莊青陽(yáng)

（廈門(mén)核順能源有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引 言

在全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下，太陽(yáng)能作為具有無(wú)限潛能的清潔能源，作用與戰(zhàn)略地位越來(lái)越受到各行業(yè)的重視。為促進(jìn)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，加快太陽(yáng)能多元化應(yīng)用，推動(dòng)建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，國(guó)家能源局下發(fā)了《太陽(yáng)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。計(jì)劃到2020年底，太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.1×108kW以上，其中光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.05×108kW以上，并在“十二五”基礎(chǔ)上每年保持穩(wěn)定的發(fā)展規(guī)模。在此背景下，作為光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要形式，也是建筑節(jié)能的一個(gè)重要形式，光伏建筑一體化技術(shù)正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

1 光伏建筑一體化概念

光伏建筑一體化是將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與城市建筑相結(jié)合的一種應(yīng)用方式，可取代玻璃幕墻、外墻裝飾建材以及屋頂瓦片等傳統(tǒng)建筑材料，同時(shí)作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，為用戶提供綠色、環(huán)保、清潔的電力，業(yè)界通常稱為BIPV（Building Integrated Photovoltaic）。其中，涉及的建筑物包括各種民用建筑、公共建筑以及工業(yè)建筑等一切可以承載光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑物。根據(jù)光伏方陣或光伏電站與建筑結(jié)合的形式，光伏建筑一體化可分為兩類：一類是光伏方陣與建筑的集成，如光伏幕墻、光伏瓦片等；另一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合，如光伏方陣與鋼構(gòu)廠房屋面的結(jié)合形式。本文涉及的光伏一體化屋頂電站屬于光伏方陣與建筑的結(jié)合形式。

2 光伏建筑一體化優(yōu)點(diǎn)

2.1 建筑節(jié)能

光伏一體化建筑能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需另占土地，還能省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)。光伏組件核心部件為半導(dǎo)體發(fā)電器件，工作時(shí)無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪聲污染，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。同時(shí)，此類建筑電力產(chǎn)生可自發(fā)自用，減少了電力輸送過(guò)程的費(fèi)用和能耗，降低了輸電和分電的投資和維修成本。BIPV系統(tǒng)發(fā)電輸出期間為白天日照時(shí)段。發(fā)電系統(tǒng)除可以保證自身建筑用電外，一定條件下還可向電網(wǎng)供電，緩解高峰電力需求，具有極大的社會(huì)效益。同時(shí)，它能減少由一般化石燃料發(fā)電帶來(lái)的嚴(yán)重空氣污染，對(duì)于環(huán)保要求更高的今天和未來(lái)極為重要。由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，易于吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，節(jié)省了能源。

2.2 建筑外觀美化

BIPV建筑中可通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻或屋頂結(jié)構(gòu)中。這樣既可防陽(yáng)光直射和雨水侵蝕，又不會(huì)影響建筑物的外觀效果，達(dá)到了與建筑物的完美結(jié)合。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

BIPV系統(tǒng)中可采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的方式，并網(wǎng)接入電網(wǎng)，屬于分布式能源的有效補(bǔ)充。光伏電站系統(tǒng)壽命及運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)達(dá)20年以上[1]，一個(gè)會(huì)發(fā)電的建筑可提供給用戶長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，本文討論的光伏建筑一體化屋頂電站形式采用光伏陣列替代了工廠廠房屋頂彩鋼瓦，其主體材料使用鍍鋁鋅鋼材和鋁合金，厚度和防腐能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)彩鋼瓦，可確保整個(gè)電站運(yùn)營(yíng)期內(nèi)無(wú)需更換彩鋼瓦，減少了后期運(yùn)營(yíng)成本和換瓦的相關(guān)成本。

3 電站設(shè)計(jì)

