分布式光伏电站的屋面选择与支架结构方案研究

■ 章海灿杨松 沈道军 罗易 诸荣耀 周承军

浙江正泰新能源开发有限公司

分布式光伏电站的屋面选择与支架结构方案研究

■ 章海灿*杨松 沈道军 罗易 诸荣耀 周承军

浙江正泰新能源开发有限公司

根据已建成的分布式电站的屋顶选择与支架结构，着重介绍混凝土屋顶和彩钢瓦屋顶的支架结构方案，在确定项目可行的条件下，根据安全、可靠、经济的原则，依据当地气候条件、地质因素等选择合适的支架方案。

分布式光伏电站；屋面选择；支架结构；安全可靠

0　引言

从2009年国家推行“金太阳”示范工程，到现如今分布式光伏的大力发展，昭示着我国正在开启光伏发电领域的新纪元。2013年6月25日国家能源局发布的《分布式光伏发电示范区工作方案》进一步明确了光伏发电补贴政策，鼓励各地分布式光伏项目以“自发自用”模式运营，分布式光伏发电被视作未来国内光伏市场发展的重头戏。随着分布式光伏电站的大量建成，其屋面选择与支架结构方案选择也受到越来越多的重视。

在光鲜的分布式光伏电站建设浪潮下，隐藏的是频繁的电站实质性安全问题。分布式光伏电站多建设在东部地区建筑屋顶上，因东部沿海地区受台风影响较大，且许多地区受冰雹天气和地震等地质因素影响，分布式电站的支架结构需要经受很多考验，也存在较大安全隐患。在多种条件影响下，分布式电站的安全性成为分布式光伏电站支架结构设计的重要考虑因素之一。本文从已建成的分布式光伏电站入手，分析不同屋顶选择下，当前应用广泛的支架结构方案。

分布式光伏电站多建设在混凝土屋顶和彩钢瓦屋顶，也有少量建设在普通居民的琉璃瓦屋顶。由于分布式的主要对象是工商业企业和工业园区的屋顶，针对工商业企业，主要是混凝土屋顶；针对工业园区的建筑，主要以混凝土屋顶和彩钢瓦屋顶为主。本文着重介绍混凝土屋顶和彩钢瓦屋顶的支架结构方案。

1　混凝土屋面

在混凝土屋顶项目支架设计过程中，首先要充分了解该项目屋顶的具体情况。知道建筑的设计建设时间，了解该建筑在建设过程中发生过哪些问题，查看屋顶的建筑结构图纸，现场勘查建筑的沉降是否均匀，是否发生破坏和损坏，以及现场拍照测量屋顶建筑已有设备。

混凝土屋面分为上人屋面与不上人屋面。两种屋面工程做法不尽相同，不上人屋面，人不经常上去，只有检修时才上去，保护层的厚度和材料要求较低，在一般情况下做完屋面的防水层后就可完工；而上人屋面要求高，人经常上去，防止人为对防水层破坏，一般采用刚性混凝土层，在做完防水层工作后，还要做楼地面层，加配钢丝网，有贴砖或是混凝土层，对屋面结构层起保护作用［1］。上人屋面必须建有楼梯可以到达楼顶屋面层，而不上人屋面的检修口一般较隐蔽，通过爬梯上到屋面层，爬梯1.5 m以上。这两种屋面对屋面的安全要求也不同，上人屋面必须有女儿墙，且女儿墙高度有规定，必须要不小于安全要求高度（一般≥1.2 m）；而不上人屋面的女儿墙为0.6～0.9 m。上人屋面和不上人屋面具体有防水层、保温层和隔热层的做法。根据业主所给的建筑结构图纸进行结构的PKPM建模，根据国家规定设置参数进行受力分析，确定主要材料的强度和挠度值是否在规范要求的范围内。

做完屋顶梁和屋面板的计算校核后，要进行屋顶的设计恒荷载计算。最新的建筑结构荷载规范GB 50009-2012中规定：对于不上人屋面的活荷载标准值为0.5 kN/m2（即50 kg/m2）；对于普通上人屋面的活荷载标准值为2.0 kN/m2（即200 kg/ m2），对于上人屋面兼做其他用途时，按楼面的取值。在屋顶现场勘查时，需及时记录屋顶现有荷载情况。对于早期设计的建筑，由于各种原因，屋面的设计荷载要求可能与现在的规范不同，因此对于屋顶安装组件的荷载必须按照最新规范进行评估校核。对于上人屋顶，荷载＞2.0 kN/m2的屋顶基本可判定为适合安装负重式的光伏组件。

现场踏勘需要收集屋面的详细资料。在现场还需对已有设备进行拍照测量，因为这些设备可能会影响支架形式、结构的选择和组件安装的遮挡。如被破坏的屋面、屋顶管道、冷水机组和空调外机等屋顶突出物，都对组件安装有一定影响。

