为积极响应碳达峰、碳中和目标，近几年中国新能源行业出现了新的发展态势。根据国家能源局发布的统计数据，截至2022年12月底，中国太阳能发电累计装机容量约为3.9亿kW，同比增长28.1%，其中分布式光伏发电的占比为58.48%。由此可见，分布式光伏发电的发展迅猛，改变了以往以集中式光伏发电为主的局面，已逐渐成为推动绿色低碳发展的新动力。

本文以北京地区某分布式光伏发电节能项目作为工程实例，针对建设在混凝土屋面的分布式光伏发电系统，从增设光伏发电系统后既有建筑的承载力复核，光伏组件的压块设计，光伏支架的檩条、斜梁、立柱及基础的设计，电气设备支架及其基础设计，电缆桥架及其基础设计几个方面，对此类光伏发电系统结构设计的具体内容及需要注意的细节问题进行讨论分析。

1、混凝土屋面分布式光伏发电系统的组成

混凝土屋面分布式光伏发电系统主要由光伏组件、光伏支架及其基础、逆变器、汇流箱、电缆等组成；与其相关联的建(构)筑物为安装该光伏发电系统的既有建筑。因此，系统设计中应围绕混凝土屋面分布式光伏发电系统及其相关联的建(构)筑物来进行相应的结构设计。

2、混凝土屋面分布式光伏发电系统的结构设计[1-3]

混凝土屋面分布式光伏发电系统采用的光伏支架的设计使用年限为25年，应对结构构件进行承载力、稳定和变形、抗裂、抗震验算。光伏支架基础的设计使用年限为50年，应进行承载力和稳定性验算，包括：竖向承载力验算、基础结构强度验算及基础稳定性验算(包括基础抗滑移、抗拔、抗倾覆验算)。

本文以某分布式光伏发电节能项目为实例，采用PKPM软件的钢结构二维设计功能对混凝土屋面分布式光伏发电系统的结构设计进行分析计算，先通过“工具箱”模块计算光伏支架檩条部分，再通过“支架”模块计算光伏支架立柱及斜梁主体部分。

2.1 增设光伏发电系统后既有建筑的承载力复核

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》的要求[4]，在既有建筑上增设光伏发电系统时，应根据该建筑的种类，分别按照现行国家标准GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》和GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》的规定进行可靠性鉴定。

新增光伏发电系统后建筑的可靠性是光伏发电系统安全建设、运维的先决条件，但该建筑能否满足新增光伏发电系统的荷载设计要求，不应由建筑的结构形式及建设年代而定，而应根据建筑本身的现状及条件，由该建筑设计单位或具备检测、鉴定资质的第3方机构来复核评估该建筑能否满足新增光伏发电系统的荷载设计要求，并出具相应的报告，以为项目后续的决策及处理提供技术依据。

2.2 光伏组件的压块设计[5]

常规光伏组件与檩条一般通过压块及螺栓连接，其中，光伏组件与光伏组件之间采用中压块，光伏组件边部采用边压块，因此，压块的材质及尺寸的选择很重要。若压块强度不能满足光伏发电系统的荷载设计要求，其有可能在风荷载作用下发生扭曲变形，严重情况下甚至会导致光伏组件脱落，如图1所示。

图1 压块变形及光伏组件脱落图片

1)压块的材质[4]。对于风荷载较小的建筑物屋面，压块可采用6063-T5材质的铝合金；对于风荷载较大的建筑物屋面，压块可采用6005-T5材质的铝合金。

2)压块每个边的壁厚均应谨慎设计，一般情况下每个边的壁厚都应不小于3.5 mm。

边压块及中压块的形状示意图如图2所示。图中：t1～t7分别代表压块不同位置的壁厚。

2.3 檩条设计

檩条采用“屋面连续檩条”模块进行设计计算，通常长度取6 m，跨度取2 m。在光伏组件两侧各设两处固定支撑点，由两根檩条沿垂直于光伏组件长度的方向支撑，每根檩条均要承担上部荷载。光伏组件及檩条安装位置的模拟示意图如图3所示。

