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摘要：随着太阳能产业的迅速发展，我国已成为国际太阳能产品产能最大的国家，在土地资源日益宝贵的前提下，利用既有建筑物屋顶进行太阳能光伏电站的建设则具有巨大的发展潜力。本文笔者结合屋顶光伏电站结构设计原则，阐述了屋顶光伏电站设计的要点。
关键词：光伏电站结构设计 设计要点
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
引言
根据既有建筑物屋顶形式，屋顶光伏电站结构系统的安装方式可分为平屋顶固定支架式、柔性组件粘贴式、坡屋顶附着式、一体化嵌入式等多种结构形式。其中最普遍、应用最为广泛的是平屋顶固定支架式，其固定支架的角度、与原建筑物的连接形式均可根据实际情况进行调整，根据屋面结构形式又可分为混凝土屋面固定支架式和彩钢瓦金属屋面固定支架式。
1 屋顶光伏电站结构设计原则
（1）结构设计使用年限不应小于25年。预埋件属于难以更换的部件， 其结构设计使用年限宜按50年考虑。
（2）屋顶光伏电站结构可按弹性方法分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应，并进行作用效应组合。
（3）屋顶光伏电站结构系统的构件和连接应按各效应组合中最不利组合进行设计。
2 屋顶光伏电站结构设计要点
屋顶光伏电站固定支架光伏阵列承受的荷载包括自重、风荷载、活荷载和雪荷载。荷载通过太阳能电池板传至固定光伏支架上，最终通过支架作用至屋面板上。在既有建筑屋顶增设或改造光伏系统，除了新增结构系统须具有规定的承载能力、刚度、稳定性和变形能力外，还应保证原有建筑结构承载力满足要求，避免屋顶倒塌、被掀翻和破裂。因此，还需对原有建筑物进行安全性复核。
2.1风荷载设计
太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是控制安全的主要问题。
根据《GB50009-2001》（2006年版）风荷载标准值及基本风压的规定：垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，当计算主要承重结构时，按式（1）计算，当计算围护结构时，按式（2）计算。
(1)
(2)
式中——风荷载标准值（kN/m2）；
——高度Z处风振系数；
——风荷载体系系数；
——风压高度变化系数；
——局部风压体系系数；
——基本风压（kN/m2）；
——高度Z处的阵风系数。
（1）刚性结构屋顶光伏电站结构系统的结构刚度较大，T1<0.25 s，（T1为结构基本自振周期），可不考虑风荷载作用在结构上引起的动力放大。
（2）柔性结构屋顶光伏电站结构系统（ 柔性结构主要是指大多数结构构件为柔性构件，如钢缆、钢索、薄膜等，结构的形体须由结构体系内部的预应力形成，包括索结构、膜结构和张拉整体结构等。） T1<0.25 s的结构，原则上应考虑风振影响。
（3）对于屋顶面板和与太阳能光伏板直接相连的屋顶光伏电站支承结构，β取阵风系数βgz，按荷载规范取值；对于间接支承面板的支承结构，β取风振系数βz， 按相关规范采用动力分析方法决定。近似估算时：对于刚性支承结构，βz可取1.2～1.6；柔性支承结构，βz可取1.5～2.0。
既有建筑屋面固定支架光伏阵列中太阳能光伏板和与其直接相连的固定支架风荷载计算按照围护结构计算。即β取阵风系数βgz，μ取局部风压体型系数μsl ，并按荷载规范进行取值。
2.2荷载作用组合
依据《GB50009-2001》（2006年版），对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：
（1）风荷载起控制作用时。
工况1：由正风压荷载效应组合控制。
S=1.0Gk+1.4Wk
工况2：由负风压荷载效应组合控制。
S=1.2Gk+1.4Wk+0.7×1.4Lk
可变荷载的分项系数,一般情况下:SQ1k应取1.4；组合系数:雪荷载可取0.7,风荷载可取0.6,活荷载可取0.7。其他及各种作用的系数按专用工程规范确定。
（2）屋面活荷载或雪荷载起控制作用时。
工况3：由正风压荷载效应组合控制。
S=1.2Gk+1.4Lk+0.6×1.4Wk
工况4：由负风压荷载效应组合控制。
S=1.0Gk+1.4Lk+0.6×1.4Wk
屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合。
（3）永久荷载效应控制作用时。
工况5：由正风压荷载效应组合控制。
S=1.35Gk+0.7×1.4Lk+0.6×1.4Wk
工况6：由负风压荷载效应组合控制。
S=1.0Gk+0.7×1.4Lk+0.6×1.4Wk
永久荷载的分项系数：当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0；当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35。
无法明显判断时，依次设计计算，选其中最不利的荷载效应组合。
2.3 支架系统与屋顶连接设计
屋顶光伏电站结构系统钢支架的连接采用焊接时，钢材的材质应采用Q235B或Q345B。焊缝应按国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）进行设计。焊接应符合《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ 81-2002）的规定。
屋顶光伏电站结构系统钢支架的连接采用螺栓连接时，应按照国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）进行设计，连接处的螺栓不应少于2个。 碳素钢螺栓应符合国家标准的要求，并应进行防腐处理。
屋顶光伏电站结构系统钢支架与主体混凝土结构采用后加锚栓连接时，应符合下列规定：
（1）产品应有出厂合格证；
（2）碳素钢锚栓应经过防腐处理；不锈钢锚栓的材质不低于S304XX；
（3）应通过现场拉拔试验确定承载力标准值；确定其承载力设计值时，材料分项系数不应小于2.15；
（4）每个连接点锚栓不应少于2个，锚栓直径不应小于10 mm；
（5）采用化学锚栓时，不宜在锚板上进行连续的、受力的焊缝焊接。
2.4 组件排布设计
固定支架式屋顶光伏电站按有角度设计时，还应进行组件间距的划定。屋顶光伏电站在组件间距划定时可以通过以下两种方式进行相应数值的计算。
（1）影子倍率法
组件间距及倾角示意图
如图所示，一个在水平面垂直放置的高度为L的木杆，其南北方向影子的长度为LS，此刻太阳高度角为h，方位角为α，有：
(1)
式中：LS——影子长度/m；
L——阵列高度/m；
h——太阳高度角/deg；
α——太阳方位角/deg；
式（1）所求得的影子长度LS即可以表示光伏电站中相邻组件的间距。
（2）函数计算法
根据球面三角函数分析，认为太阳高度与观测者的地理纬度、太阳赤纬和方位角存在着一定的关系，通过公式（2）进行组件间距和倾角的相关计算以排除相邻组件之间的相互遮挡。
(2)
式中：D——遮挡物与阵列的间距/m；
H——遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差/m；
φ——當地维度/deg；
δ——太阳赤纬角/deg；
β——太阳方位角/deg；
ω——时角/deg。
传统间距计算的方式，无论是影子倍率法，还是函数计算法，由于计算量较大，不仅需要耗费较多的时间，相关地理数据需要进行收集，而且计算过程中容易产生差错。通过软件及程序进行模拟计算，不仅可以节省时间，提高工作效率，还能提高计算的准确度，减小误差。
国内目前较为常用的日照分析软件主要有众智日照分析软件、清华日照分析软件、天正日照分析软件、鸿业日照分析软件和飞时达日照分析软件等。这些日照分析软件均是在遵循国家规范中对建筑间距要求的基础上编制的，可供有关设计部门和管理决策部门使用参考。日照分析软件的基本操作流程如下图所示，主要分为日照设置、基本建模、日照分析和日照方案四个步骤。其中日照设置，包括了时间、地点、系统设置和标准设置等。
日照分析软件基本流程
2.5屋面承载力安全评估
对既有建筑屋顶新增固定支架光伏发电设备进行结构安全性分析，在固定支架强度满足的前提下，对固定支架基础进行稳定性的验算并且对新原有建筑物进行安全性复核。
屋顶光伏电站结构系统不仅要保证自身的安全可靠，同时要确保原有建筑的安全可靠，对原有建筑物进行安全性复核。
3 总结
