談屋頂光伏設計及安裝

王 雨 謝 煒

(龍源(北京)太陽能技術有限公司，北京 100000)

談屋頂光伏設計及安裝

王 雨 謝 煒

(龍源(北京)太陽能技術有限公司，北京 100000)

簡述了屋頂光伏電站施工前的準備工作，分析了屋頂光伏設計時需考慮的問題，并從屋面、傾角、屋頂清洗系統(tǒng)、屋頂支架選材等方面，闡述了屋頂?shù)陌惭b技術，有利于屋頂光伏的推廣應用。

屋頂，光伏電站，屋面，支架

近年來，隨著國家一系列政策性的引導，越來越多的城市屋頂將會安裝太陽能光伏組件。未來的國家將有可能依靠開發(fā)、利用全國的住宅、學校、商業(yè)建筑屋頂光伏項目實現(xiàn)利用這種可再生的清潔能源，從一定程度上解決能源短缺的危機。因此對屋頂光伏的設計及安裝知識的詳細了解，有利于屋頂光伏的大面積推廣，并走向千家萬戶。

1 屋頂光伏電站前期準備工作

1.1 屋頂?shù)倪x用

1)盡量選用新建廠房和建設年限較短的廠房，一是避免或減少因廠房維護導致光伏電站的運營維護成本；二是鋼結構廠房的使用年限的保障不如混凝土廠房更加穩(wěn)定可靠，因此選用較新的廠房建設光伏電站可以盡可能保障光伏電站的25年使用期。

2)對于混凝土屋面，一般盡量選用剛性防水的上人屋面，一方面剛性防水屋面便于光伏電站的施工、運營和維護，另一方面上人屋面承載力一般均會滿足建設光伏電站的荷載要求。非上人屋面在選用前應經(jīng)過原設計單位或有資質的第三方經(jīng)過荷載驗算通過后方可安裝光伏電站；壓型鋼板屋面的板型應盡量選用角馳型及直立鎖邊型，避免破壞屋頂原防水系統(tǒng)，導致雨季屋面維護難度及費用的增加。

1.2 屋頂安裝容量估算

1)屋頂有效面積。

屋頂光伏電站除具有地面電站的檢修維護通道以外，還考慮屋頂女兒墻、設備、氣樓等產(chǎn)生的陰影遮擋以及對屋頂采光天窗的避讓，甚至還要考慮臨近較高建筑物的影響。因此屋頂?shù)膶嶋H使用面積即有效面積會比屋頂面積小不少。

2)屋頂可利用系數(shù)。

屋頂可利用系數(shù)為屋頂可利用面積與屋頂實際面積的比值，這是估算安裝容量的關鍵。根據(jù)工程經(jīng)驗，對不同的屋面可采用不同的經(jīng)驗系數(shù)估算，系數(shù)可參考表1。

表1 可利用系數(shù)參考值

2 土建設計的相關問題

2.1 光伏電站對屋面防水的影響

1)混凝土屋面。

屋頂光伏組件的支架基礎可采用配重的方式，不但可保證支架在風荷載作用下的穩(wěn)定性，同時也保證了原屋面防水系統(tǒng)的完整性，避免屋面后期屋面防水層維護影響電站的運行。配重是混凝土屋面光伏電站最常用的一種基礎安裝方式。另外，也有采用化學植筋錨固安裝的方式，一般在屋面荷載不能滿足配重要求且屋面為剛性防水屋面時采用，這種方式可靠性較低，而且對屋面防水層的破壞會增大屋面漏水的可能性，后期屋面的維護也較麻煩，一般不建議采用這種方式。

2)壓型鋼板屋面。

目前壓型鋼板屋面采用角馳型和直立鎖邊型較多，這對支架的安裝非常有利，支架與屋面的連接一般采用夾具方式即可。對于壓型鋼板為梯形的屋面，目前一般采用自攻螺栓連接的方式，破壞屋面防水位置增設防水墊片及密封膠保護，這種方式雖然可行，但根據(jù)工程實際情況反映，屋面漏點均會有不同程度的增加，因此對于室內(nèi)有嚴格防水要求的廠房，應謹慎使用。

2.2 屋面承載力校核

在已建屋頂上建設光伏電站，會改變建筑屋頂?shù)挠猛荆鶕?jù)結構設計相關規(guī)范的規(guī)定：在設計使用年限內(nèi)未經(jīng)技術鑒定或設計認可，不得改變結構的用途和使用環(huán)境。因此安裝光伏電站前，必須對原廠房進行承載力校核，校核單位可以為原設計單位或有相應資質的第三方。

