太阳能光伏发电指利用光伏效应将投射到光伏组件上的太阳能转化为电能, 因其具有安装维护简便、使用过程无污染、清洁环保及易与建筑结合等优点, 已得到大规模推广应用。光伏电站对建站环境、地理位置、方位朝向、气候条件要求较高, 适用于建造地面光伏电站的土地资源日趋紧张, 工业厂房屋面是建造分布式电站的最佳选择。

屋面光伏电站包括光伏建筑一体化 (building integrated photovoltaic, BIPV) 和建筑光伏 (building attached photovoltaic, BAPV) 2种模式。BIPV指集成到建筑物上的光伏发电系统, 承担建筑物的基本使用功能, 不仅是发电系统, 同时也是建筑结构的一部分;BAPV指在既有建筑物结构上安装光伏发电系统, 在屋面以方阵为单位铺设太阳能光伏组件, 仅具备发电功能。目前国内大部分屋面光伏电站均采用BAPV模式, BAPV, BIPV模式综合对比如表1所示。

通过对BAPV, BIPV进行对比分析可知, BIPV模式是未来屋面光伏电站的发展趋势, 为充分利用已建成的大面积工业厂房资源, 本文介绍一种适用于已建厂房的光伏建筑一体化施工技术。主要施工流程为:直接拆除钢制屋面层→在檩条上安装专用支架→在支架上铺设太阳能光伏组件→形成完整屋面光伏体系。

在屋面安装光伏系统应对建筑物构造及强度进行计算, 既要确保建筑物承载力符合要求^[1], 又要保证屋面系统的使用功能 (抗风、防水、建筑造型等) , 同时应能有效实现光伏组件效能^[2]。

太阳能光伏组件通过铝合金压块用不锈钢自攻螺钉固定在铝合金W形水槽支架上, 水槽支架通过不锈钢自攻螺钉固定在屋面檩条上, 形成明确的受力路径, 即太阳能光伏电站载荷→光伏支架→檩条→结构梁→结构柱→房屋基础。BIPV基本结构如图1所示。

W形水槽支架除作为光伏组件支撑结构外, W形结构设计也使其具有良好的排水功能。屋面排水主要包括2种方式: (1) 光伏组件由于具有一定的安装坡度, 雨水通过组件外表面直接流入天沟, 以此为主要排水方式; (2) 组件间拼装缝隙渗入的雨水通过横向水槽排入水槽支架内, 利用支架坡度将水排入天沟。

光伏支架是支撑和固定太阳能光伏组件的基础, 支架稳固性直接影响整个屋面的安全使用功能, 因此支架必须具有良好的刚度、强度、抗腐蚀性及排水性能, 且便于安装, 如图2所示。

W形水槽支架厚3mm (局部厚4mm) , 由6061-T6铝合金型材挤压而成, 强度较高, 抗拉强度200N/mm²、抗剪强度115N/mm²、弹性模量27 000N/mm²、密度2 700kg/m^3[3];自重较轻, 可有效降低屋面载荷;可焊接性好, 支架长度可根据现场实际需要通过焊接方式延长。

光伏组件间存在拼装缝隙, 常规处理方法是在缝隙内注入密封胶, 存在以下缺点: (1) 不便于光伏组件检修; (2) 密封胶易老化, 不易更换; (3) 热胀冷缩易破坏密封结构, 造成漏水。为避免组件拼装缝隙渗水, 采用横向水槽, 如图3所示。

横向水槽厚3mm, 由6061-T6铝合金型材加工而成, 安装在光伏组件拼装缝隙下方, 组件边框可置于卡槽内, 水槽两端安装在W形水槽支架上。组件缝隙内雨水可通过水槽流入支架。横向水槽除具有排水作用外, 还有助于固定组件、加强光伏组件边框承载力, 并可约束因坡度及重力原因造成的组件下滑。

双屋面屋脊盖板在结构上必须保证屋面整体排水能力, 同时要求盖板具有良好的刚度和强度, 能平衡两侧屋面光伏组件的拉力, 如图4所示。

屋脊盖板厚2mm, 采用镀锌钢板或铝合金材料加工成型, 可根据现场情况焊接延长。屋脊盖板通过横向水槽与光伏组件连接, 可使盖板与组件间存在良好的受力性能, 保证结构稳定。