在进行屋顶光伏电站结构设计时，首先应根据屋面情况确定安装方式，屋顶光伏电站大多建立在具有大面积混凝土屋面或是彩钢瓦金属屋面的工业建筑及厂房上。结构形式多采用混凝土屋面固定支架式、彩钢瓦金属屋面固定支架式及柔性组件粘贴式。在安装方式确定之后，才能进行结构系统的设计，更大的发挥太阳能光伏电站的巨大的潜力。
关键词：光伏电站结构设计 设计要点
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
引言
根据既有建筑物屋顶形式，屋顶光伏电站结构系统的安装方式可分为平屋顶固定支架式、柔性组件粘贴式、坡屋顶附着式、一体化嵌入式等多种结构形式。其中最普遍、应用最为广泛的是平屋顶固定支架式，其固定支架的角度、与原建筑物的连接形式均可根据实际情况进行调整，根据屋面结构形式又可分为混凝土屋面固定支架式和彩钢瓦金属屋面固定支架式。
1 屋顶光伏电站结构设计原则
（1）结构设计使用年限不应小于25年。预埋件属于难以更换的部件， 其结构设计使用年限宜按50年考虑。
（2）屋顶光伏电站结构可按弹性方法分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应，并进行作用效应组合。
（3）屋顶光伏电站结构系统的构件和连接应按各效应组合中最不利组合进行设计。
2 屋顶光伏电站结构设计要点
屋顶光伏电站固定支架光伏阵列承受的荷载包括自重、风荷载、活荷载和雪荷载。荷载通过太阳能电池板传至固定光伏支架上，最终通过支架作用至屋面板上。在既有建筑屋顶增设或改造光伏系统，除了新增结构系统须具有规定的承载能力、刚度、稳定性和变形能力外，还应保证原有建筑结构承载力满足要求，避免屋顶倒塌、被掀翻和破裂。因此，还需对原有建筑物进行安全性复核。
2.1风荷载设计
太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是控制安全的主要问题。
根据《GB50009-2001》（2006年版）风荷载标准值及基本风压的规定：垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，当计算主要承重结构时，按式（1）计算，当计算围护结构时，按式（2）计算。
(1)
(2)
式中——风荷载标准值（kN/m2）；
——高度Z处风振系数；
——风荷载体系系数；
——风压高度变化系数；
——局部风压体系系数；
——基本风压（kN/m2）；
——高度Z处的阵风系数。
（1）刚性结构屋顶光伏电站结构系统的结构刚度较大，T1<0.25 s，（T1为结构基本自振周期），可不考虑风荷载作用在结构上引起的动力放大。
（2）柔性结构屋顶光伏电站结构系统（ 柔性结构主要是指大多数结构构件为柔性构件，如钢缆、钢索、薄膜等，结构的形体须由结构体系内部的预应力形成，包括索结构、膜结构和张拉整体结构等。） T1<0.25 s的结构，原则上应考虑风振影响。
（3）对于屋顶面板和与太阳能光伏板直接相连的屋顶光伏电站支承结构，β取阵风系数βgz，按荷载规范取值；对于间接支承面板的支承结构，β取风振系数βz， 按相关规范采用动力分析方法决定。近似估算时：对于刚性支承结构，βz可取1.2～1.6；柔性支承结构，βz可取1.5～2.0。
既有建筑屋面固定支架光伏阵列中太阳能光伏板和与其直接相连的固定支架风荷载计算按照围护结构计算。即β取阵风系数βgz，μ取局部风压体型系数μsl ，并按荷载规范进行取值。
2.2荷载作用组合
依据《GB50009-2001》（2006年版），对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：
（1）风荷载起控制作用时。
工况1：由正风压荷载效应组合控制。
S=1.0Gk+1.4Wk
工况2：由负风压荷载效应组合控制。
S=1.2Gk+1.4Wk+0.7×1.4Lk
可变荷载的分项系数,一般情况下:SQ1k应取1.4；组合系数:雪荷载可取0.7,风荷载可取0.6,活荷载可取0.7。其他及各种作用的系数按专用工程规范确定。
（2）屋面活荷载或雪荷载起控制作用时。
工况3：由正风压荷载效应组合控制。
S=1.2Gk+1.4Lk+0.6×1.4Wk
工况4：由负风压荷载效应组合控制。
S=1.0Gk+1.4Lk+0.6×1.4Wk
屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合。
（3）永久荷载效应控制作用时。
