引言

随着国家对分布式光伏发电支持力度的加大,分布式光伏发电越来越受到企业的青睐,屋顶分布式光伏电站体量日益增大。随着我国屋面防水材料的技术革新,新型防水材料应用越来越广,国内制造业、物流业、数据机房、机场等大型建筑屋面大多采用TPO、PVC柔性防水材料,但传统光伏支架系统不能适应这些柔性防水屋面。因此,设计一种稳定、可靠、安全的柔性防水屋顶光伏支架系统具有重要意义。

1屋顶分布式光伏发展趋势

目前,光伏行业项目开发由山地、荒地等大型电站逐步向分布式项目发展,2017一2019年我国分布式光伏发电累计装机容量将达到69.2Gw,未来五年年均复合增长率约为17.03%,2023年将达到129.8Gw。光伏电站的建设主要集中在工业厂房、物流园区、数据机房和机场等高耗能企业,其建设应满足就近发电、就近并网、就近转换、就近使用原则。然而,随着新型防水材料（TPO、PVC）在建筑屋面防水领域的应用越来越广,场地条件限制了屋顶分布式光伏项目的开发。因此,设计一种稳定、可靠、安全的柔性防水屋顶光伏支架系统具有重要的意义。

2TP0屋顶光伏支架系统

本文以北京奔驰总装车间分布式项目为例,分析TPO屋顶光伏支架的研究与应用。

2.1屋顶构造

TPO防水屋顶与传统彩钢屋顶相比,构造基本相同,均属于轻质屋面系统,适用于大面积的厂房建筑,柔性防水屋面用柔性防水卷材（TPO、PVC等防水材料）取代了彩钢屋顶的面层彩钢板,提高了屋顶防水年限。

TPO防水材料常见幅宽2000mm,搭接120mm,连接方式分为满粘法和机械固定两种,通常采用机械固定单层屋面系统,防水卷材仅在边缘120mm宽度范围内,采用专用自攻螺杆固定,搭接采用热风焊接,屋顶构造如图1所示。

2.2支架构造

由于TPO防水材料为柔性材料,不能按常规的配重式基础或专用夹具安装,目前已建成的TPO屋顶支架系统形式主要分为3种:

2.2.1方案一:预埋件式支架系统

屋顶安装时预留光伏支架立柱,在房屋建筑结构设计时统一考虑预留荷载,且根据光伏组件和屋面采光窗、通风等设施布置形式相结合,预留光伏支架立柱,虽然传力可靠,但施工复杂,屋面防水破坏点较多,且屋面防水节点施工周期长,自重大,不适用于老旧建筑。屋顶立柱构造如图2所示。

图1屋顶构造

图2屋顶立柱构造

2.2.2方案二:专用连接件支架系统

此系统基于屋顶光伏支架而特殊开发,在屋顶冲孔后插入专用连接件,机械固定,将连接件与原屋顶焊接形成整体,优点是适用于各种柔性防水屋面,布置灵活:缺点是对屋顶破坏较多,且安装时对建筑日常使用有较大影响。支架专用连接件构造如图3所示。

图3专用连接件构造

2.2.3方案三:粘结式铝合金支架系统

与传统彩钢屋面支架形式相同,光伏组件通过铝合金导轨固定在屋面上,不同之处在于支座通过TP0卷材贴固定于屋面新加的TP0防水材料上,使得导轨和屋面紧密连接在一起,且避免铝合金导轨对屋顶直接接触造成破坏。优点是不破坏屋面防水,施工构造简单,经济性好,组件布置相对灵活。缺点是施工速度较慢。支架与屋面连接做法如图4所示。

图4支架与屋面连接做法

3TP0屋顶参数收集及相关试验

通过收集建筑物相关竣工图纸、资料,确定屋面防水材料的相关参数（H类、P类、L类）、物理性能（最大拉力、伸长率、剥离强度等参数）、连接构造（机械连接或满粘连接）等相关参数,并委托专业实验室进行现场复核试验和剥离强度试验。试验要求:

