淺談屋頂分布式光伏發電的支架結構設計

摘 要：在經濟高速發展的放當下，我國對于能源的需求也越來越大，但是傳統能源有限，不可再生，并且還會在使用過程中產生大量的污染，所以我國現在對于新能源的需求很大，而光電就是清潔能源的重要組成成分。所謂的屋頂分布式光伏發電就是把光伏發電系統安裝在建筑物的屋頂，然而建筑的種類多，且結構復雜，所以支架設計的工作重點在于如何能夠在現有建筑的屋頂基礎上，采用合適的結構基礎和固定方式，選用適當的工程材料，達到抗風、抗雪的能力。

關鍵詞：屋頂分布式；光伏發電；支架設計

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0146-02

1 引 言

作為用戶側發電裝置，屋頂分布式光伏發電是用戶自己安裝供給自身用電，并實現余電并網的發電方式。由于這種類型的裝置在最近幾年才在市場上出現，所以很多的安裝結構設計人員不了解屋頂分布式光伏發電裝置的結構設計。在沒有專業知識領導下貿然對發電結構進行設計施工，往往達不到使用要求，造成人力物力的浪費。

2 屋頂的分類

屋頂分布式光伏發電的結構需要和對象屋頂的結構相契合，所以在安裝之前就確定屋頂的結構類型。在現階段，比較適合進行光伏發電裝置安裝的屋頂結構大致有兩種，輕鋼結構彩鋼瓦屋面和混凝土屋面。不同的屋頂結構的結構性能也不同，所以在安裝發電結構時選用的支架結構也不盡相同。混凝土屋面就是完全混凝土澆筑的屋頂，而輕鋼結構彩鋼瓦屋面則是用輕鋼焊接好支架，然后再在結構上鋪上經過軋制過的彩鋼瓦，這種結構類型的屋面具有良好的疏水性，但是相對強度沒有混凝土結構屋頂強，其承載能力較弱，在進行支架結構設計的時候考慮的因素更多，設計要求也相對更高。

3 支架的結構設計

3.1 設計原理

設計的基本遵循原則就是不破壞建筑物屋頂原有的防水層，不影響原屋頂的功能，保證正常工作、生活的進行。對于輕鋼結構彩鋼瓦屋面來說，主要采用和彩鋼瓦型號匹配的家具和導軌，讓光伏發電機構著力于輕鋼構架，以保證支架系統的穩定性。對于現澆混凝土屋面的施工，一般通過打水泥墩來進行安裝，通過支架的自重和水泥墩的重量將支架固定在混凝土屋面上，實現抗風、抗壓等功能。屋頂分布式光伏發電的支架結構設計是對現有的房屋進行外設的增加，是對房屋的再改造，所以在結構設計的時候應該按照外接設施的標準和穩定來要求，確保系統的安全性，不會造成安全事故的發生。

3.2 支架材料的選擇

3.2.1 支架結構材料和材料要求

輕鋼結構彩鋼瓦屋面的支架材料包括各種以鋁合金材料為主的夾具、立柱、橫梁、導軌和滑塊。混凝土屋頂發電裝置支架材料包括鋼立柱、鋼橫梁、鋼導軌和水泥墩。光伏發電系統的設計壽命為兩年，并且支架結構在屋頂上要不斷接受陽光暴曬、雨水侵蝕、風蝕，所以在材料的選用上需要特別考慮到支架的防腐性，保證在工作年限內能夠保持很好的穩定性。輕鋼結構彩鋼瓦屋面表面的鋁合金選擇6005-T5以上的材料，混凝土屋面支架的鋼材料選擇標準應該高于Q235B，對于安裝好的構架還可以進行上漆等步驟進行防腐蝕處理。由于其建筑工程屬性，考慮材料的選取時不能盲目選擇厚度大、結構強的材料，也應該綜合經濟情況來進行考慮，實現經濟化、穩定的工程設計。

