建筑屋面建设光伏电站的技术特点探讨

建筑屋面建设光伏电站的技术特点探讨

黄庆琦

上海宝钢节能环保技术有限公司新能源事业部201999

摘要：文章主要就在一般工业厂房等建筑屋面建设分布式光伏电站时的技术特点进行了讨论，总结了一些实际建设中的经验。对其中的屋面载荷检测及加固、屋面防腐、组件防滑等技术问题进行了论述。掌握建筑屋面的光伏电站建设的特点，有利于屋面光伏电站的正常、高效、安全的运行。

关键词：屋面光伏；屋面载荷；屋面防腐；组件防滑

一．绪言

目前我国光伏电站的建设已经普及开来，且正在继续发展扩大。光伏电站主要分为地面集中式电站和屋面（水面、大棚等）等小面积分布式电站。而对于在建筑屋面建设光伏电站和在地面建设光伏电站有很大的区别。更好的了解其特点，才能确保屋面光伏电站的安全、高效、可靠稳定地正常运行。

根据多年的屋面光伏电站的建设经验，在电站项目建设开始前，首先要对安装光伏组件的屋面载荷能力进行计算，同时还要对现有屋面的实际结构状况进行第三方检测，检测方必须具备国家资质且提交相应的检测报告。如果屋面载荷不能满足光伏组件安装的要求，就要考虑选择相应的加固方案。加固方案的设计、施工也必须是由具备相应专有资质的单位来完成。在屋面光伏电站设计时，还要考虑光伏组件安装的倾角问题。这与地面电站可以调整到最佳倾角不同，在屋面倾角大了会增加风阻及荷重、投资成本等，倾角太小则会影响光伏组件的光电转换效率，尤其是对于钢结构的彩钢瓦（瓦楞板）屋面。同时在设计时，我们还要考虑到现有屋面的防腐蚀及防水问题，以及光伏组件安装后的防滑、抗台风、组件清洗维护等问题。下面主要对屋面的载荷检测、屋面的加固、屋面防腐防水、屋面光伏组件的防滑特点做一些探讨。

二．屋面的载荷检测

在项目正式开始设计之前，我们就要根据原厂房图纸，对所用厂房屋面的载荷进行计算，并对其结构进行实测。不论计算结果，还是实测结果，只要结论是不满足光伏组件安装荷载要求，就必须采取加固措施。一般要求是彩钢瓦屋面载荷不小于20kg/m2，混凝土屋面不小于50kg/m2。当然还要考虑维护、检修设备时的额外负荷，根据所在地区的不同，还有积雪荷载的问题等。最后要将符合国家资质的第三方检测报告交给设计院，以便严格按实测结果进行加固设计。对于实际载荷能力与规范要求相差不大时，可采用扩大组件板间隙，从而牺牲部分装机容量，减少组件板数量来满足屋面荷载要求。因为屋面的加固会增加电站建设成本，这会增加EMC项目的投资风险，所以应该综合、合理地考虑，科学地确定具体加固方案。

1.检测内容：

1）调查分析结构体系、主要构件完损性情况、构件锈蚀情况以及建筑物抗震改造措施情况。

2）调查厂房柱、屋面梁、檩条、屋面支撑、屋面板及附属支架结构布置情况和实际荷重情况。

3）检测上述各构件钢材腐蚀、强度、变形以及构件连接螺栓、焊缝破坏情况、油漆漆膜情况、基础的沉降和倾斜等。

4）根据建筑物功能变化后的荷载，结合建筑物现状作抗震承载力、稳定性的计算分析，并对建筑物的整体抗震性能作出综合评价。

5）根据对应建筑物作出综合性能评价，提出指导或价格设计的建议。

2.检测流程：

1）现场调查与测试

先查出并复制相关建筑的图纸资料；收集相关建筑既有的沉降、结构变形、维修资料。

对所有屋面、走道板、屋架等隐蔽部分积灰检查、堆载检查；

建筑附近地坪有误明显裂缝，承重地坪有无超过设计要求的堆载，有无明显裂缝；

上部承重结构体系（完整性）检查，包括柱结构系统、吊车梁结构系统、屋面结构系统、围护结构系统；

将建筑外立面、建筑内部情况、屋面加固系统、屋面情况拍照记录；

若存在现场与设计不符之处，也应拍照并记录位置和情况描述。

2）综合分析与计算

根据检测到的实际数据建立结构整体模型，对建筑及结构的整体变形、单根构件的变形、构件的应力状态、结构的整体稳定性进行验算，进行结构的安全性评估，并提出改进措施。

3）检测结论

完成现场检测、室内实验和理论计算分析后，提交检测评估报告。

三．屋面的加固

屋面的加固必须满足上述组件安装、维护的要求。具体加固方案和实施也必须是具有专门资质的单位来完成，并在完成施工后，还要再次进行检测加以核实。

加固的方案各有不同，要根据具体情况而定，但在实施之前一定要有施工方案以备审查。这里以南京梅钢20MWp太阳光伏发电项目冷轧主厂房檩条加固工程为例，对其三个主要方面加以说明。