（1）对新老TP0防水材料做相容性试验、接缝剥离强度实验,并满足《热塑性聚烯烃（TP0）防水卷材》（GB27789—2011）的技术要求,实验测得剥离强度为5.3N/m,大于规范要求的3.0N/m。

（2）对屋顶连接构造进行现场检测,确定防水卷材机械固定点的间距及拔出的拉力。屋顶连接试验装置如图5所示。

图5屋顶连接试验装置

（3）现场复核屋顶卷材敷设方向、间隔及相对位置,便于组件布置及方阵划分。

4光伏支架系统计算分析

4.1光伏支架系统

以北京奔驰总装车间分布式项目为例,屋顶采用1.5mm厚织物内增强型TP0卷材防水层,展宽2m,搭接120mm,于平行屋脊方向铺设,每隔350mm设有固定螺钉一个。屋面采用铝合金支架系统,垂直屋脊方向布置铝合金导轨,并在TP0防水卷材搭接处通过TP0卷材贴固定于屋面上,光伏组件通过压块固定在铝合金导轨上,考虑每组支架的刚度及变形协调性,屋顶光伏系统如图6所示。

4.2光伏支架系统荷载计算分析

4.2.1光伏系统摊铺荷载

光伏系统组件自重、TP0防水卷材、铝合金型材重量:

0.12＋0.01＋0.01=0.149N/m2k0.159N/m2

与彩钢屋顶光伏支架系统重量大致相同。经计算,本工程屋面允许新增最大荷载为0.159N/m2,此光伏支架系统方案满足屋面承载力要求。

4.2.2TP0卷材贴连接强度计算分析

TP0卷材贴尺寸为200mm×700mm光伏系统,有效焊接面积长度1400mm:风压标准值按50年取值:

卷材贴风荷载设计值:

o=1.5×0.67=1.0059N/m2

风荷载作用下TP0卷材贴的上拔力:

F1=（0.99-0.14）×2.02×1.005=1.7269N

接缝剥离强度取3.0N/mm,TP0卷材贴剥离力为:

F2=1400×3.0=4.29N<F1

由此可得出在50年一遇的风力作用下,组件传给屋面的上拔力小于TP0卷材贴剥离力,满足要求。

4.2.3支座受力分析

光伏支架支座连接通过TP0卷材贴与原屋顶TP0焊接,将铝合金导轨固定在屋面上,TPO屋顶的固定螺钉间距为350mm,固定螺钉拉力为2139N,按1.05的安全系数进行取值,可计算得出每个卷材贴下螺钉不少于2个,抗拉拔力为2.1kN,风力作用下的上拔力为1.726kN,小于螺钉抗拔力,支座安全。

导轨通过TPO卷材贴固定在屋顶新增TPO卷材上,与屋面防水形成整体,考虑屋面热胀冷缩,利用支架的刚度及变形协调性,支架长度不大于6m,控制在3个卷材宽度以内,使其具有良好的抗震、抗风、抗雪压等物理性能,使屋顶光伏支架系统能够应用于TPO屋顶。

4.2.4注意事项

(1）TPO屋顶光伏支架系统采用方案三,构造简单,布置灵活,适用于各种TPO屋顶。

(2）TPO防水固定点的间距、抗拉力应通过实验测得,确保支架的稳定性。

(3）新老TPO连接应做相容性试验,确保连接安全可靠。

(4）屋顶保温、防水、压型钢板材料不同,力学性能不同,在自重作用下的压缩变形应进行系统性研究。

5结语

在未来光伏发展道路上,分布式光伏发电占比日益增大,随着5G时代的来临,尤其在工业、制造业、物流业、数据机房等高能耗建筑的建设中,分布式光伏能源成为主要的绿色能源提供者,为国家能源结构调整、改善环境提供了源动力。