图2 边压块及中压块的形状示意图

檩条所承担的上部荷载计算时取线荷载，左风荷载工况下的荷载(此时左风荷载与光伏组件自重荷载叠加)计算结果比右风荷载工况下的荷载计算结果对檩条更为不利。

檩条材质大多数采用薄壁U型钢或槽钢，其选型可结合斜梁整体选型及斜梁与檩条的连接形式来确定。

图3 光伏组件及檩条安装位置的模拟示意图

2.4 斜梁及立柱设计

结合光伏支架实际受力情况，利用软件设计时输入的斜梁上部荷载应为点荷载(由檩条经连接节点传递)而不是线荷载，斜梁的荷载不仅包含光伏组件和檩条的自重，还应适当考虑连接螺栓及电缆的自重。不同风荷载工况下的斜梁荷载示意图如图4所示，图中：x代表水平面(屋面)方向；y代表垂直于水平面的方向；数值均为斜梁设计的荷载标准值，kN/m。

图4 不同风荷载工况下的斜梁荷载示意图

建模计算中，需注意斜梁和立柱连接节点处的约束布置参数应结合实际设计情况进行设置。

斜梁和立柱可选择薄壁U型钢、方管钢、圆管钢；对于截面开孔构件而言，净截面和毛截面比值这一参数应按实际情况进行设置。

2.5 光伏支架基础设计

混凝土屋面光伏发电系统的光伏支架基础可采用的形式多样，需结合既有建筑的屋面结构形式及现状来确定最优的基础方案。下文针对混凝土配重墩、锚栓及植筋这两种基础形式进行分析。

2.5.1 混凝土配重墩基础

针对既有建筑结构屋面的承载力设计值高于新增光伏发电系统荷载设计值的屋面，光伏支架基础可采用圆形或方形混凝土配重墩基础。由于混凝土配重墩基础较重，为避免施工过程中对屋面表层的防水层造成破坏，可考虑先在需要放置混凝土配重墩基础的位置外扩50～100 mm的范围内铺设1层防水卷材，然后再放置混凝土配重墩基础。混凝土配重墩基础下方的局部防水效果图如图5所示。

图5 混凝土配重墩基础下方的局部防水效果图

2.5.2 锚栓或植筋[6]

针对既有建筑结构屋面的承载力设计值较低、屋面板厚度不小于100 mm的屋面，光伏支架可采用锚栓(可为机械锚栓或化学锚栓)或植筋固定于屋面。锚栓或植筋安装完成后需对其进行承载力测试，以确保立柱柱脚的抗拔、抗拉、抗滑移均满足设计的承载力要求[7]。锚栓的安装示意图如图6所示。

图6 锚栓的安装示意图

与混凝土配重墩基础相比，采用锚栓或植筋固定光伏支架的优势在于减轻了光伏发电系统整体自重，大幅降低了屋面新增荷载；而缺点则是锚栓或植筋的安装需要在原结构屋面打孔，破坏了原本的防水工程，需要采取一定措施来恢复屋面原本的防水功能。可在立柱柱脚底座安装前在屋面刷第1道防水涂料(即屋面和底座之间)，待底座安装完毕，在底座外扩50 mm范围设置高度为100 mm的素混凝土保护帽(即采用素混凝土外包柱脚，以防积水腐蚀立柱)，并在保护帽外露部位及其周边一定范围内刷第2道防水涂料。

由于植筋必须是全螺纹螺杆或带肋钢筋，其仅适用于钢筋混凝土构件(即屋面板)或预应力混凝土构件，不适用于素混凝土构件或低配筋率构件(即纵向受力钢筋一侧的配筋率小于0.2%)；而锚栓以上情况均适用。因此，在选择光伏支架基础形式时，应综合考虑所有条件后再确定。

