谈屋顶光伏设计及安装

王 雨 谢 炜

(龙源(北京)太阳能技术有限公司，北京 100000)

谈屋顶光伏设计及安装

王 雨 谢 炜

(龙源(北京)太阳能技术有限公司，北京 100000)

简述了屋顶光伏电站施工前的准备工作，分析了屋顶光伏设计时需考虑的问题，并从屋面、倾角、屋顶清洗系统、屋顶支架选材等方面，阐述了屋顶的安装技术，有利于屋顶光伏的推广应用。

屋顶，光伏电站，屋面，支架

近年来，随着国家一系列政策性的引导，越来越多的城市屋顶将会安装太阳能光伏组件。未来的国家将有可能依靠开发、利用全国的住宅、学校、商业建筑屋顶光伏项目实现利用这种可再生的清洁能源，从一定程度上解决能源短缺的危机。因此对屋顶光伏的设计及安装知识的详细了解，有利于屋顶光伏的大面积推广，并走向千家万户。

1 屋顶光伏电站前期准备工作

1.1 屋顶的选用

1)尽量选用新建厂房和建设年限较短的厂房，一是避免或减少因厂房维护导致光伏电站的运营维护成本；二是钢结构厂房的使用年限的保障不如混凝土厂房更加稳定可靠，因此选用较新的厂房建设光伏电站可以尽可能保障光伏电站的25年使用期。

2)对于混凝土屋面，一般尽量选用刚性防水的上人屋面，一方面刚性防水屋面便于光伏电站的施工、运营和维护，另一方面上人屋面承载力一般均会满足建设光伏电站的荷载要求。非上人屋面在选用前应经过原设计单位或有资质的第三方经过荷载验算通过后方可安装光伏电站；压型钢板屋面的板型应尽量选用角驰型及直立锁边型，避免破坏屋顶原防水系统，导致雨季屋面维护难度及费用的增加。

1.2 屋顶安装容量估算

1)屋顶有效面积。

屋顶光伏电站除具有地面电站的检修维护通道以外，还考虑屋顶女儿墙、设备、气楼等产生的阴影遮挡以及对屋顶采光天窗的避让，甚至还要考虑临近较高建筑物的影响。因此屋顶的实际使用面积即有效面积会比屋顶面积小不少。

2)屋顶可利用系数。

屋顶可利用系数为屋顶可利用面积与屋顶实际面积的比值，这是估算安装容量的关键。根据工程经验，对不同的屋面可采用不同的经验系数估算，系数可参考表1。

表1 可利用系数参考值

2 土建设计的相关问题

2.1 光伏电站对屋面防水的影响

1)混凝土屋面。

屋顶光伏组件的支架基础可采用配重的方式，不但可保证支架在风荷载作用下的稳定性，同时也保证了原屋面防水系统的完整性，避免屋面后期屋面防水层维护影响电站的运行。配重是混凝土屋面光伏电站最常用的一种基础安装方式。另外，也有采用化学植筋锚固安装的方式，一般在屋面荷载不能满足配重要求且屋面为刚性防水屋面时采用，这种方式可靠性较低，而且对屋面防水层的破坏会增大屋面漏水的可能性，后期屋面的维护也较麻烦，一般不建议采用这种方式。

2)压型钢板屋面。

目前压型钢板屋面采用角驰型和直立锁边型较多，这对支架的安装非常有利，支架与屋面的连接一般采用夹具方式即可。对于压型钢板为梯形的屋面，目前一般采用自攻螺栓连接的方式，破坏屋面防水位置增设防水垫片及密封胶保护，这种方式虽然可行，但根据工程实际情况反映，屋面漏点均会有不同程度的增加，因此对于室内有严格防水要求的厂房，应谨慎使用。

2.2 屋面承载力校核

在已建屋顶上建设光伏电站，会改变建筑屋顶的用途，根据结构设计相关规范的规定：在设计使用年限内未经技术鉴定或设计认可，不得改变结构的用途和使用环境。因此安装光伏电站前，必须对原厂房进行承载力校核，校核单位可以为原设计单位或有相应资质的第三方。

1)混凝土屋顶承载力验算。

a.验算原则。由于混凝土厂房建设年代的不同，所依据的规范版本也会不同，尤其是2008年汶川地震后，新抗规对结构的抗震要求更加严格，因此导致新抗规出现以前的建筑在整体验算时(采用新抗规验算)一般达不到承载力要求。建议这种情况下应严格按规范要求：征得原设计院同意或经技术签订，并出具相应的承载力证明。对于2010年以后按新的规范进行计算的结构，一般按上人屋面设计的均可以核算通过；非上人屋面有条件情况下，应进行承载力整体的验算，不但要验算楼板、次梁，还应进行整个结构的建模，对梁、板、柱、基础等各构件均要进行详细复核。

b.配重验算方法。配重方式是目前混凝土屋顶光伏电站最常用、最可靠的一种基础形式。在配重计算中除风压、雪压按规范要求取值外，应重点考虑风吸力作用下基础的抗拔稳定及抗滑移稳定性。抗拔及抗滑稳定性计算时，应采用荷载基本组合(系数均取1.0)计算，稳定系数应不小于1.05；抗滑稳定性应计算在风吸力水平分量和竖向分量共同作用下的结果，抗滑移稳定系数应不小于1.1(GB 50007—2011建筑地基基础设计规范中6.4.3第5条)。应特别指出一点，在基础与屋面摩擦系数选用时，应根据屋面面层做法，参考GB 50007—2011建筑地基基础设计规范中表6.7.5-2，可按0.40～0.70之间。抗滑移计算是在配重计算中较容易忽略的一项内容，但随着光伏组件倾角的增大，抗滑移通常是控制配重设计的重要内容。