1.主要加固内容：

原屋面檩条为高频焊接H型钢檩条，檩条为简支梁型式，跨距为15米，材质为Q345B。本次工作内容：根据上海宝钢集团房屋质量检测站抗震鉴定、检测报告显示在增加太阳能光伏荷载（17kg/m2）作用下，简支檩条变形远远超过规范允许值，因此需要做加固处理。

考虑到在已经建设完成的构件上进行加固要顾及现场周围环境约束条件、加固方法可实施性、质量能否确实得到保障等诸多客观存在的因素，拟通过在两根檩条支点位置上翼缘、腹板两侧以贴板加焊接以及檩条下翼缘加焊，使原来断开的简支檩条实行连续檩条，达到在新老荷载作用下变形、强度满足要求，以消除不安全因素，同时兼顾将安全风险降到最低。

机械喷砂抛丸除锈，工厂除锈等级为Sa2.5,现场手工除锈等级为Sa3.0，红丹防锈底漆二度，面漆二度。

2.加固件安装工艺流程：

屋面板拆除→测量放线→原构件表面灰尘清理→原构件表面油漆清理→檩条下翼缘加固件安装→满焊焊接→腹板一侧加固件安装→满焊焊接→腹板一侧加固件安装→满焊焊接→檩条上翼缘加固件安装→满焊焊接→加固构件焊缝清根→焊接区域表面油漆伤疤清理→焊接区域表面第一度防锈底漆→焊接区域表面第二度防锈底漆→焊接区域表面第一度面漆→焊接区域表面第二度面漆→屋面板恢复→完工验收。

3.安全防护措施

除了常规国家及行业的各专业和高空作业安全要求外，还要针对具体项目采取具体措施。如下图的屋面加固保护箱。

四．屋面的防腐、防水

一般分布式光伏电站的合同有效期为25年，所以电站建设对屋面的要求比较高，虽然光伏组件的安装对原有屋面有一定的保护作用，但屋面腐蚀总是难免，屋面的维护又会直接影响到光伏组件阵列的正常发电。因此通常对组件安装屋面除新的建筑外，都要进行防腐和防水的处理，只是处理的实际面积因情况不同而不同。对于具体屋面而言，一般对钢结构彩钢瓦屋面是做防腐处理，对混凝土屋面是做防水处理。

防水、防腐的方法很多，要根据实际腐蚀和老化程度来定。采用的方案也各有不同，费用过高将会影响投资成本，尤其是需要大面积处理时；费用低了，会影响处理后的实际效果。下面介绍我们采用的方法，经使用效果良好，实施方质保是10年。

1.产品主要技术指标：

表干时间，1小时，25℃，相对温度40%；实干时间，3小时，25℃，相对温度40%

施工条件，+5℃～+40℃

拉伸强度，无处理2.18MPa，加热处理保持率125%；碱处理保持率78%，紫外线处理保持率140%

断裂延伸率>300%

低温柔性（Ø10mm棒），25℃无裂纹

透水性（0.3MPa/30min），不透水；潮湿基面粘结强度，1.65MPa

透气性（ASTMD1653），3-5USperms

2.施工工艺：

1）清洁表面，清除基面杂质和其他有害涂层粘结的松动颗粒等；

2）面所有节点、接缝、卷材空鼓破损部位铺设第一层瑞芙特基层涂料RFT-Base；

3）当涂层仍湿润时将合适尺寸的无纺布铺在基层涂料上；

4）涂刷第二层瑞芙特基层涂料RFT-Base，将无纺布充分浸润；

5）当基层涂料全干后（4小时以后），涂刷第三层瑞芙特基层涂料RFT-Base；

6）基层涂料全干后（4小时后），分两次涂刷两层瑞芙特表层涂料RFT-White（时间间隔至少4小时）；以上称为“五涂一布”工法

7）屋面整体先涂刷一道瑞芙特高渗透多功能漆RFT-Multiprimer；

8）屋面整体喷涂两遍瑞芙特表层涂料RFT-White；

9）养护至全干。

五．屋面光伏组件的防滑

屋面组建的防滑主要是针对混凝土屋面的情况。我们知道混凝土屋面的光伏组件安装支架主要是固定在屋面的水泥墩上，或者是直接放在屋面上，然后水泥块压住。在一般情况下，这样固定对一般场合是可以满足要

