光伏建筑一体化屋顶电站的设计与施工

庄青阳

（厦门核顺能源有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

在全球能源危机日益严重的背景下，太阳能作为具有无限潜能的清洁能源，作用与战略地位越来越受到各行业的重视。为促进太阳能产业持续健康发展，加快太阳能多元化应用，推动建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，国家能源局下发了《太阳能发展“十三五”规划》。计划到2020年底，太阳能发电装机达到1.1×108kW以上，其中光伏发电装机达到1.05×108kW以上，并在“十二五”基础上每年保持稳定的发展规模。在此背景下，作为光伏发电应用领域的一个重要形式，也是建筑节能的一个重要形式，光伏建筑一体化技术正受到越来越多的关注。

1 光伏建筑一体化概念

光伏建筑一体化是将太阳能发电系统与城市建筑相结合的一种应用方式，可取代玻璃幕墙、外墙装饰建材以及屋顶瓦片等传统建筑材料，同时作为太阳能发电系统，为用户提供绿色、环保、清洁的电力，业界通常称为BIPV（Building Integrated Photovoltaic）。其中，涉及的建筑物包括各种民用建筑、公共建筑以及工业建筑等一切可以承载光伏发电系统的建筑物。根据光伏方阵或光伏电站与建筑结合的形式，光伏建筑一体化可分为两类：一类是光伏方阵与建筑的集成，如光伏幕墙、光伏瓦片等；另一类是光伏方阵与建筑的结合，如光伏方阵与钢构厂房屋面的结合形式。本文涉及的光伏一体化屋顶电站属于光伏方阵与建筑的结合形式。

2 光伏建筑一体化优点

2.1 建筑节能

光伏一体化建筑能为光伏系统提供足够的面积，不需另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构。光伏组件核心部件为半导体发电器件，工作时无机械转动部件，不产生噪声污染，对环境无污染。同时，此类建筑电力产生可自发自用，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和分电的投资和维修成本。BIPV系统发电输出期间为白天日照时段。发电系统除可以保证自身建筑用电外，一定条件下还可向电网供电，缓解高峰电力需求，具有极大的社会效益。同时，它能减少由一般化石燃料发电带来的严重空气污染，对于环保要求更高的今天和未来极为重要。由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，易于吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了室内空调冷负荷，节省了能源。

2.2 建筑外观美化

BIPV建筑中可通过相关设计将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙或屋顶结构中。这样既可防阳光直射和雨水侵蚀，又不会影响建筑物的外观效果，达到了与建筑物的完美结合。

2.3 经济效益

BIPV系统中可采用自发自用、余电上网的方式，并网接入电网，属于分布式能源的有效补充。光伏电站系统寿命及运营期长达20年以上[1]，一个会发电的建筑可提供给用户长期的经济效益。同时，本文讨论的光伏建筑一体化屋顶电站形式采用光伏阵列替代了工厂厂房屋顶彩钢瓦，其主体材料使用镀铝锌钢材和铝合金，厚度和防腐能力远远超过彩钢瓦，可确保整个电站运营期内无需更换彩钢瓦，减少了后期运营成本和换瓦的相关成本。

3 电站设计

3.1 BIPV支架系统设计

BIPV光电建筑一体化屋顶电站方案采用光伏组件作为屋面，纵向主梁作为整套系统的主支撑梁，并具有汇集雨水和导入水沟排出功能；相邻两块组件之间设有横向水槽，具有收集雨水和导入纵向主梁一起排出功能；光伏组件横向排布搭设在相邻纵向主梁上，组件采用螺栓和压块固定；纵向主梁上方设有纵向盖板，以减少雨水和灰尘的流入，避免纵向主梁内堵塞；横向水槽上方设置密封条。其中，光伏组件型号为275 W多晶硅太阳能组件，组件物理尺寸为1 650 mm×992 mm×35 mm。

3.2 电站系统设计

本文讨论的BIPV屋顶光伏电站，通过利用某实业有限公司闲置的屋顶及场地建设太阳能光伏电站，采用自发自用、余电上网接入方式，并入厂区配电网。通过将光伏组件安装在建筑物屋顶上，利用高效光伏组件将光能转化成电能，经过逆变器、箱变等电气设备，通过用户侧接入公共电网，实现光伏电力的就地消纳。电站设计中，采用精确的气象、地理数据分析，建立光伏电站建设期和运行期的投资分析模型，同时制定严格的设计和施工质量管理方案，建设高质量的分布式光伏电站。该BIPV屋顶电站运营采用合同能源管理方式，使用户在用电支出、经济效益、节能环保等方面获得良好的能源服务。