除此之外，还必须了解建筑业主方对于屋顶的规划用途，如预计不能安装组件的地方需要另作他用；了解业主方对屋顶检修通道的要求，在组件排布时予以避让。

对于现有混凝土平屋面，目前支架安装方案最常见的主要有预制负重钢筋混凝土块方案、预制钢筋混凝土压块方案和现浇支架基础方案。

图1　影响组件安装的因素

1.1预制负重钢筋混凝土块方案

该方案首先需要精确统计项目地点的常年平均风速和不同季节的风向，计算出正风压和负风压；再通过风压大小折算出钢筋混凝土块的配重；预先加工好尺寸一致的钢筋混凝土块，再运输到现场安装；根据提供的组件布置图，将钢筋混凝土块放在相应的固定位置，在钢筋混凝土上表面钻两个孔用来锚固化学锚栓或直接在加工钢筋混凝土块时预置锚栓；最后将立柱底板通过已经锚固好的锚栓连接，再根据支架安装图安装支架上部的横梁、连接件及光伏组件等。支架一般选用热镀锌不锈钢支架。采用负重式方案的倾角和平铺安装的支架见图2。

图2　采用负重式方案的倾角和平铺安装的支架

该方案的优点为：1）不破坏屋面防水层和支撑结构层、顶棚层、保温隔热层等其他建筑层；2）施工操作过程简单，能有效缩短施工周期；3）支架整体较预制钢筋混凝土压块方案连接牢固可靠；4）光伏组件支架的用钢量相对其他方案不多。

缺点为屋顶增加了混凝土块及组件和支架等，施工结束后需要复核计算屋顶的恒荷载。

1.2预制钢筋混凝土压块方案

为了防止组件支架在风荷载作用下在屋顶发生滑移或倾翻，保证光伏组件支架结构安全可靠，组件支架与屋面无连接，直接放在平屋面上，在支架横梁上增加钢筋混凝土压块［2］。压块由钢筋混凝土预制成，需要精确统计项目地点的常年平均风速和不同季节的风向，计算出正风压和负风压，再通过风压大小折算出钢筋混凝土块的配重。采用预制钢筋混凝土压块方案倾角和平铺安装的支架见图3。

图3　采用预制钢筋混凝土压块方案倾角和平铺安装的支架

该方案的优点为：1）不破坏屋面防水层和支撑结构层、顶棚层、保温隔热层等其他建筑层；2）施工操作过程较简单，可有效缩短施工周期。

缺点为：1）屋顶增加了混凝土块及组件和支架等，施工结束后复核计算屋顶的恒荷载；2）整体支架连接的安全可靠度不及预制负重钢筋混凝土块方案和现浇支架基础方案；3）支架用钢量相对较多。

1.3现浇支架基础方案

根据设计院提供的屋面组件排布图，在支架前后两个支撑点所在位置除去屋面原有的楼面层、防水层、保温隔热层等和屋面现浇板的上层钢筋的保护层，使得露出原有屋顶的部分钢筋；焊接组件支架基础的钢筋和屋面板上层钢筋，扎好混凝土梁的基础钢筋，在模具中浇筑基础混凝土，预留基础锚栓或直接钻孔使用化学锚栓，利用锚栓固定支架直撑；等钢筋混凝土梁硬化后，根据提供的光伏组件支架安装图连接安装支架和组件；还需要修复屋面防水层及保温隔热层等其他建筑层。图4为现浇支架基础方案倾角安装支架。

图4　现浇支架基础方案倾角安装支架

该方案的优点为：1）因与屋面连接，相对预制负重钢筋混凝土块方案和预制钢筋混凝土压块方案结构更加牢固可靠；2）光伏组件支架的用钢量较预制钢筋混凝土压块方案少；3）原有屋面的负重增加较少。

缺点为：破坏了屋面的防水层和楼面层等其他建筑层；钢筋混凝土梁需现浇，施工过程较为繁杂，工序较多，需要等混凝土梁硬化后才可安装支架组件，施工周期相对较长。

1.43种方案比较分析

对上述3种方案的优、缺点进行比较，混凝土屋面方案的选用基本原则为：

1）对于上人屋面，由于设计时的活负载为2.0 kN/m2，上述的3种方案都可选用；对于不上人屋面，由于设计时的活负载只有0.5 kN/m2，预制负重钢筋混凝土方案和预制钢筋混凝土压块方案采用钢筋混凝土自身重量抵抗风压，而由于混凝土块本身质量较大，完工后需要复核计算屋面结构的恒荷载。

2）对于现浇支架基础方案，因为破坏了屋面防水层和楼面层等其他建筑层，而且施工比其他两个方案复杂，工序多，施工周期相对长，一般情况下较少采用，多用于受台风严重影响的区域；采用现浇支架基础方案，需要修复屋面防水层和楼面层等其他建筑层。