求的，但当屋面倾斜角度较大或者建筑因用户使用时震动频繁且较大时，随着时间的延续，光伏组件及支架就有可能慢慢地移动，久而久之就会威胁到整个组件阵列的安全。一般根据屋面的具体情况和使用环境，可对整个光伏组件阵列的倾斜力作一估算，当每个光伏组件支架固定点的倾斜受力大于垂直向下的受力（重力摩擦力）时，我们就要考虑光伏组件的防滑措施。具体防滑措施的方案要根据实际屋面条件和光伏组件安装形式来定，满足能克服使组件下滑的倾斜力即可。具体计算举例说明如下：

1.计算统一技术条件

1.1、太阳能光伏荷载：0.20kN/m2(含导轨、太阳能光伏板等)；

1.2、屋面倾斜角度：5度；方阵间距：1.759x0.759m；

2.计算及结论

2.1、单坡下滑加固方案

2.1.1、下滑总的荷载:N=1.759x4.099x0.2(光伏构件)+0.3x0.3x0.36x25x3(砼墩子)=3.87kn/点;

下滑力F1=N*Sin(A)=3.87*Sin(5)=0.337KN/点(导致下滑力)

压力F2=N*Cos(A)=3.87*Cos(5)=3.855KN/点

2.1.2、砼墩子摩擦力:f1=F2xu(静摩擦系数)xA=3.855x0.2x0.3x0.3x3=0.2082KN/点;

2.1.3、需要加固抵抗的滑动力:f2=F1-f1=0.337-0.2082=0.1288KN/点;

2.1.4、根据方案加固增加的抵抗实际承载力：F3=Axu（结构胶粘结系数）=0.3x0.3x10.89=0.9801KN/点;

2.1.5、结论：因F3/f2=7.61,远远大于1.0,因此，该方案是满足要求的，并且是合理的，且具备实施;

2.2、双坡锐角（"V"型）下滑加固方案

2.2.1、下滑总的荷载:N=3.580x5.4x0.2(光伏构件)+0.3x0.3x0.36x25x9(砼墩子)=11.15kn/点;

下滑力F1=N*Sin(A)=11.15*Sin(5)=0.9718KN/点(导致下滑力)

压力F2=N*Cos(A)=3.87*Cos(5)=11.108KN/点

2.2.2、砼墩子摩擦力:f1=F2xu(静摩擦系数)xA=11.108x0.2x0.3x0.3x9=1.790KN/点;

2.2.3、需要加固抵抗的滑动力:f2=F1-f1=0.9718-1.790=-0.8182KN/点(理论上不下滑);

2.2.4、结论：此种情况理论上不会下滑，但是光伏支架是放在建筑屋面上，没有形成有效连接。如果在建筑内部有大吨位行车行驶等不确定因素，导致屋面震动较大，使光伏组件支架砼墩子与屋面砼结构瞬间架空而产生下滑，为了避免后期发生类似情况采用构造加固，即内力平衡原理。

2.3、双坡钝角（"八"型）下滑加固方案

2.3.1、下滑总的荷载:N=3.580x5.4x0.2(光伏构件)+0.3x0.3x0.36x25x9(砼墩子)=11.15kn/点;

下滑力F1=N*Sin(A)=11.15*Sin(5)=0.9718KN/点(导致下滑力)

压力F2=N*Cos(A)=3.87*Cos(5)=11.108KN/点

2.3.2、砼墩子摩擦力:f1=F2xu(静摩擦系数)xA=11.108x0.2x0.3x0.3x9=1.790KN/点;

2.3.3、需要加固抵抗的滑动力:f2=F1-f1=0.9718-1.790=-0.8182KN/点(理论上不下滑);

2.3.4、结论：此种情况理论上不会下滑，但是光伏支架是放在建筑屋面上，没有形成有效连接。如果在建筑内部有大吨位行车行驶等不确定因素，导致屋面震动较大，使光伏组件支架砼墩子与屋面砼结构瞬间架空而产生下滑，为了避免后期发生类似情况采用构造加固，即内力平衡原理。

六．结束语（其它）

以上概要讨论了在建筑屋面上建设光伏电站时，应注意的几个特点。对在实际屋面光伏电站建设中，根据屋面的实际状况，还应考虑其他一些问题。如屋面光伏组件的安装倾角、屋面光伏组件的清洗装置、有台风的地区增设防台风措施等。只有了解和掌握了屋面光伏电站的特点及有效的技术措施，我们才能让建筑屋面的光伏电站安全、稳定、高效地运行。

参考文献：

［1］屋顶光伏太阳能运行效能分析及解决方案［J］,作者：宋梅；山东工业技术，2015(24):77-78，ISBN9787112109906

［2］屋顶光伏发电并网系统在110kV变电站的应用［J］，作者：赵扉,沈红峰,吴伟江，电工技术，2011(6):20-22