2)压型钢板屋面的承载力验算。

钢结构厂房一般需要验算门式钢架以及檩条部分的受力，另外节点处的连接受力处容易忽略，复核过程中也应根据计算结果进行比对。

a.结构重要性系数。一般光伏电站使用年限25年，按规范要求结构重要性系数为0.95，但对于屋顶分布式光电站，必须遵守原厂房结构设计使用年限，对于已建时间较长且使用年限为25年的厂房，应慎重考虑使用。

b.檩条受力计算。檩条计算时一般光伏电站附加荷载按恒载0.15 kN/m2复核，活载、雪载、风载均按规范要求取值。其中活载与雪载为两个互斥荷载，雪载可不按不利分布布置。首先，计算参数的设置应注意内外层压型钢板对檩条有无有利约束，通常采用屋面板与檩条有可靠连接(如自攻钉)时，可以考虑其有利影响。其次，拉条的设置方式应按图纸设计复核约束檩条的上或下翼缘，如采用的交叉拉条或双层拉条，可选择约束上下翼缘。

c.钢架计算。钢架计算时应按原施工图(竣工图)建模，根据原结构设计时的荷载要求进行加载，屋顶光伏电站一般按恒载0.15 kN/m2复核，也可以根据实际情况，考虑光伏支架间距、检修通道后，计算光伏附加荷载，一般可以按屋面可利用系数0.15 kN/m2估算，如屋顶可利用系数为0.8，则可按0.15 kN/m2×0.8=0.12 N/m2复核。

钢架验算时容易忽略的一个问题是对节点受力的复核，包括螺栓直径和大小、焊缝长度或高度以及一些节点板厚度是否满足加载后的要求。

3 屋顶施工安装的相关问题

3.1 平行于屋面的安装方式

对于压型钢板及坡屋面，光伏阵列一般采用和屋顶表面平行的方式(如图1，图2所示)。

这种安装方式一般采用夹具及支架作为连接件，并把组件和屋面隔开一定距离(15 cm～20 cm)形成空气腔,以达到自然冷却的目的。通常光伏组件在正常工作时产生较大的热量，由电池组件性能参数可知，温度增加1 ℃(以 25 ℃为基准)，其最大输出功率会随温度的升高而降低约0.45%。因此在安装时注意支架与屋顶之间要预留一定的距离，保证良好的空气流动，以此来降低光伏组件的工作温度，同时也可以降低炎热季节的室内温度，保证室内环境的舒适度。

3.2 优化倾角的安装方式

优化倾角的安装方式，除了可以降低用电成本，提高项目收益率外，同时对冬季积雪、积灰严重地区都是有利的一种安装方式(见图3)。

屋顶坡向通常有正南坡、正北坡、正东/西坡及非正向坡，对于正北坡和朝北的东/西向坡，除非北坡角度较小，一般不建议布置光伏组件。对于西向坡及西南/东南向坡建议组件采用南北向布置的方式。在西向或东向坡的屋面上，经PVsyst模拟后，与东西向或西南向相比，采用南北布置的方式年总辐射量同比最大，是优先建议的布置方案，对提高屋面可利用面积、方便施工均有优势，这种布置方式相当于平地上的优化角旋转了一定的方位角。如有屋面条件允许，也可通过模拟结果选用东南向布置的方案(即组件布置在优化倾角所在平面与屋面的交线所在的平面上)。

3.3 屋顶清洗系统的布置

污秽会造成发电量很大的损失，经国外有关部门在2006年通过对美国50个大型光伏电站的研究得出，不同地区的污秽对发电量影响约在2%～6%之间(无人工清洗的前提下)。因此屋顶光伏电站应根据当地的环境，设置屋顶清洗管网。

光伏组件最好定期用水清洗，然后再擦，随后再用水清洗。擦洗布应选用质地柔软的布，以防损伤光伏组件表面。清洗时机的选择要结合灰尘积累情况确定。光伏组件灰尘积累可通过光伏组件清洗试验确定，通常在试验清洗光伏组件前后电流增加5%即说明灰尘积累较多需要清洗。并且清洗时间还要结合天气预报，避免刚刚清洗完成就遭遇雨雪或沙尘暴的情况。

3.4 屋顶支架选材

支架结构材料的选用应结合使用条件、环境、结构的使用年限等因素综合考虑，要求户外材料应具有耐阳光、紫外线、耐腐蚀性好的特点。一般可选铝型材、热镀锌钢材、不锈钢以及木结构等。安装时应使用一些高质量的扣件(如不锈钢、碳钢构件、铝合金等)，以确保安装安全可靠。在低腐蚀环境下可选用普通钢+防腐漆涂层。

4 结语

屋顶太阳能光伏发电，不仅是一项展现了广阔前景和令人鼓舞新能源计划；也是对我国节能和环保具有十分重大战略和实际意义的计划，堪称是一项利国利民的宏大计划。这项计划的深入、广泛和全面地推广，必将在我国形成一个新兴的大产业和大市场。

[1] 邝少平.2009全球光伏产业发展研究报告[R].2009.

[2] 浙江大学创业投资有限公司．光伏建筑一体化行业分析报告[R].2008.

[3] 沈 辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4] 张大煦.光伏太阳能系统在建筑上的应用[J].天津建设科技,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，工程师； 谢 炜(1981- )，男，工程师

TU765

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