紧固结构包括不锈钢自攻螺钉、橡胶垫、压块等。橡胶垫下部设有凹槽, 尺寸与W形水槽支架配套, 橡胶垫顶部两侧设置平台阶。安装时凹槽固定在水槽支架上, 可防止橡胶垫移动。平台阶放置光伏组件。橡胶垫具有一定弹性, 可避免因挤压造成组件边框损伤。

压块由铝合金挤压成型, 与橡胶垫配套使用, 通过压块将自攻螺钉钉入水槽支架, 确保压块及橡胶垫有效固定太阳能光伏组件, 如图5所示。

为确保光伏组件安装稳固, 每块组件设置2～3套紧固装置。

1) 在进行结构设计前, 必须对屋面钢结构进行承载力核算, 确保钢结构厂房满足受力要求。

2) 测量放线是太阳能光伏建筑一体化施工关键环节。常用定位方法是以屋脊立柱或横梁中心线为基准, 设置若干条垂直屋脊中心线的定位线。施工时需及时对定位线进行保护。为避免累计误差过大影响安装质量, 通常每安装10排组件需对定位线进行1次校核。

3) 屋面彩钢瓦的拆除必须与组件安装方向一致, 且应同步施工。常规做法为每次仅拆除1块组件尺寸的宽度, 并将拆除的彩钢瓦叠铺在未拆部分顶部, 作为施工平台。当本排组件安装完毕后, 按此顺序沿施工方向依次拆除。

4) W形水槽支架是光伏组件安装的基础, 应严格按照定位线安装, 确保其与屋脊垂直, 支架间距设置应根据太阳能光伏组件、压块尺寸确定。

5) 屋脊盖板除具有密封屋脊两侧光伏组件接口空隙功能外, 还可利用自身结构平衡两侧屋面光伏组件的拉力。安装时, 水槽支架伸入屋脊盖板内的长度≥100mm。

6) 组件必须在屋脊两侧自上而下对称安装, 同步安装屋脊盖板, 防止组件微量下滑造成屋脊盖板不平直, 影响外观及防水功能。组件间应贴合, 尽可能减小缝隙, 保证组件安装横平竖直。

7) 在进行屋面光伏电站设计时, 必须充分考虑防雷接地问题。一般利用原有建筑防雷接地系统, 将光伏方阵需接地的设施通过镀锌扁铁或接地线连接到现有防雷接地网上, 确保光伏系统所有金属支架、金属边框、电器设备外壳及电缆铠装层均可靠接地, 总接地电阻≤4Ω^[4]。

8) 光伏电缆敷设在光伏组件下方的桥架内, 为避免线路混淆, 敷设前应在光伏串线两侧标记正、负极及组串编号。每个组串连接完毕后, 应对开路电压和短路电流进行测试^[5]。

某屋面分布式光伏发电项目装机容量20MWp, 由7.5万片多晶硅太阳能光伏组件组成, 建筑面积约20万m²。该项目位于杭州湾, 全年多大风, 夏秋多台风, 年平均降水量>1 500mm。地处沿海, 钢结构腐蚀严重。据统计, 该厂房自建成以来, 每6年需更换1次彩钢瓦屋面。如采用传统的屋面光伏电站安装技术, 在更换彩钢瓦时需将光伏电站全部拆除, 且锈蚀的屋面不利于光伏电站日常运维。经多方案对比分析, 最终选用本文所述施工技术。目前该项目已并网发电, 历经多次台风及暴雨考验, 屋面未出现结构受损及漏水情况 (见图6) 。本技术已在多个项目中推广使用, 其良好的结构性能及简便的安装方式获得各方一致好评。

光伏建筑一体化技术体现清洁绿色的理念, 为城市电力供应提供选择和保障。同时, 光伏组件代替传统的彩钢瓦屋面, 可保证厂房的使用功能, 具有很大的应用价值。