光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)研究與實(shí)踐

王 強(qiáng)，洪藝然

(長江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司，福建 福州 350003)

鋼結(jié)構(gòu)廠房運(yùn)用傳統(tǒng)后置式光伏發(fā)電屋面系統(tǒng)(BAPV)需采用分期建設(shè)和分期投資模式，即先完成建筑物的鋼結(jié)構(gòu)土建施工，后期在建筑物的屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)支架配件、光伏發(fā)電組件單元板和其他電氣設(shè)備。該施工方式有利于分期建設(shè)和管理。但是,將該系統(tǒng)運(yùn)用在已規(guī)劃同步建設(shè)屋面光伏的鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面，增加了不必要的投資，在建筑美觀、施工難度、以及后期維護(hù)等方面都存在諸多的不足。相較于BAPV系統(tǒng)，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)(BIPV)可有效解決傳統(tǒng)后置式光伏發(fā)電屋面系統(tǒng)存在的問題，既能夠降低投資成本，也提高了建筑物的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。因此，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)作為一種替代方案在國內(nèi)外逐步得到認(rèn)可和運(yùn)用[1-3]。

1 光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)

BIPV即Building Integrated PV是光伏建筑一體化。PV即Photovoltaic。BIPV技術(shù)是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。區(qū)別于目前大規(guī)模應(yīng)用的后置式光伏發(fā)電屋面系統(tǒng)(BAPV)采用特殊的支架將光伏組件固定于原有屋頂結(jié)構(gòu)的結(jié)合模式，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)(BIPV)采用一次性建設(shè)和投資模式，在建筑屋面施工時(shí)直接在屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)支架配件、光伏發(fā)電組件單元板和其他電氣設(shè)備。它除了具有發(fā)電功能外，還將具有建筑物自身的結(jié)構(gòu)和使用功能，替代了建筑物原有屋面的構(gòu)件，成為建筑不可分割的組成部分。作為建筑構(gòu)件，光伏發(fā)電部件不但需要滿足發(fā)電及建筑功能要求，還需要滿足材料的耐候性、安全性，結(jié)合方式的牢固性和密閉性等物理化學(xué)特性。

光伏建筑一體化屋頂發(fā)電系統(tǒng)，通過由“幾”字型支架、橫截面呈倒U形的橫向水槽及橫截面呈W形的縱向水槽構(gòu)成的整體支撐系統(tǒng)及島式支撐安裝固定，采取環(huán)環(huán)相扣的方式進(jìn)行緊固和密封，不僅整體結(jié)構(gòu)重量輕、用材省，而且太陽能發(fā)電組件的安裝結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定、使用壽命長，易于安裝、拆卸、維修。

2 BIPV系統(tǒng)與BAPV系統(tǒng)技術(shù)對比

2.1 經(jīng)濟(jì)性成本對比分析

根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面按照120 Wp/m2產(chǎn)出容量計(jì)算，對比采用兩種不同的光伏安裝方式綜合造價(jià)，采用光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)可節(jié)約材料164元/m2(如表1所示)，而且大大延長屋面的使用壽命。

表1 BAPV系統(tǒng)與BIPV系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性成本對比表

2.2 建筑外觀對比

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)后置式光伏發(fā)電屋面在彩色壓型金屬板上面后期安裝支架和光伏電池板，屋面較凌亂，整體性較差。

光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)(BIPV)把太陽能利用納入建筑的總體設(shè)計(jì)，把建筑、技術(shù)和美學(xué)融為一體，把光伏發(fā)電組件單元板和檢修走道板直接作為屋面板，在BIPV建筑中，可通過相關(guān)設(shè)計(jì)將接線盒、連接線等隱藏在組件和踏板下方。這樣既可防陽光直射和雨水侵蝕，又不會(huì)影響建筑物的外觀效果，完美的實(shí)現(xiàn)了將太陽能光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合。屋面美觀，簡潔大方，具有鮮明的現(xiàn)代工業(yè)建筑特征。

2.3 設(shè)計(jì)壽命對比

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)后置光伏發(fā)電屋面的光伏發(fā)電組件因?yàn)槿刻幱诼短飙h(huán)境，長期風(fēng)吹雨打，壽命一般在20年，最多不超過25年。光伏建筑一體化屋面的光伏發(fā)電組件只有屋面暴露在外，有良好的密封環(huán)境，BIPV光伏組件封裝用的膠為PVB，而PVB膜具有透明、耐熱、耐寒、耐濕，機(jī)械強(qiáng)度高等特性，并已經(jīng)成熟應(yīng)用于建筑用夾層玻璃的制作，能達(dá)到50年甚至更長的使用壽命。

此外，在BIPV系統(tǒng)中，選用光伏專用電線(雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線)，選用偏大的電線直徑，以及選用性能優(yōu)異的連接器等設(shè)備，都能延長BIPV光伏系統(tǒng)的使用壽命。

