浅谈家庭屋顶分布式光伏设计与施工

民用光伏发电系统是分布式发电系统的重要组成部分，随着国内分布式政策的不断完善与落实，光伏发电已经走入了普通百姓的生活，由于全国各地居民的屋顶条件情况不尽相同，因此各个项目都需要因地制宜，进行定制化的设计和施工，笔者曾有幸参与到实际工程案例，对小型民用系统的建设有了进一步的了解。本文以瓦面屋顶和混凝土屋顶为例，主要介绍其设计和施工部分，供民用系统从业者或对家庭分布式发电感兴趣的人士参考。

1、民用分布式发电系统的设计

民用分布式项目的设计需要在前期工作中完成屋顶勘测和相关信息的收集，并给业主提供初步的设计方案或屋顶发电效果图，效果图的作用一方面可以从侧门说明专业设计能力，另一方面可以非常直观地为业主展示组件的布置形式和实时阴影情况，如图1和图2为混凝土屋顶支架安装和组件敷设效果图，图3为笔者基于CAD图纸而绘制的南京地区别墅分布式发电系统的组件布置效果图，然而大多数别墅屋顶的业主可能没有屋顶平面和立面图纸，这种情况下我们只需把握屋顶的整体尺寸，细节的部分化繁为简。对于民用系统设计人士，本人还是强烈推荐使用SketchUp，因为在效果图制作和阴影分析上较为出色。

图1 支架SketchUp效果图

图2 混凝土屋顶支架安装和组件铺设SketchUp效果图

图3 别墅分布式发电系统组件布置SketchUp效果图

项目施工前的重要工作是深化设计，如方阵具体布置方案、支架安装方案、组件和逆变器选型、接线和电缆敷设方案、逆变器和交流配电箱的安装位置、防雷接地等，其中方阵布置和支架的安装方案属于重点内容，对于民用系统，支架的安装设计灵活性很大。

别墅屋顶一般为瓦面和混凝土两种形式，支架和屋面的固定有打孔和负重压块等方法，对于打孔因为破坏了原有屋面的结构，就要涉及到屋面的防水工程。

如图4所示为混凝土屋顶膨胀螺栓与屋面的固定方法和屋面防水措施，孔的直径需要和膨胀螺栓的直径匹配，太小和太大都不合适，孔的深度需要根据屋面的结构来定，膨胀螺栓的深度不允许超出现浇层，一般最大深度为现浇层的一半左右，并以此作为选择膨胀螺栓长度的依据。

图4所示的屋面防水使用了三重防水措施，即孔内采用组件封装所使用的黑色硅胶或者995结构胶灌注，屋面和角铝之间使用防水胶垫，同时螺栓安装位用防水胶密封。对于瓦面屋顶，若瓦下是水泥混凝土层，采用膨胀螺栓固定挂钩，也可以采用该防水方法。

图4 混凝土屋面上膨胀螺栓与屋面的固定方法和屋面防水措施

支架的设计需要了解常用的导轨型号和配件，如图5为混凝土屋面所采用的比较常见的支架架构(方阵由2*4片组件组成)，由横梁、竖梁、方管、角铝、L支脚、T型螺栓和内六角螺栓、内扣连接件、压块等配件组成，深化设计需要确定各个配件型号、尺寸和数量。

内扣连接件用于连接方管和竖梁，并且可调节角度。竖梁和横梁之间的固定采用L支脚加上M8的T型螺栓，方管和屋面的固定采用膨胀螺栓和L支脚，角铝的作用用于斜支撑加强固定。

图5 混凝土屋顶支架方案

2、民用发电系统的施工

项目现场施工的一般流程为由业主购买支架、组件、逆变器等设备材料并提前进场，施工当天的工作有组件支架的吊装和搭建、组件安装、组串接线和电缆走线、组件防雷接地、逆变器和交流配电箱安装等，需要配齐专业施工工具和安全防范工具，如吊装绳索、钢管气筒、密封胶灌注专用工具、角磨机、电锤、手电钻、锯子、铁锤、内六角、套筒、美工刀、活动扳手、尖嘴钳、剥线钳、压线钳、扎带、起子、插线板、万用表、安全手套等等。

如图6至图9为瓦面屋顶从打孔到导轨安装的施工过程，根据屋面实际情况和组件排布数量，膨胀螺栓安装孔位的前后间距约1米左右，由于混凝土瓦面有一定厚度，瓦面和保温层有几厘米的距离，再打入现浇层后，总共深度约15cm左右，孔位开好之后需要将多余的混凝土土灰用钢管气筒清除干净，灌注硅胶需要见到明显的溢出为佳，膨胀螺栓和L支脚搭配好之后敲入孔内，横梁和L支脚固定，最后在安装孔位四周涂上防水胶，待半干燥后即可安装光伏组件，参考图10。

图6 孔内除沙

图7 灌注硅胶

图8 打膨胀螺栓和L支脚

图9 安装支架横梁

图10 瓦面组件安装实景图

电缆的敷设从组串出线端到组串逆变器端一般采用穿PVC管的形式，根据电缆进管的数量来确定需要的PVC管直径，走线时电缆需要留有一定的余量，尽量不要让电缆暴露在外，同时需要用防火泥将管口密封堵死，电缆从屋顶走到逆变器处尽量顺着墙面，弯曲半径不宜过大，采用肉眼看不到的方式敷设，做到整齐美观。

阵列的防雷接地可以使用热镀锌扁钢和屋面的避雷带通过焊接进行连接，焊接处需要做好防腐防锈处理，如果没有避雷带，一般采用垂直接地极，即用一根2.5米的圆钢垂直打入土壤中，使用接地摇表测试接地电阻是否达到小于等于4欧姆的要求，如果不能满足，还需要再增加一根直到满足要求为止。

项目施工完成后需要等供电局并网接入，其中电表的接线方法根据不同地区也有两种方法，第一种接法如图11，因为很多家庭用户不会看逆变器，所以需要在交流配电箱输出端装一块计量光伏发电电量的电表。原用户电表改成双向电表，光伏侧电表的出线端接到该双向电表的出线端，用于显示用户自己用电和卖到电网的电量，多余的电反转计量。

图11 电表接法1

图12 电表接法2

3、小结

本文初步介绍了SketshUp在家庭分布式屋顶设计的应用，并探讨了家庭分布式屋顶的支架与屋面的固定安装方法和瓦面支架安装施工过程等内容，和中大型分布式比较，家庭分布式的设计和施工比较灵活，施工重点在与支架的安装，而且支架设计方案也有很多种，需要我们对目前市面上的支架都要非常了解，根据现场的情况选择最优的设计，本文内容写的较为简单，后续我们再详细展开为大家介绍。