3.2.1 光伏场区

光伏场区主要涉及光伏支架及组件约3.3 mW安装方案、逆变器50 kW组串型设计及安装方案、安防监控主机设计及安装、环境监测仪安装、线槽安装及线缆敷设方案、电缆头制作安装及防火封堵工程、防雷接地系统安装、清洗供水系统安装方案。

3.2.2 开关站场区

开关站场区主要涉及设备基础施工、汇流箱设计及安装、升压箱变设计及安装、10 kV高压开关柜组合设计、交直流电源系统、通信系统、安防监控系统、后台软件监测系统、线槽和线管安装及线缆敷设方案、电缆头制作安装及防火封堵方案、接地系统安装方案设计。

3.2.3 就地及远程监控系统

光伏电站监控采用集中控制方式，采用计算机网络监控系统（NCS）、微机保护自动化装置、就地检测仪表和设备，实现全厂机电设备的数据采集与监视、控制、保护、测量、远动等全部功能，实现了少人值班。项目设一个主控制室，布置在配电室的建筑内，以大屏幕、操作员站LCD为主要监控手段完成运行监控。

4 光伏建筑一体化屋顶的施工工艺

4.1 准备工作

4.1.1 安装工作准备

BIPV支架系统安装基本工具如下[2]：

（1）套管，14 mm用于M8外六角螺栓；

（2）内六角扳手，5号，长度大于15 cm，用于M6内六角螺栓；

（3）套管2种型号：一种是13 mm，外径小于18 mm，长度大于25 mm，用于M8不锈钢外六角螺栓；一种是英制3/8，用于St6.3外六角钻尾螺丝；

（4）电动工具；

（5）5 m卷尺；

（6）万用表。

4.1.2 安全准备

施工人员进场前进行三级安全教育，技术人员应对施工人员进行施工方案交底。施工人员佩戴安全带，并将安全带扣在安全绳上。

4.2 安装步骤

4.2.1 确定屋脊中心线

放置屋脊中心线，并设置施工线（最长50 m为一段）。施工过程中，确保中心线没有偏离。

4.2.2 夹具安装

安装前先组装夹具，螺母拧进深度与螺栓头平齐即可，并根据夹具位置图在主梁上划线，固定夹具；应先把左右夹具用M6内六角螺丝组装好，螺母拧到与螺栓齐平刚好。

4.2.3 支座安装

确定主梁的位置，根据原厂房钢檩条位置确定支座的横担应安装的螺丝孔位置，并固定横担；根据原屋面檩条间距和数量，在相应的位置固定相同数量的横担。固定完横担后翻过主梁，并在横担下放置支座，用钻尾螺丝固定至原屋面钢檩条；对支座四周和钻尾螺丝孔用硅酮密封胶固定，防止在固定支座施工过程中，组件、水槽、未来施工造成屋面漏水，起到双重保护作用。

4.2.4 主梁固定

第一根主梁固定尤为重要，确保主梁与屋脊中心线垂直。确定好位置后，用钻尾螺丝将支座固定在原屋面檩条上，并用标尺依次确定主梁位置；标尺的长度确定原则是根据相邻主梁间安装组件或踏板的长度加7 mm[3]，如组件长度为1 650 mm，则标尺长为1 657 mm，注意标尺靠住相邻主梁的夹具边缘内侧。

4.2.5 主梁拼接

因屋面长度不同，可能部分屋面需要对接两根主梁。在铝合金接头里打两道硅酮密封胶插入对接两根主梁的两端，每根接头一端用6颗铆钉铆接（每个接头12颗铆钉），相邻两颗铆钉间距大于50 mm。铆接完成后清理主梁内铁削和杂物，并对拼接缝涂抹硅酮密封胶且抹平，然后再粘上丁基防水胶带，并在丁基防水带两端用硅酮密封胶抹平，从而形成三道防水效果。

4.2.6 组件安装

沿着屋脊中下线铺设屋脊，并在下方设置水槽，水槽扣住屋脊，确保屋脊安装成直线。依次铺设组件、水槽，并在相邻组件之间空隙内安装密封条，用压块固定相邻组件。

5 结 论

光伏建筑一体化技术作为建筑节能的一个重要的形式，也是分布式光伏电站中的一种重要运用形式。光伏建筑一体化屋顶电站不仅结构外观上具有建筑美化的功能，而且作为一种分布式新能源电站，更具备良好的绿色节能、环保等社会经济效益。本文涉及的光伏建筑一体化屋顶电站项目已入选国家工信部智能光伏示范项目名录。此类项目的工程建设需要各专业各工种相互配合，是一个综合性的系统工程。只有从工程踏勘、电气及结构设计、系统设计、智能监控设计、施工、设备材料制造及专业化的运行管理上都进行严格的管理及实施，才能顺利实现电站的建设任务，为用户提供良好的能源服务，助推国家对分布式光伏电站及新能源发展的规划。