光伏建筑一體化屋頂電站的設計與施工

莊青陽

（廈門核順能源有限公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

在全球能源危機日益嚴重的背景下，太陽能作為具有無限潛能的清潔能源，作用與戰略地位越來越受到各行業的重視。為促進太陽能產業持續健康發展，加快太陽能多元化應用，推動建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系，國家能源局下發了《太陽能發展“十三五”規劃》。計劃到2020年底，太陽能發電裝機達到1.1×108kW以上，其中光伏發電裝機達到1.05×108kW以上，并在“十二五”基礎上每年保持穩定的發展規模。在此背景下，作為光伏發電應用領域的一個重要形式，也是建筑節能的一個重要形式，光伏建筑一體化技術正受到越來越多的關注。

1 光伏建筑一體化概念

光伏建筑一體化是將太陽能發電系統與城市建筑相結合的一種應用方式，可取代玻璃幕墻、外墻裝飾建材以及屋頂瓦片等傳統建筑材料，同時作為太陽能發電系統，為用戶提供綠色、環保、清潔的電力，業界通常稱為BIPV（Building Integrated Photovoltaic）。其中，涉及的建筑物包括各種民用建筑、公共建筑以及工業建筑等一切可以承載光伏發電系統的建筑物。根據光伏方陣或光伏電站與建筑結合的形式，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合，如光伏方陣與鋼構廠房屋面的結合形式。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合形式。

2 光伏建筑一體化優點

2.1 建筑節能

光伏一體化建筑能為光伏系統提供足夠的面積，不需另占土地，還能省去光伏系統的支撐結構。光伏組件核心部件為半導體發電器件，工作時無機械轉動部件，不產生噪聲污染，對環境無污染。同時，此類建筑電力產生可自發自用，減少了電力輸送過程的費用和能耗，降低了輸電和分電的投資和維修成本。BIPV系統發電輸出期間為白天日照時段。發電系統除可以保證自身建筑用電外，一定條件下還可向電網供電，緩解高峰電力需求，具有極大的社會效益。同時，它能減少由一般化石燃料發電帶來的嚴重空氣污染，對于環保要求更高的今天和未來極為重要。由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護結構上，易于吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了室內空調冷負荷，節省了能源。

2.2 建筑外觀美化

BIPV建筑中可通過相關設計將接線盒、旁路二極管、連接線等隱藏在幕墻或屋頂結構中。這樣既可防陽光直射和雨水侵蝕，又不會影響建筑物的外觀效果，達到了與建筑物的完美結合。

2.3 經濟效益

BIPV系統中可采用自發自用、余電上網的方式，并網接入電網，屬于分布式能源的有效補充。光伏電站系統壽命及運營期長達20年以上[1]，一個會發電的建筑可提供給用戶長期的經濟效益。同時，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，厚度和防腐能力遠遠超過彩鋼瓦，可確保整個電站運營期內無需更換彩鋼瓦，減少了后期運營成本和換瓦的相關成本。

3 電站設計

3.1 BIPV支架系統設計

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的主支撐梁，并具有匯集雨水和導入水溝排出功能；相鄰兩塊組件之間設有橫向水槽，具有收集雨水和導入縱向主梁一起排出功能；光伏組件橫向排布搭設在相鄰縱向主梁上，組件采用螺栓和壓塊固定；縱向主梁上方設有縱向蓋板，以減少雨水和灰塵的流入，避免縱向主梁內堵塞；橫向水槽上方設置密封條。其中，光伏組件型號為275 W多晶硅太陽能組件，組件物理尺寸為1 650 mm×992 mm×35 mm。

3.2 電站系統設計

本文討論的BIPV屋頂光伏電站，通過利用某實業有限公司閑置的屋頂及場地建設太陽能光伏電站，采用自發自用、余電上網接入方式，并入廠區配電網。通過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化成電能，經過逆變器、箱變等電氣設備，通過用戶側接入公共電網，實現光伏電力的就地消納。電站設計中，采用精確的氣象、地理數據分析，建立光伏電站建設期和運行期的投資分析模型，同時制定嚴格的設計和施工質量管理方案，建設高質量的分布式光伏電站。該BIPV屋頂電站運營采用合同能源管理方式，使用戶在用電支出、經濟效益、節能環保等方面獲得良好的能源服務。

