TPO屋顶分布式光伏安装设计要点分析

摘

要：以拟建的北京奔驰MFA厂区分布式光伏项目为例，对现有TPO屋顶光伏支架系统进行了概述，通过相关试验、计算分析，对光伏支架系统进行了优化，为TPO屋顶光伏支架系统设计提供借鉴和参考。关键词：TPO屋顶；光伏支架系统；屋顶构造；载荷计算

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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。

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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—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。

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TPO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。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。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TPO卷材贴固定于屋面新加的TPO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。3

TPO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TPO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（TPO）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。（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。

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光伏支架系统计算分析4.1

光伏支架系统简图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TPO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TPO防水卷材搭接处通过TPO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、TPO防水卷材、铝合金型材重量：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，此光伏支架系统方案满足屋面承载力要求。4.2.2

TPO卷材贴连接强度计算分析TPO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：风荷载作用下TPO卷材贴的上拔力：接缝剥离强度取3.0N/mm，TPO卷材贴剥离力为：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TPO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TPO卷材贴与原屋顶TPO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