淺談金屬屋面光伏發電系統的安裝

浙江正泰新能源開發有限公司 周承軍 楊林 羅易

一 引言

目前，在世界各國的大力扶持和相關政策的鼓勵下，光伏產業得到迅猛發展，光伏組件的成本也大幅降低。2009年，我國陸續啟動了“金太陽”和光電建筑示范項目，使得國內光伏市場迅速啟動。

我國東部地區經濟發達，用電量大，有著大量的建筑屋頂可用于安裝光伏電站，非常適合于“金太陽”和光電建筑工程示范項目的應用推廣。通過工業廠房屋頂和建筑推廣建設并網光伏電站，不僅能緩解東部地區缺電的現狀，改善能源結構，還可促進當地產業的升級。

筆者所在的浙江正泰太陽能科技有限公司申報并安裝了十余項金太陽工程和光電建筑示范項目，其中浙江長興中鋼2MW工程、杭州東站10MW工程等項目都是安裝在廠房的金屬屋面上。現將光伏電站在金屬屋面上的安裝和維護情況進行分析，為今后的推廣應用提供參考。

二 金屬屋面的分類

金屬屋面系統又稱高級金屬屋面系統，是以具有自保性防腐能力、輕質、高強、耐久的鈦鋅、銅、鈦、鍍鋁鋅彩板等金屬薄板及鋁合金、不銹鋼薄板作為面材的建筑屋面系統。根據系統分類應用較廣泛的主要有以下幾種系統。

1 立邊咬合系統

無論何種建筑形狀，均能完全咬合接縫，整個屋面無釘孔，既可使屋面在溫度變化時自由伸縮，避免溫度應力，又杜絕了由系統螺釘固定方式所造成的漏水隱患。立邊咬合屋面示意圖如圖1所示。

圖1 立邊咬合屋面示意圖

2 直立鎖邊系統

基于直立鎖邊咬合設計的特殊板形的金屬板塊，在屋面上看不見任何穿孔，這種板塊的咬合過程無需人力，完全由機械自動完成，這種設計廣泛應用于大跨度自支承式密合安裝體系。直立鎖邊屋面示意圖如圖2所示。

圖2 直立鎖邊屋面示意圖

3 壓型板系統

適用于簡易屋面構造，在薄板金屬屋面系統中，是最為經濟的系統，廣泛用于民用公共建筑及工業建筑的屋頂。

三 組件安裝布置

1 承重荷載計算

由于光伏電池板、支架、電纜等相關組件的安裝，引起屋面荷載增加。光伏相關組件設計運行壽命為25年，根據《建筑結構荷載規范》，由光伏相關組件帶來的屋面荷載增加計為恒荷載，通常取值0.2kN/m2。

根據建筑荷載組合理論對屋面板、檁條、鋼架等結構件的強度、剛度、穩定性進行驗算，如能通過驗算，即可滿足承重要求。反之，考慮合理的加固措施。

2 組件布置要求

對有女兒墻的屋面，太陽能方陣的最南側離屋面女兒墻要保持一定距離，以避開陰影。同時，在布置光伏電池板時還需考慮屋面設備產生的陰影，對南北坡、東西坡需考慮接收輻射量的不同，進行布置上的分割。在按一定數量布置光伏組件陣列時，需考慮留有一定的施工和檢修通道。

四 安裝形式

光伏電池板的安裝通過與屋面連接的轉接件和金屬導軌連接，在安裝好光伏組件后，屋面以上荷載通過轉接件直接作用在金屬屋面板上。根據屋面板能承受荷載的極限能力，同時考慮支架的材料用量，通常分為單層導軌和雙層導軌兩種安裝形式。

1 單層導軌

電池板安裝導軌通過夾具與金屬屋面連接，夾具分布在屋面板下方各個位置，光伏板荷載和雪荷載直接通過夾具傳遞到金屬屋面板上。在夾具位于金屬屋面板跨中的位置，屋面板形變最大，超過一定范圍可能有漏水的風險。但該安裝方式支架用量較少，成本較低。

圖3 單層導軌

2 雙層導軌

雙層導軌的安裝方式，即在電池板和屋面之間安裝有主梁和次梁，夾具可設計在屋內檁條投影位置，這樣光伏板荷載和雪荷載通過夾具直接作用在剛度加大的檁條上，此法屋面板受力形變最小，但用材較多，造價略高。

圖4 雙層導軌安裝

五 支架設計

1 夾具選擇

夾具的設計需按照金屬屋面板板型剖面精心設計，達到咬合充分、受力穩定的要求。通常選擇立邊咬合系統和直立鎖邊系統屋面進行安裝，安裝時無需另行開孔，確保防水的可靠性。安裝好的夾具需抵抗最不利風荷載吸力的作用，通常采用做拉拔力實驗驗證其穩定性。

圖5 針對不同板型的設計的夾具

2 導軌選擇

導軌的設計考慮電池板安裝的高效性，還需驗算導軌的強度和剛度。精巧的導軌與夾具之間的安裝節點設計，以及電池板的快速安裝設計都能有效提高施工效率。直插式的安裝壓塊和摩擦型的導軌安裝節點設計分別如圖3、圖4所示。

圖6 直插式的安裝壓塊

圖7 摩擦型的導軌節點

六 總結

在金屬屋面安裝光伏光伏發電系統，可針對金屬屋面的形式，采用不同的支架安裝方式，同時還需精心優化各設計與施工環節，使安裝的光伏支架與組件不影響原建筑的使用功能。

[1]王長貴, 王斯成. 太陽能光伏發電實用技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005.

[2]馮垛生, 張淼, 趙慧, 等. 太陽能發電技術與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.