工况5：由正风压荷载效应组合控制。
S=1.35Gk+0.7×1.4Lk+0.6×1.4Wk
工况6：由负风压荷载效应组合控制。
S=1.0Gk+0.7×1.4Lk+0.6×1.4Wk
永久荷载的分项系数：当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0；当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35。
无法明显判断时，依次设计计算，选其中最不利的荷载效应组合。
2.3 支架系统与屋顶连接设计
屋顶光伏电站结构系统钢支架的连接采用焊接时，钢材的材质应采用Q235B或Q345B。焊缝应按国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）进行设计。焊接应符合《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ 81-2002）的规定。
屋顶光伏电站结构系统钢支架的连接采用螺栓连接时，应按照国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）进行设计，连接处的螺栓不应少于2个。 碳素钢螺栓应符合国家标准的要求，并应进行防腐处理。
屋顶光伏电站结构系统钢支架与主体混凝土结构采用后加锚栓连接时，应符合下列规定：
（1）产品应有出厂合格证；
（2）碳素钢锚栓应经过防腐处理；不锈钢锚栓的材质不低于S304XX；
（3）应通过现场拉拔试验确定承载力标准值；确定其承载力设计值时，材料分项系数不应小于2.15；
（4）每个连接点锚栓不应少于2个，锚栓直径不应小于10 mm；
（5）采用化学锚栓时，不宜在锚板上进行连续的、受力的焊缝焊接。
2.4 组件排布设计
固定支架式屋顶光伏电站按有角度设计时，还应进行组件间距的划定。屋顶光伏电站在组件间距划定时可以通过以下两种方式进行相应数值的计算。
（1）影子倍率法
组件间距及倾角示意图
如图所示，一个在水平面垂直放置的高度为L的木杆，其南北方向影子的长度为LS，此刻太阳高度角为h，方位角为α，有：
(1)
式中：LS——影子长度/m；
L——阵列高度/m；
h——太阳高度角/deg；
α——太阳方位角/deg；
式（1）所求得的影子长度LS即可以表示光伏电站中相邻组件的间距。
（2）函数计算法
根据球面三角函数分析，认为太阳高度与观测者的地理纬度、太阳赤纬和方位角存在着一定的关系，通过公式（2）进行组件间距和倾角的相关计算以排除相邻组件之间的相互遮挡。
(2)
式中：D——遮挡物与阵列的间距/m；
H——遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差/m；
φ——當地维度/deg；
δ——太阳赤纬角/deg；
β——太阳方位角/deg；
ω——时角/deg。
传统间距计算的方式，无论是影子倍率法，还是函数计算法，由于计算量较大，不仅需要耗费较多的时间，相关地理数据需要进行收集，而且计算过程中容易产生差错。通过软件及程序进行模拟计算，不仅可以节省时间，提高工作效率，还能提高计算的准确度，减小误差。
国内目前较为常用的日照分析软件主要有众智日照分析软件、清华日照分析软件、天正日照分析软件、鸿业日照分析软件和飞时达日照分析软件等。这些日照分析软件均是在遵循国家规范中对建筑间距要求的基础上编制的，可供有关设计部门和管理决策部门使用参考。日照分析软件的基本操作流程如下图所示，主要分为日照设置、基本建模、日照分析和日照方案四个步骤。其中日照设置，包括了时间、地点、系统设置和标准设置等。
日照分析软件基本流程
2.5屋面承载力安全评估
对既有建筑屋顶新增固定支架光伏发电设备进行结构安全性分析，在固定支架强度满足的前提下，对固定支架基础进行稳定性的验算并且对新原有建筑物进行安全性复核。
屋顶光伏电站结构系统不仅要保证自身的安全可靠，同时要确保原有建筑的安全可靠，对原有建筑物进行安全性复核。
3 总结
在进行屋顶光伏电站结构设计时，首先应根据屋面情况确定安装方式，屋顶光伏电站大多建立在具有大面积混凝土屋面或是彩钢瓦金属屋面的工业建筑及厂房上。结构形式多采用混凝土屋面固定支架式、彩钢瓦金属屋面固定支架式及柔性组件粘贴式。在安装方式确定之后，才能进行结构系统的设计，更大的发挥太阳能光伏电站的巨大的潜力。