3.2.2 輕鋼結構彩鋼瓦屋面夾具和導軌的選擇

由彩鋼瓦屋面的結構特性決定，材料選用要考慮最多的就是輕鋼結構彩鋼瓦屋面。在進行支架設計之前就需要確定施工對象的彩鋼瓦型號，然后再依照型號選擇匹配的夾具，再用螺栓等結構連接彩鋼瓦和支架，以夾具和彩鋼瓦系統作為之后整個支架的系統。因為夾具系統是后續施工的結構基礎，所以對于夾具強度由很高的要求，一般選擇5mm以上厚度的夾具對支架后續機構的夾持和固定。導軌是光伏支架的次級支撐結構，也是保證系統穩定的重要裝置，一般選擇的厚度不低于1.8mm，而且盡量選用市場上的通用型號，維護更換的時候避免麻煩。不管導軌還是夾具的材料選擇，除了要考慮以上問題還需要對當地的環境有清楚認識，依據環境條件對材料選用進行適當改變，這樣才能適應環境，保證使用年限。

3.3 支架結構設計原則

支架設計的基本原則就是保證支架能夠穩定承載光伏發電系統，保證發電裝置能夠在各種條件下正常工作。對此，先需要建立模型，對原來屋面的承載能力進行計算；按照五十年標準考慮風荷和雪荷。另外，設計方案也還應該能夠對光伏發電系統的后續清潔、維護等工作提供便利。

對于夾具的布置，需要沿著與屋面傾斜方向的垂直線布置，彩鋼瓦型號的600mm波距是一個轉折點，大于600的需要在每一個波峰都安裝一個夾具，小于600則夾具安裝間隔一個波距，保證夾具之間間隔不會太大，并且能夠均勻分布，保證每個夾具的受力情況基本相同。對于沿著屋面坡度方向夾具的布置，由光伏系統選擇和屋面形狀等因素決定。

對于導軌的安裝，平行導軌基本按照850mm的間距來進行安裝，以此滿足發電系統的最佳受力情況。而對于前后排導軌的間距選擇更需要考慮光照、陰影遮擋德國問題，保證光伏發電的光照利用率最大化。

對于各個柱間支撐的布置，支架縱長30m及以下時，等距布置三道柱間支撐；在支架長度大于30m時，在保證中間和兩邊都有支撐的情況下，每隔30～40m布置一道支撐，保證支撐強度。

4 支架結構的設計步驟

首先，在設計之初就需要了解原來屋頂的結構承載力以及預計裝上整個屋頂光伏發電系統之后的結構受力情況。因為屋頂分布式光伏發電系統是將已經準備好的光伏材料安裝在屋頂，會增加原來屋頂的承載力量，會對原來的力學性能造成影響，改變原有的結構受力情況。一般情況下，依照15～20kg/m的規格來計算支架和發電裝置的載荷。關于風荷，無論是輕鋼結構彩鋼瓦屋面還是混凝土屋面都在計算的時候將風壓計算在內，確定新增載荷非極端條件一般按照80～120kg來選取。在對原有屋頂結構的承載力計算之后，如果滿足條件就可以進行后續設計，如果滿足不了力學承載，那么就需要考慮其他的安裝方法，譬如墻面、地面安裝，或者使放棄安裝，避免危險情況的發生。然后就是光伏發電部分的鋪設方式的確定。對于南北坡向的輕鋼結構彩鋼瓦屋頂，建議在設計安裝的時候調設為朝南方向、與水平成8°的夾角，北向鋪設也使朝向南方、與水平面成大小為3°的夾角。對于東西坡向的彩鋼瓦屋頂，所有的組件進行順序鋪設，依照適宜的光照傾角進行調整。總之，鋪設光伏組件的時候重點考慮組件對光照的吸收效果，能夠實現發電的最大化，達成最大的經濟效益。最后，在確定好坡向、水平角度、載荷之后進行結構設計，在這個環節實現對施工材料的選擇，確保工程系統的穩定性。

5 結 語

綜上所述，好的屋頂分布式光伏發電系統支架設計需要在保證不改變屋頂原有性質、不影響屋內正常生活、工作的前提下，對支架實現最優化設計。把握上文中的設計要點，保證支架結構的穩定性，還能夠通過支架結構形式增大光照利用率，增加光伏發電系統的發電能力，實現安全和經濟效益上的雙重把控。

參考文獻

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收稿日期：2018-6-20

作者簡介：王世春（1987-），男，漢族，貴州銅仁石阡人，助理工程師，本科，主要從事光伏項目開發工作。