1)混凝土屋頂承載力驗算。

a.驗算原則。由于混凝土廠房建設年代的不同，所依據(jù)的規(guī)范版本也會不同，尤其是2008年汶川地震后，新抗規(guī)對結構的抗震要求更加嚴格，因此導致新抗規(guī)出現(xiàn)以前的建筑在整體驗算時(采用新抗規(guī)驗算)一般達不到承載力要求。建議這種情況下應嚴格按規(guī)范要求：征得原設計院同意或經(jīng)技術簽訂，并出具相應的承載力證明。對于2010年以后按新的規(guī)范進行計算的結構，一般按上人屋面設計的均可以核算通過；非上人屋面有條件情況下，應進行承載力整體的驗算，不但要驗算樓板、次梁，還應進行整個結構的建模，對梁、板、柱、基礎等各構件均要進行詳細復核。

b.配重驗算方法。配重方式是目前混凝土屋頂光伏電站最常用、最可靠的一種基礎形式。在配重計算中除風壓、雪壓按規(guī)范要求取值外，應重點考慮風吸力作用下基礎的抗拔穩(wěn)定及抗滑移穩(wěn)定性?？拱渭翱够€(wěn)定性計算時，應采用荷載基本組合(系數(shù)均取1.0)計算，穩(wěn)定系數(shù)應不小于1.05；抗滑穩(wěn)定性應計算在風吸力水平分量和豎向分量共同作用下的結果，抗滑移穩(wěn)定系數(shù)應不小于1.1(GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范中6.4.3第5條)。應特別指出一點，在基礎與屋面摩擦系數(shù)選用時，應根據(jù)屋面面層做法，參考GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范中表6.7.5-2，可按0.40～0.70之間。抗滑移計算是在配重計算中較容易忽略的一項內(nèi)容，但隨著光伏組件傾角的增大，抗滑移通常是控制配重設計的重要內(nèi)容。

2)壓型鋼板屋面的承載力驗算。

鋼結構廠房一般需要驗算門式鋼架以及檁條部分的受力，另外節(jié)點處的連接受力處容易忽略，復核過程中也應根據(jù)計算結果進行比對。

a.結構重要性系數(shù)。一般光伏電站使用年限25年，按規(guī)范要求結構重要性系數(shù)為0.95，但對于屋頂分布式光電站，必須遵守原廠房結構設計使用年限，對于已建時間較長且使用年限為25年的廠房，應慎重考慮使用。

b.檁條受力計算。檁條計算時一般光伏電站附加荷載按恒載0.15 kN/m2復核，活載、雪載、風載均按規(guī)范要求取值。其中活載與雪載為兩個互斥荷載，雪載可不按不利分布布置。首先，計算參數(shù)的設置應注意內(nèi)外層壓型鋼板對檁條有無有利約束，通常采用屋面板與檁條有可靠連接(如自攻釘)時，可以考慮其有利影響。其次，拉條的設置方式應按圖紙設計復核約束檁條的上或下翼緣，如采用的交叉拉條或雙層拉條，可選擇約束上下翼緣。

c.鋼架計算。鋼架計算時應按原施工圖(竣工圖)建模，根據(jù)原結構設計時的荷載要求進行加載，屋頂光伏電站一般按恒載0.15 kN/m2復核，也可以根據(jù)實際情況，考慮光伏支架間距、檢修通道后，計算光伏附加荷載，一般可以按屋面可利用系數(shù)0.15 kN/m2估算，如屋頂可利用系數(shù)為0.8，則可按0.15 kN/m2×0.8=0.12 N/m2復核。

鋼架驗算時容易忽略的一個問題是對節(jié)點受力的復核，包括螺栓直徑和大小、焊縫長度或高度以及一些節(jié)點板厚度是否滿足加載后的要求。

3 屋頂施工安裝的相關問題

3.1 平行于屋面的安裝方式

對于壓型鋼板及坡屋面，光伏陣列一般采用和屋頂表面平行的方式(如圖1，圖2所示)。

這種安裝方式一般采用夾具及支架作為連接件，并把組件和屋面隔開一定距離(15 cm～20 cm)形成空氣腔,以達到自然冷卻的目的。通常光伏組件在正常工作時產(chǎn)生較大的熱量，由電池組件性能參數(shù)可知，溫度增加1 ℃(以 25 ℃為基準)，其最大輸出功率會隨溫度的升高而降低約0.45%。因此在安裝時注意支架與屋頂之間要預留一定的距離，保證良好的空氣流動，以此來降低光伏組件的工作溫度，同時也可以降低炎熱季節(jié)的室內(nèi)溫度，保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度。