2.6 电气设备支架及其基础设计

除光伏组件外，逆变器、汇流箱、视频监控杆、并网柜等电气设备也需要设计支架及其基础。

2.6.1 逆变器、汇流箱的支架及其基础

针对光伏支架后立柱高度较高的工况，可直接利用后立柱增设两道支撑梁作为逆变器、汇流箱等电气设备的支架，且无需另设基础，如图7所示。

图7 光伏支架后立柱高度较高时电气设备的安装示意图

针对光伏支架后立柱高度有限的工况，需单独设置电气设备支架及其基础。多个电气设备应按一定间隔布置，避免出现电气设备及其支架、基础过于密集的状况，对屋面板不利。

另外，为有效避免夏季时阳光直射使逆变器温度过高出现降载的问题，可在逆变器顶部设置遮阳挡板。

2.6.2 视频监控杆的基础

为满足视频监控范围的需求，视频监控杆的基础形式可随其所在场地条件做相应调整。针对周边设置了型钢立柱的场地，可通过连接板及螺栓将视频监控杆底部与既有型钢立柱的柱顶连接；当场地周边无既有构筑物时，则应单独设计视频监控杆的基础，此时可采用混凝土基础。两种视频监控杆基础的安装示意图如图8所示，图中：“-”代表钢板。

a.视频监控杆底部与既有型钢立柱柱顶连接的安装示意图

图8 两种视频监控杆基础的安装示意图(单位：mm)

2.6.3 并网柜的基础

针对安装在室外的并网柜，可设置混凝土独立基础。该基础浇筑时需预埋镀锌钢管电缆穿线管，钢管的定位、数量及出基础的方位均应结合场地条件布置，以满足电气专业需求。

针对安装在室内的并网柜，对于室内已预留了并网柜孔洞的配电室，需根据预留孔洞优化设计并网柜柜体底部的支撑型钢，可通过膨胀螺栓将支撑型钢固定于建筑楼板，也可利用楼板孔洞中已预先安装的型钢埋件作为支撑型钢，然后再安装并网柜柜体。对于室内未预留并网柜孔洞的配电室，可根据电气线缆的直径及数量，在柜体底部出线位置对应的局部楼板区域开洞，然后再安装并网柜柜体。

2.7 电缆桥架及其基础设计

为防止被屋面雨水浸泡，电缆槽盒的设计高度通常都高于屋面100 mm以上。

为减轻屋面新增荷载，在条件允许的情况下，电缆桥架可优先利用光伏支架的混凝土配重墩基础，通过膨胀螺栓固定在该基础上；其余情况下，可利用砖砌基础墩进行电缆桥架的固定，与采用混凝土配重墩基础相比减轻了基础自重，并且便于施工，可减少施工工期。电缆桥架的安装示意图如图9所示。图中：M8为膨胀螺栓的型号。

图9 电缆桥架的安装示意图(单位：mm)

3、混凝土屋面分布式光伏发电系统结构设计的注意事项

3.1 屋面新增荷载计算

在复核既有建筑的结构承载力时，新增恒荷载通常只考虑光伏组件、光伏支架及基础3部分内容，但应纵观项目的整体情况进行综合评估。后续安装的电气设备(例如：逆变器、汇流箱)的支架及其基础、电缆桥架及其基础均应列入光伏发电系统布置场地的荷载计算范围，作为新增荷载的一部分进行计算。

3.2 光伏组件安装倾角设计

当场地条件有限时，综合考虑右风荷载的情况，光伏组件安装倾角不宜设置较大，应适当降低，以确保光伏支架结构能够满足设计要求。但并非光伏组件安装倾角越小越好，因为光伏组件安装倾角过小会导致光伏组件表面易积灰尘，并且遇雨雪天气时光伏组件表面的积水(或积雪)不易排放，会造成一定程度的发电量损失。