3.1 BIPV支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BIPV光電建筑一體化屋頂電站方案采用光伏組件作為屋面，縱向主梁作為整套系統(tǒng)的主支撐梁，并具有匯集雨水和導(dǎo)入水溝排出功能；相鄰兩塊組件之間設(shè)有橫向水槽，具有收集雨水和導(dǎo)入縱向主梁一起排出功能；光伏組件橫向排布搭設(shè)在相鄰縱向主梁上，組件采用螺栓和壓塊固定；縱向主梁上方設(shè)有縱向蓋板，以減少雨水和灰塵的流入，避免縱向主梁內(nèi)堵塞；橫向水槽上方設(shè)置密封條。其中，光伏組件型號(hào)為275 W多晶硅太陽(yáng)能組件，組件物理尺寸為1 650 mm×992 mm×35 mm。

3.2 電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文討論的BIPV屋頂光伏電站，通過(guò)利用某實(shí)業(yè)有限公司閑置的屋頂及場(chǎng)地建設(shè)太陽(yáng)能光伏電站，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)接入方式，并入廠區(qū)配電網(wǎng)。通過(guò)將光伏組件安裝在建筑物屋頂上，利用高效光伏組件將光能轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)過(guò)逆變器、箱變等電氣設(shè)備，通過(guò)用戶側(cè)接入公共電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏電力的就地消納。電站設(shè)計(jì)中，采用精確的氣象、地理數(shù)據(jù)分析，建立光伏電站建設(shè)期和運(yùn)行期的投資分析模型，同時(shí)制定嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量管理方案，建設(shè)高質(zhì)量的分布式光伏電站。該BIPV屋頂電站運(yùn)營(yíng)采用合同能源管理方式，使用戶在用電支出、經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能環(huán)保等方面獲得良好的能源服務(wù)。

3.2.1 光伏場(chǎng)區(qū)

光伏場(chǎng)區(qū)主要涉及光伏支架及組件約3.3 mW安裝方案、逆變器50 kW組串型設(shè)計(jì)及安裝方案、安防監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)及安裝、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀安裝、線槽安裝及線纜敷設(shè)方案、電纜頭制作安裝及防火封堵工程、防雷接地系統(tǒng)安裝、清洗供水系統(tǒng)安裝方案。

3.2.2 開(kāi)關(guān)站場(chǎng)區(qū)

開(kāi)關(guān)站場(chǎng)區(qū)主要涉及設(shè)備基礎(chǔ)施工、匯流箱設(shè)計(jì)及安裝、升壓箱變?cè)O(shè)計(jì)及安裝、10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜組合設(shè)計(jì)、交直流電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、后臺(tái)軟件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、線槽和線管安裝及線纜敷設(shè)方案、電纜頭制作安裝及防火封堵方案、接地系統(tǒng)安裝方案設(shè)計(jì)。

3.2.3 就地及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

光伏電站監(jiān)控采用集中控制方式，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)（NCS）、微機(jī)保護(hù)自動(dòng)化裝置、就地檢測(cè)儀表和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、控制、保護(hù)、測(cè)量、遠(yuǎn)動(dòng)等全部功能，實(shí)現(xiàn)了少人值班。項(xiàng)目設(shè)一個(gè)主控制室，布置在配電室的建筑內(nèi)，以大屏幕、操作員站LCD為主要監(jiān)控手段完成運(yùn)行監(jiān)控。

4 光伏建筑一體化屋頂?shù)氖┕すに?/h2>

4.1 準(zhǔn)備工作

4.1.1 安裝工作準(zhǔn)備

BIPV支架系統(tǒng)安裝基本工具如下[2]：

（1）套管，14 mm用于M8外六角螺栓；

（2）內(nèi)六角扳手，5號(hào)，長(zhǎng)度大于15 cm，用于M6內(nèi)六角螺栓；

（3）套管2種型號(hào)：一種是13 mm，外徑小于18 mm，長(zhǎng)度大于25 mm，用于M8不銹鋼外六角螺栓；一種是英制3/8，用于St6.3外六角鉆尾螺絲；

（4）電動(dòng)工具；

（5）5 m卷尺；

（6）萬(wàn)用表。

4.1.2 安全準(zhǔn)備

施工人員進(jìn)場(chǎng)前進(jìn)行三級(jí)安全教育，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)施工人員進(jìn)行施工方案交底。施工人員佩戴安全帶，并將安全帶扣在安全繩上。

