分布式光伏屋顶荷载要求和计算探讨

分布式光伏屋顶荷载要求和计算探讨

王中立

长沙拓扑能源科技有限公司湖南长沙410074

摘要：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。分布式光伏发电系统一般安装于建筑屋面，而工业厂房建筑大多是比较低矮、平整的厂房，用电需求大且电价高，于是成为大规模推广分布式光伏发电的首选场所。不同类型屋面的承载能力评估不足，导致已建成的光伏项目运行质量堪忧。本文将对屋面光伏项目的结构荷载分析方法和施工设计进行阐述。

关键词：分布式光伏；屋顶荷载；要求；计算

1分布式光伏发电系统构成

1.1离网式光伏发电系统

离网式光伏发电系统由太阳能电池方阵、直流箱、控制器、储能装置（按需配置）、逆变器（按需配置）构成。

1.2并网式光伏发电系统

并网光伏发电系统由太阳能电池方阵、直流配电箱、逆变器、交流配电箱，并网设备构成。

2荷载分析

在安装分布式光伏系统前应审慎进行荷载分析和验算，以评估屋面结构的安全性和可靠性。

某项目所在工业厂房为带女儿墙的封闭式单跨双坡屋面，坡度为6°，屋面高度14.6m，屋顶面积2983m2，厂房占地2966m2（宽42.5m，长69.8m），光伏组件平行于屋面铺设。

2.1永久荷载分析

某项目中的光伏组件采用平铺方式，因此，永久荷载主要包括光伏组件和零配件的自重，分别以Gp和Gz表示。如果采用支架方式安装，则还需计入支架的重量。

光伏组件的重量一般在15kg/m2~20kg/m2之间，经测算某项目使用的组件自重Gp为0.15kN/㎡。零配件包括放置于光伏组件和屋面之间支撑件及各类固定件，为铝合金材料，Gz取0.05kN/m2。于是，某项目的永久荷载组合值Gc=0.20kN/m2。

2.2可变荷载分析

某项目中的可变荷载主要包括屋面活荷载Qh、雪荷载Qx、风荷载Qf和积灰荷载Qj。其中由于光伏组件需定期清洗，因此积灰荷载Qj可忽略不计。

屋面活荷载包括施工或维修人员、小型工具和光伏组件等临时性活荷载。由于对屋面结构进行设计及复核时，屋面活荷载中已经包括了施工人员临时性活荷载，在此次分析时应扣除光伏屋面施工人员临时性活荷载（一般取2kN/m2），而只计入光伏组件的均布活荷载Qp为0.54kN/m2。

雪荷载标准值sk的计算如式（1）所示。

sk=μrs0（1）

式中：μr为屋面积雪分布系数，某项目所在屋顶为单跨双坡结构且坡度<25°，因此μr取1.25；s0为基本雪压，查表可知试验地区s0应取0.35kN/m2。于是，可得sk为0.44kN/㎡。

风荷载标准值ωk的计算如式（2）所示。

ωk=βzμsμzω0（2）

式中：βz指高度z处的风振系数，某项目的屋面在30m以下且高宽比<1.5，可以不考虑脉动风压影响，此时风振系数取1.0；μs指风荷载体型系数，某项目为封闭式双坡屋面，坡度<15°，光伏组件迎风面及背风面均承受负压，按取最不利者原则应取其背风面系数-0.5；μz指风压高度变化系数，某项目位于郊区，地面粗糙度属于B类，屋面高14.6m，应取值1.13；ω0指基本风压，查表可知试验地区应取0.40kN/m2。于是，可得ωk为-0.23kN/m2。

由于以上不利因素同时出现的可能性较低，因此可将各种可变荷载的标准值同时乘以相应的折减系数，从而得到组合值。可变荷载组合值Qc的计算如式（3）所示。

Qc=Qh+Qx+Qf（3）

式中：

Qh=ψhQp（4）

Qx=ψxsk（5）

Qf=ψfωk（6）

ψh、ψx、ψf分别代表工业楼面活荷载、雪荷载和风荷载的组合值系数，依次取0.7、0.7和0.6。将式（4）、（5）、（6）代入式（3），可计算得Qc=0.55kN/m2。

2.3可靠性判断

为确保某项目所在屋面具备施工安装条件，业主单位专门委托建筑工程评估机构对屋面承载能力进行复核并出具评估报告。复核结果和计算结果对比如表1所示。

表1显示Gc=Gr，且Qc与Qr值较为接近，以上结果表明该屋面基本具备安装光伏发电系统的条件，但不宜全部、集中铺设光伏组件。根据以上评估结果，安全起见，某项目适当缩小装机规模，由300kW缩减至250kW，并且在施工过程中采取措施避免荷载过于集中，比如分散放置物料、施工通道设置在承重梁上方、施工人员分段站位且脚下铺设大面积板材等。

3分布式光伏屋顶设计

3.1混凝土屋面

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。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1.5m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≥1.2m）；而不上人屋面的女儿墙为0.6～0.9m。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。

屋面配重设计：1、描绘计算简图；2、计算荷载标准值，包括恒荷载、风荷载、雪荷载；3、确定最不利负载组合；4、通过校核基础确定需配置的基础个数。

屋面承重计算：1、计算太阳能板质量、支架总荷重、水泥墩荷重；2、屋顶单位面积受力；3、假设屋顶为上人屋面，根据GB50009-2001设计，混凝土屋面设计载荷为2kN/㎡，安装太阳能方阵后载荷小于设计载荷即满足要求。

3.2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。

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）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、0.15kN/m2（10、12、15kg）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。

4结语

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。

参考文献

[1]分布式光伏发电接入系统典型设计编委会．分布式光伏发电接入系统典型设计[M]．中国：国家电网公司，2012．

[2]GB50797—2012，光伏发电站设计规范[S]．