3.2 優(yōu)化傾角的安裝方式

優(yōu)化傾角的安裝方式，除了可以降低用電成本，提高項目收益率外，同時對冬季積雪、積灰嚴重地區(qū)都是有利的一種安裝方式(見圖3)。

屋頂坡向通常有正南坡、正北坡、正東/西坡及非正向坡，對于正北坡和朝北的東/西向坡，除非北坡角度較小，一般不建議布置光伏組件。對于西向坡及西南/東南向坡建議組件采用南北向布置的方式。在西向或東向坡的屋面上，經(jīng)PVsyst模擬后，與東西向或西南向相比，采用南北布置的方式年總輻射量同比最大，是優(yōu)先建議的布置方案，對提高屋面可利用面積、方便施工均有優(yōu)勢，這種布置方式相當于平地上的優(yōu)化角旋轉了一定的方位角。如有屋面條件允許，也可通過模擬結果選用東南向布置的方案(即組件布置在優(yōu)化傾角所在平面與屋面的交線所在的平面上)。

3.3 屋頂清洗系統(tǒng)的布置

污穢會造成發(fā)電量很大的損失，經(jīng)國外有關部門在2006年通過對美國50個大型光伏電站的研究得出，不同地區(qū)的污穢對發(fā)電量影響約在2%～6%之間(無人工清洗的前提下)。因此屋頂光伏電站應根據(jù)當?shù)氐沫h(huán)境，設置屋頂清洗管網(wǎng)。

光伏組件最好定期用水清洗，然后再擦，隨后再用水清洗。擦洗布應選用質地柔軟的布，以防損傷光伏組件表面。清洗時機的選擇要結合灰塵積累情況確定。光伏組件灰塵積累可通過光伏組件清洗試驗確定，通常在試驗清洗光伏組件前后電流增加5%即說明灰塵積累較多需要清洗。并且清洗時間還要結合天氣預報，避免剛剛清洗完成就遭遇雨雪或沙塵暴的情況。

3.4 屋頂支架選材

支架結構材料的選用應結合使用條件、環(huán)境、結構的使用年限等因素綜合考慮，要求戶外材料應具有耐陽光、紫外線、耐腐蝕性好的特點。一般可選鋁型材、熱鍍鋅鋼材、不銹鋼以及木結構等。安裝時應使用一些高質量的扣件(如不銹鋼、碳鋼構件、鋁合金等)，以確保安裝安全可靠。在低腐蝕環(huán)境下可選用普通鋼+防腐漆涂層。

4 結語

屋頂太陽能光伏發(fā)電，不僅是一項展現(xiàn)了廣闊前景和令人鼓舞新能源計劃；也是對我國節(jié)能和環(huán)保具有十分重大戰(zhàn)略和實際意義的計劃，堪稱是一項利國利民的宏大計劃。這項計劃的深入、廣泛和全面地推廣，必將在我國形成一個新興的大產(chǎn)業(yè)和大市場。

[1] 鄺少平.2009全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告[R].2009.

[2] 浙江大學創(chuàng)業(yè)投資有限公司．光伏建筑一體化行業(yè)分析報告[R].2008.

[3] 沈 輝，曾祖勤．太陽能光伏發(fā)電技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[4] 張大煦.光伏太陽能系統(tǒng)在建筑上的應用[J].天津建設科技,2004(1)：55-56.

Discussion on photovoltaic design and installation of the roof

Wang Yu Xie Wei

(Longyuan(Beijing)SolarEnergyTechnologyCo.,Ltd,Beijing100000,China)

The paper briefly illustrates photovoltaic power station construction preparations of the roof, analyzes matters needing considering in photovoltaic design of the roof, and describes the roof installation technologies from aspects of roof covering, obliquity, roof cleaning system and roof support material selection, which will be good for promoting roofing photovoltaic technology.

roof, photovoltaic power station, roof covering, support

1009-6825(2017)02-0196-03

2016-11-03

王 雨(1980- )，男，工程師； 謝 煒(1981- )，男，工程師

TU765

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