建設分布式光伏項目。城區內元氏縣常山路小學，元氏縣槐陽實驗學校小學部，元氏縣實驗中學，元氏七中以及元氏縣中醫院，元氏縣科學技術局，元氏縣教育局，元氏縣發展改革局，元氏縣民政局，元氏縣人力資源和社會保障局，元氏縣住建局，元氏縣供銷合作社，元氏縣人民檢察院，元氏縣自然資源和規劃局，元氏縣市場監督管理局，負責工業園區河北匯康日用品有限公司，河北華遠冶金設備有限公司，河北東成啟達供應鏈管理等區域開發。實施屋頂分布式光伏發電項目，采用整體開發，分步實施的開發建設思路，總容量約37.38MW。其中，黨政機關屋頂建設光伏容量約0.9MW，采用“全額上網”的并網模式；企事業單位屋頂建設光伏容量約1.96MW，采用“全額上網”的并網模式；農村居民屋頂建設光伏容量約32.22MW，采用 “全額上網”的并網模式；工商業屋頂建設光伏容量2.3MW，采用自發自用余電上網的并網模式，本項目不占用耕地，滿足國家用地要求［4］。

3 屋頂分布式光伏發電的支架結構設計

3.1 支架結構設計思路

光伏支架系統設計方案需要結合具體建筑屋面結構形式，根據建筑物自身特點及發電量最佳等因素綜合考慮，太陽能光伏發電組件安裝在屋頂閑置空地，不應影響建筑使用功能，并在設計時考慮與建筑外觀協調一致，同時根據原設計建筑以及結構圖紙分析原結構的荷載能力，如果結構承載沒有問題，下一步設計光伏組件的鋪設方式［5］。

3.2 混凝土屋面支架設計

混凝土平屋面，光伏陣列鋪設方式采用最佳傾角鋪設，考慮前后排間距不能對光伏板造成遮擋，同時保證建筑物及周圍不應對光伏組件上的陽光造成遮擋。光伏陣列前后排間距設計思路，應滿足全年不受遮擋，因此通常情況下考慮間距滿足冬至日9：00～15：00光伏組件不受遮擋，結合項目所在地的經緯度、方位角等，利用專業軟件測算前后排不遮擋的光伏陣列布置。已建建筑光伏陣列采用混凝土配重支架系統，光伏系統新增恒荷載為0.3～0.5kN／m2，設計安全系數能夠符合規范及工程要求。光伏支架系統本身不破壞原有建筑屋面防水功能，原有建筑應能保證安裝光伏系統后屋面承重及防水仍能夠滿足建筑結構安全及使用功能要求［6］。

混凝土屋面光伏固定安裝支架結構與地面光伏電站固定安裝支架較為類似，主要構成部分由檁條、主梁、立柱、斜撐等組成。按照規范要求以及屋面荷載情況，進行材料設計及選擇，通常檁條厚度大于1.5mm，主梁厚度大于2.5mm，另外立柱材料的厚度大于2.5mm［7］。其安裝效果圖如圖1所示。

圖1 混凝土屋頂光伏陣列安裝效果圖

3.3 彩鋼瓦屋頂支架設計

本項目廠房屋頂主要為金屬屋頂（彩鋼瓦屋頂），光伏組件陣列的鋪設方式將依照屋面角度平行鋪設。支架系統固定方式主要根據彩鋼瓦咬合形狀制作夾具固定組件安裝橫梁，組件底部距屋面不低于150mm作為散熱空間，光伏系統新增恒荷載為0.15kN／m2，設計安全系數能夠符合規范及項目要求。光伏支架系統本身不破壞原有建筑屋面防水功能，原有建筑應能保證安裝光伏系統后屋面承重及防水仍能夠滿足建筑結構安全及使用功能要求。屋面夾具布置首先考慮沿屋面坡度垂直的方向，當彩鋼瓦波距小于等于600mm時，每間隔一個波距布置一個夾具；而當彩鋼瓦的波距大于等于600mm，在瓦楞波峰位置一個夾具，保障間距超過1.2m。屋頂光伏支架結構設計與施工分別由具有專業設計資質的設計單位完成鋼結構設計并具有合格施工資質的承包單位完成施工。光伏組件的安裝方式通常以固定最佳傾角的形式為理想方案，能夠耦合更高的發電量，但此方案將對建筑的外觀效果造成嚴重破壞，因此對彩鋼瓦屋頂擬采用與屋面平行覆設的安裝方式，此種方式既能保證發電性能又可兼顧建筑效果的整體性［8］。

彩鋼瓦支架系統通常由鋁合金夾具、導軌、橫梁、中壓塊、邊壓塊等組成，光伏系統全壽命周期為25年，因此在結構設計以及材料選擇時，支架要具有考慮較好的防腐蝕性能。彩鋼瓦屋面在確定安裝方式時要充分考慮屋面彩鋼瓦型，選擇與之具有良好匹配的夾具，由螺栓與彩鋼瓦緊密連接。通常情況下彩鋼瓦一般分為角馳性、直立鎖邊以及梯形板，前兩種在選擇夾具時具有很多種選擇，也比較好實現，第三種通常需要粘接形式來固定連接件［9］。

3.4 琉璃瓦屋頂安裝支架設計

此方案采用彎鉤直接固定在混凝土屋面上，因此在屋面施工，需要對原有附屬物進行拆除，做好現場的成品保護，彎鉤需要結合屋頂進行選擇合理的尺寸。在混凝土屋面安裝施工區域需要對屋面防水進行測試，必要時需要重新進行屋面防水施工，確保安裝光伏后屋面防水仍具有良好的可靠性。整個支架系統主要由彎鉤連接件、U型鋼導軌、導軌連接件、壓塊連接螺栓、彎鉤固定螺栓，導軌連接件螺栓以及硅酮結構耐候膠構成，在彎鉤與膨脹螺栓連接面上涂滿硅酮結構耐候膠。導軌的布置，首先要滿足光伏組件能夠受力均勻，根據組件的尺寸計算每排導軌間距［10］，設計圖如圖2所示。

圖2 木屋頂支架設計圖

4 支架安裝施工注意事項

對于利用建筑金屬屋面板來安裝的光伏系統，在設計時考慮檢修通道的設計，采用夾具支托件固定光伏組件，在陣列安裝完畢后嚴禁踩踏，嚴禁對板子造成遮蔽。同時考慮清洗系統的設計及安裝，特別是北方地區，灰塵對光伏板造成較大的發電損失，需要定期清洗電池組件。光伏組件固定點尺寸按照屋面板棱距寬度2倍距離固定，點陣式陣列在安裝定位時，要嚴格按照拉基準線找準距離進行操作，確保陣列整齊，外觀統一。另外施工中，嚴禁在電池板支架系統懸掛其他物品，增加支架荷載，由于光伏支架設計并未考慮增加其他荷載的情況，因此會造成安全隱患［11］。

5 結束語

隨著我國經濟的迅速發展以及城市建設規模擴大，建筑領域耗能用能量依然占用較大比重，同時建設進程中對環境也造成較大的污染。屋頂分布式光伏發電利用閑置的空地資源，建設可再生能源應用形式具有較好的發展前景。本文就屋頂分布式光伏設計支架結構進行探究分析，為分布式光伏發展提供參考，同時希望能為該領域提供些許幫助與啟示。發展新能源產業，實現節能減排，是促進經濟可持續發展的必由之路。分布式光伏在全國各個區域的推廣應用，對優化區域能源結構、提升能源利用效率、緩解區域用能壓力具有良好的應用效果，為進一步推進我國建設資源節約型、環境友好型發展目標提供基本保障。