4.2 安裝步驟

4.2.1 確定屋脊中心線

放置屋脊中心線，并設(shè)置施工線（最長(zhǎng)50 m為一段）。施工過(guò)程中，確保中心線沒(méi)有偏離。

4.2.2 夾具安裝

安裝前先組裝夾具，螺母擰進(jìn)深度與螺栓頭平齊即可，并根據(jù)夾具位置圖在主梁上劃線，固定夾具；應(yīng)先把左右?jiàn)A具用M6內(nèi)六角螺絲組裝好，螺母擰到與螺栓齊平剛好。

4.2.3 支座安裝

確定主梁的位置，根據(jù)原廠房鋼檁條位置確定支座的橫擔(dān)應(yīng)安裝的螺絲孔位置，并固定橫擔(dān)；根據(jù)原屋面檁條間距和數(shù)量，在相應(yīng)的位置固定相同數(shù)量的橫擔(dān)。固定完橫擔(dān)后翻過(guò)主梁，并在橫擔(dān)下放置支座，用鉆尾螺絲固定至原屋面鋼檁條；對(duì)支座四周和鉆尾螺絲孔用硅酮密封膠固定，防止在固定支座施工過(guò)程中，組件、水槽、未來(lái)施工造成屋面漏水，起到雙重保護(hù)作用。

4.2.4 主梁固定

第一根主梁固定尤為重要，確保主梁與屋脊中心線垂直。確定好位置后，用鉆尾螺絲將支座固定在原屋面檁條上，并用標(biāo)尺依次確定主梁位置；標(biāo)尺的長(zhǎng)度確定原則是根據(jù)相鄰主梁間安裝組件或踏板的長(zhǎng)度加7 mm[3]，如組件長(zhǎng)度為1 650 mm，則標(biāo)尺長(zhǎng)為1 657 mm，注意標(biāo)尺靠住相鄰主梁的夾具邊緣內(nèi)側(cè)。

4.2.5 主梁拼接

因屋面長(zhǎng)度不同，可能部分屋面需要對(duì)接兩根主梁。在鋁合金接頭里打兩道硅酮密封膠插入對(duì)接兩根主梁的兩端，每根接頭一端用6顆鉚釘鉚接（每個(gè)接頭12顆鉚釘），相鄰兩顆鉚釘間距大于50 mm。鉚接完成后清理主梁內(nèi)鐵削和雜物，并對(duì)拼接縫涂抹硅酮密封膠且抹平，然后再粘上丁基防水膠帶，并在丁基防水帶兩端用硅酮密封膠抹平，從而形成三道防水效果。

4.2.6 組件安裝

沿著屋脊中下線鋪設(shè)屋脊，并在下方設(shè)置水槽，水槽扣住屋脊，確保屋脊安裝成直線。依次鋪設(shè)組件、水槽，并在相鄰組件之間空隙內(nèi)安裝密封條，用壓塊固定相鄰組件。

5 結(jié) 論

光伏建筑一體化技術(shù)作為建筑節(jié)能的一個(gè)重要的形式，也是分布式光伏電站中的一種重要運(yùn)用形式。光伏建筑一體化屋頂電站不僅結(jié)構(gòu)外觀上具有建筑美化的功能，而且作為一種分布式新能源電站，更具備良好的綠色節(jié)能、環(huán)保等社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文涉及的光伏建筑一體化屋頂電站項(xiàng)目已入選國(guó)家工信部智能光伏示范項(xiàng)目名錄。此類項(xiàng)目的工程建設(shè)需要各專業(yè)各工種相互配合，是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程。只有從工程踏勘、電氣及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能監(jiān)控設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備材料制造及專業(yè)化的運(yùn)行管理上都進(jìn)行嚴(yán)格的管理及實(shí)施，才能順利實(shí)現(xiàn)電站的建設(shè)任務(wù)，為用戶提供良好的能源服務(wù)，助推國(guó)家對(duì)分布式光伏電站及新能源發(fā)展的規(guī)劃。