3.3 屋面的防水处理

屋面防水层的现状图如图10所示。

安装屋面分布式光伏发电系统时，需要确保在不破坏屋面原本防水功能的前提条件下进行。屋面的防水处理可分为以下3种情况：

图1 0 屋面防水层的现状图

1)当屋面原本的防水层老旧且出现局部渗漏时，需要先修补或更换防水层；

2)当屋面原本的防水层完好无损时，采用混凝土配重墩基础的情况需在该基础下铺设1层防水卷材来保护屋面原防水层；

3)当屋面设置了锚栓或植筋来固定光伏支架时，可在立柱柱脚底座外及锚栓四周设置素混凝土保护帽，并在保护帽外露部位及其周边范围涂刷防水涂料。

3.4 检修通道的设计

混凝土屋面检修通道通常采用光伏组件布置时考虑前后排光伏组件阴影遮挡避让形成的空间地带，屋面四周也应考虑设置检修人员行走通道。

3.5 安全护栏设计

对于商业或公共建筑而言，由于其屋面的女儿墙较高(一般大于等于1.2 m)，可保证光伏发电系统施工安装、运行期的安全操作。

对于大部分户用光伏发电项目所在建筑而言，由于其屋面的女儿墙高度仅为0.3～0.5 m，甚至有些屋面未设计女儿墙，因此在必要情况下，需在屋面四周设计安全护栏，以保证户用光伏发电项目的施工及运维安全。

3.6 楼板开洞设计[7-8]

在需要满足并网柜穿线需求的情况下，楼板开洞应慎重，尽量将开洞尺寸做到最小。

1)当孔洞的直径(或孔洞为方形时的边长)小于等于100 mm时，不需要切断楼板内的钢筋，并且可以不设置孔洞的附加钢筋。施工时应先清除建筑面层及钢筋保护层，避开楼板内的钢筋位置再开孔，且不能破坏原配筋；然后凿毛、修补保护层；最后按建筑原方案对楼板结构层上部的建筑面层进行恢复处理。

2)当孔洞的直径(或孔洞为方形时的边长)大于100 mm时，应根据孔洞周边的荷载情况及孔洞的尺寸大小，按《简明钢筋混凝土结构构造手册(第5版)》[8]的要求对楼板进行加固设计，必要时应增设附加钢筋或加设边梁。

3.7 周边环境的影响

当光伏组件安装在屋顶的通风设备顶部时，通风设备的运行情况可能对光伏支架及光伏组件产生负面影响。此时应先在现场的通风设备上进行光伏组件区域试装，并在试装完成后运行一段时间，确保已安装光伏组件的运行不存在任何问题，然后再进行大面积安装；若光伏组件运行存在问题，则应对原设计进行修改调整，从而保证光伏发电系统可以安全运行。通风设备上安装光伏组件的现场照片如图11所示。

图1 1 通风设备上安装光伏组件的现场照片

4、结论

本文针对混凝土屋面分布式光伏发电系统，以北京地区某分布式光伏发电节能项目工程为实例，对此类系统结构设计的具体内容及需要注意的细节问题进行了讨论分析。得出以下结论：混凝土屋面分布式光伏发电系统的结构设计方案并非局限于结构的本体设计，还需要综合考虑与其相关的周边事物(例如：屋面新增荷载计算、光伏组件安装倾角设计、屋面的防水处理、检修通道设计、安全护栏设计、楼板开洞设计)及周边环境的影响，从而选择最优的混凝土屋面光伏发电系统整体设计方案，以保证整体设计的安全性及合理性。

参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[3]电力规划设计总院.光伏支架结构设计规程:NB/T10115—2018[S].北京:中国计划出版社,2018.

[4]中国电力企业联合会.光伏发电站设计规范:GB50797—2012[S].北京:中国计划出版社,2012.

[5]全国有色金属标准化技术委员会(SAC/TC243).一般工业用铝及铝合金挤压型材:GB/T 6892—2015[S].[S.l.:s.n.],2015.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构后锚固技术规程:JGJ 145—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构加固设计规范:GB 50367—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[8]国振喜,国馨月,李玉芝.简明钢筋混凝土结构构造手册[M]. 5版.北京:机械工业出版社,2017.

文章来源:郭敏.混凝土屋面分布式光伏发电系统的结构设计浅析[J].太阳能,2024,(10):107-114.