3）因施工简单，施工工期较短，在上人屋面被广泛使用的是预制负重钢筋混凝土方案。

实际工程状况千差万别，需要设计者根据工程特点综合考虑，采用最佳方案。

2　彩钢瓦屋面

彩钢瓦一般装在轻钢结构的建筑物上，多用于标准化厂房和仓库。轻钢结构的建筑使用重量很轻的彩钢瓦作为屋顶，跨距可做得很大，适合布置光伏组件。工业区都是联片建设的标准化厂房或仓库，数量多且面积较大，适合建设分布式光伏电站。

在彩钢瓦屋面支架选择和设计过程中，需做到：

1）清楚屋面的主体结构。如彩钢瓦屋面的设计建设时间；在建筑建设过程中是否出现过问题，如是否在施工中有偷工减料的事情发生；收集建筑结构图纸；现场勘测建筑的沉降是否均匀，是否发生破坏或损坏；屋内的吊顶和吊挂情况对整体结构的影响。

2）了解建筑周边情况。需要了解厂区的生产工艺，在日常生产过程中是否产生腐蚀性气体或大量粉尘；向业主拿到厂区的整体平面布置图；了解厂区所在的位置及地面粗糙度和周边建筑的密集程度；周边建筑物对厂区安装组件的影响；厂区周边是否有飞机场等对环境要求严苛的场所。

3）了解屋顶彩钢瓦的情况。现场勘查彩钢板的厚度和损坏、锈蚀情况；彩钢瓦的尺寸、截面形状，采集彩钢瓦波峰之间的距离数据等；彩钢瓦的实际单位面积质量；现场勘查彩钢瓦的安装质量等；现场查看彩钢瓦的变形程度及对应的位置。

4）屋顶的障碍物和遮挡也需要重点关注：屋顶女儿墙的高度；屋顶气楼的高度、尺寸和位置；采光带的位置和尺寸；业主方对屋顶的规划用途。

对于不同组件安装方式、组件排布密度等，增加的恒荷载具体为0.1、0.12、0.15 kN/m2（10、12、15 kg）等数值。对恒荷载的增加值进行计算，在满足建筑承载的条件下布置组件。对于部分承载力不够的区域，可采取结构加固的措施。

彩钢瓦最常见的有直立锁边型、角驰型、梯型3种。

2.1直立锁边型彩钢瓦

通过夹具上的侧向螺纹孔拧入螺栓，顶紧彩钢瓦波峰直立边产生夹紧力，使夹具的空腔凹槽与波峰契合，实现紧固连接的目的；无需穿透钢板，不破坏防水层，无漏水隐患。图5为直立锁边型彩钢瓦截面形状与所用夹具。

图5　直立锁边型彩钢瓦截面形状与所用夹具

2.2角驰型彩钢瓦

利用彩钢瓦的截面波形，利用波峰的形状采用夹扣的方式固定导轨，在导轨上安装组件，利用压块固定组件；无需穿透彩钢瓦，不破坏防水层，无漏水隐患。图6为角驰型彩钢瓦及对应夹具和导轨。

图6　角驰型彩钢瓦及对应夹具和导轨

2.3梯型彩钢瓦

用两颗含有胶垫的自攻螺钉配合EPDM橡胶垫将梯型彩钢瓦夹具固定在屋顶上，根据屋顶载荷要求等选择合适的导轨，再用压块固定安装组件。在梯型彩钢瓦上安装组件需穿透彩钢瓦，破坏防水层，有漏水隐患。图7为梯型彩钢瓦及其夹具。

图7　梯型彩钢瓦及其夹具

彩钢瓦寿命一般在10～15年，承重为15～30 kg/m2。光伏组件多采用平铺安装，极少用倾角安装。平铺光伏组件的抗风性能佳，但发电效率较带倾角光伏支架系统低；带倾角光伏支架系统虽发电效率高，但单位面积屋顶装机量少于平铺安装约30%，支架造价高，对彩钢瓦屋面压力大，抗风性能较平铺差。图8为平铺安装的组件。

图8　平铺安装组件

3　结论

无论是混凝土屋顶项目还是彩钢瓦屋顶项目，必须做好前期实地勘察和资料收集工作，与业主多沟通交流，了解业主想法；计算项目屋顶的荷载，了解接入条件等，确定项目是否可行。在确定项目可行的条件下，根据安全、可靠、经济的原则，根据当地气候条件，考虑地质因素等选择合适的支架方案。

［1］奚勇， 李志勇. 地震区多层钢结构住宅设计例析［J］.建筑，2012， （9）: 67-67.

［2］祁建洲.混凝土平屋面光伏组件支架的连接设计［J］.门窗，2012， （5）: 219-220.

2016-01-26

章海灿（1992—），男，系统工程师，主要从事光伏发电系统的技术研究及电气设计工作。Haican.Zhang@astronergy.com