2.4 屋面受力對比

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)后置式光伏發(fā)電屋面的壓型金屬板(彩鋼板或鋁鎂錳板)與后置的光伏電池板的受力復(fù)雜，金屬板和光伏電池板既有風(fēng)載正壓也有負(fù)壓，光伏電池板受力通過支架傳遞到壓型金屬板，長期的風(fēng)載作用和變形會(huì)產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，影響結(jié)構(gòu)安全。

光伏建筑一體化屋面只是單純的屋面，結(jié)構(gòu)受力清晰，結(jié)構(gòu)安全性高。另外，該系統(tǒng)采用雙面玻璃組件，鋼化玻璃的厚度符合國家建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，是通過嚴(yán)格的力學(xué)計(jì)算得出，能夠滿足屋面安全性要求。

2.5 防水可靠性對比

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)后置式光伏發(fā)電屋面在壓型金屬板(彩鋼板或鋁鎂錳板)屋頂安裝完畢后，后期屋面二次上人安裝光伏組件等設(shè)備，會(huì)因?yàn)榈跹b、施工踩踏、長期光伏自重荷載和局部設(shè)備超載，從而造成彩鋼板或鋁鎂錳板永久沉降形變，造成后期隱患性漏水并且難于檢修和發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)；伴隨使用年限越長漏水隱患會(huì)越來越多。

光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)主要采用憎水性玻璃面板與主水槽、防水密封等形成屋面防排水系統(tǒng)，屋面構(gòu)造、泛水包邊、采光帶等采用模塊化組合構(gòu)成，主水槽等受力構(gòu)件采用卡扣式零穿孔連接，組件與組件(或踏板)間使用可靠的密封扣條進(jìn)行固定和密封，泛水包邊采用對焊連接，系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶有防震動(dòng)體系，可有效防止海邊高頻次風(fēng)荷載作用，有效消化伸縮變形、溫度變形。整個(gè)屋面表面的無穿孔連接技術(shù)，避免了漏水的隱患。

2.6 施工難度和速度對比

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)后置式光伏發(fā)電屋面分二期施工，施工周期長。直立鎖邊鋁鎂錳屋面板施工難度大。光伏建筑一體化屋面施工難度小，安裝速度快，工程進(jìn)度有保障。在完成支架和水槽施工后，每人每天至少安裝40平(25塊組件)，以10 000 m2主屋面為例，20人15 d左右即可完成組件安裝和屋面的整體密封工作。

2.7 屋面運(yùn)營維護(hù)對比

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)后置式光伏發(fā)電屋面在施工檢修中多次踩踏，屋面變形大，漏水隱患多，維修難度大。光伏建筑一體化屋面同步設(shè)計(jì)、施工，對屋面構(gòu)件形成保護(hù)，不造成二次施工踩踏破壞。屋面以單塊電池組件為單元模塊化(160 cm×100 cm)設(shè)計(jì)安裝，可隨意拆卸、修葺，檢修維護(hù)方便；屋面根據(jù)合理運(yùn)維半徑設(shè)置的檢修走道踏板，對屋面和組件都不造成破壞，大大保護(hù)了屋面的完整性。

3 光伏BIPV系統(tǒng)的運(yùn)用

福建三峽海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園分布式屋頂光伏項(xiàng)目屬于產(chǎn)業(yè)園智能微網(wǎng)的重要組成部分。在充分調(diào)研分析后，確定了采用光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)方案。其中，中水四局工廠屋面面積達(dá)40 560 m2，光伏組件安裝數(shù)量達(dá)16 522塊，屬國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)廠房單體面積最大的BIPV光伏工程運(yùn)用實(shí)踐。

福建三峽海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園內(nèi)采用光伏發(fā)電一體化屋面的鋼結(jié)構(gòu)廠房的面積達(dá)6.765 7萬m2(如表2所示)，其中金風(fēng)科技工廠、中車工廠、室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場已完成施工并網(wǎng)發(fā)電，中水四局工廠和東方風(fēng)電工廠正在施工開展階段。根據(jù)屋面材料造價(jià)節(jié)約164元/m2計(jì)算，產(chǎn)業(yè)園分布式屋頂光伏項(xiàng)目因采用了BIPV安裝方式，僅施工材料節(jié)約投資成本達(dá)1 109萬元。對本項(xiàng)目各項(xiàng)施工技術(shù)指標(biāo)分別進(jìn)行確認(rèn)，均達(dá)到了預(yù)期的效果。

表2 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園光伏建筑一體化屋面統(tǒng)計(jì)匯總表

需要補(bǔ)充說明，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)廠房消防設(shè)計(jì)要求，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)不能應(yīng)用于火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為甲類、乙類的建筑和儲(chǔ)存物品的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為甲類、乙類的建筑，所以福建三峽海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園內(nèi)LM葉片廠(乙類)未采用光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是造型美觀、投資節(jié)省、光伏組件壽命高、防水性能好、維修方便。基于以上分析，福建三峽海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園的光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)實(shí)際工程案例具有良好的示范性和可復(fù)制性。