3.2.1 光伏場區

光伏場區主要涉及光伏支架及組件約3.3 mW安裝方案、逆變器50 kW組串型設計及安裝方案、安防監控主機設計及安裝、環境監測儀安裝、線槽安裝及線纜敷設方案、電纜頭制作安裝及防火封堵工程、防雷接地系統安裝、清洗供水系統安裝方案。

3.2.2 開關站場區

開關站場區主要涉及設備基礎施工、匯流箱設計及安裝、升壓箱變設計及安裝、10 kV高壓開關柜組合設計、交直流電源系統、通信系統、安防監控系統、后臺軟件監測系統、線槽和線管安裝及線纜敷設方案、電纜頭制作安裝及防火封堵方案、接地系統安裝方案設計。

3.2.3 就地及遠程監控系統

光伏電站監控采用集中控制方式，采用計算機網絡監控系統（NCS）、微機保護自動化裝置、就地檢測儀表和設備，實現全廠機電設備的數據采集與監視、控制、保護、測量、遠動等全部功能，實現了少人值班。項目設一個主控制室，布置在配電室的建筑內，以大屏幕、操作員站LCD為主要監控手段完成運行監控。

4 光伏建筑一體化屋頂的施工工藝

4.1 準備工作

4.1.1 安裝工作準備

BIPV支架系統安裝基本工具如下[2]：

（1）套管，14 mm用于M8外六角螺栓；

（2）內六角扳手，5號，長度大于15 cm，用于M6內六角螺栓；

（3）套管2種型號：一種是13 mm，外徑小于18 mm，長度大于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）電動工具；

（5）5 m卷尺；

（6）萬用表。

4.1.2 安全準備

施工人員進場前進行三級安全教育，技術人員應對施工人員進行施工方案交底。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，并設置施工線（最長50 m為一段）。施工過程中，確保中心線沒有偏離。

4.2.2 夾具安裝

安裝前先組裝夾具，螺母擰進深度與螺栓頭平齊即可，并根據夾具位置圖在主梁上劃線，固定夾具；應先把左右夾具用M6內六角螺絲組裝好，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，根據原廠房鋼檁條位置確定支座的橫擔應安裝的螺絲孔位置，并固定橫擔；根據原屋面檁條間距和數量，在相應的位置固定相同數量的橫擔。固定完橫擔后翻過主梁，并在橫擔下放置支座，用鉆尾螺絲固定至原屋面鋼檁條；對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程中，組件、水槽、未來施工造成屋面漏水，起到雙重保護作用。

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，并用標尺依次確定主梁位置；標尺的長度確定原則是根據相鄰主梁間安裝組件或踏板的長度加7 mm[3]，如組件長度為1 650 mm，則標尺長為1 657 mm，注意標尺靠住相鄰主梁的夾具邊緣內側。

4.2.5 主梁拼接

因屋面長度不同，可能部分屋面需要對接兩根主梁。在鋁合金接頭里打兩道硅酮密封膠插入對接兩根主梁的兩端，每根接頭一端用6顆鉚釘鉚接（每個接頭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鐵削和雜物，并對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屋脊，并在下方設置水槽，水槽扣住屋脊，確保屋脊安裝成直線。依次鋪設組件、水槽，并在相鄰組件之間空隙內安裝密封條，用壓塊固定相鄰組件。

5 結 論

光伏建筑一體化技術作為建筑節能的一個重要的形式，也是分布式光伏電站中的一種重要運用形式。光伏建筑一體化屋頂電站不僅結構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能、環保等社會經濟效益。本文涉及的光伏建筑一體化屋頂電站項目已入選國家工信部智能光伏示范項目名錄。此類項目的工程建設需要各專業各工種相互配合，是一個綜合性的系統工程。只有從工程踏勘、電氣及結構設計、系統設計、智能監控設計、施工、設備材料制造及專業化的運行管理上都進行嚴格的管理及實施，才能順利實現電站的建設任務，為用戶提供良好的能源服務，助推國家對分布式光伏電站及新能源發展的規劃。