光伏太阳能板钢结构厂房施工技术

文／刘春明、张双龙、刘龙飞、韩承昱 中建八局总承包公司 上海 201204

引言：

随着世界能源危机的加深和环保意识的增强,寻找更清洁便捷的替代能源已成为世界各国所面对的迫切而巨大的问题，在其中,以太阳能发电已成为最主要的可再生能源形式,是当今世界上最有前景、发展潜力最好的新兴产业。从能源供应安全与洁净利用的视角出发,当今世界上不少发达国家都将太阳能发电的商业研究与使用视为一种重大的经济发展方向。我国是个太阳能资源丰富的大国，近年来,中国太阳能工业也得到了重大进展,但中国作为能源消费大国和太阳能资源强国,和欧、日美等发达国家有着很大差异。尤其是中国太阳能综合利用技术的产业化。

1、光伏太阳能板研究现状

1.1 太阳能光伏钢结构集成体系的概念

中国的人均能源消耗量低于世界，能源消耗约占全社会能源消耗总量的28%，未来可能还会增加。受国家可再生能源政策法规的启发，北京南站双玻璃太阳能电池组件集成项目，青岛客运站太阳能电池组件集成项目（首都博物馆薄膜电池项目）。建筑节能是建筑施工中不可或缺的重要因素，形成了完整的太阳能发电结构体系。

太阳能发电综合钢结构系统的定义，钢结构太阳能发电综合系统包括大跨度空间钢结构（网格结构、梁轨结构等）和普通住宅钢结构、工业厂房轻钢结构和特殊景观钢结构（如平屋顶、墙体、幕墙、采光屋顶等）这意味着合理类型的结构连接在建筑的相应部分形成太阳能电池板布置。集成到钢结构系统或集成太阳能发电模块中，替换一些传统的钢结构构件，并将其集成到钢结构系统中，形成一定规模的太阳能发电系统。

太阳能与钢结构的结合具有独特的优势，好处：在不增加地面资源、本地设施、本地发电和互联网接入的情况下，有效降低建筑能耗。集成钢太阳能发电系统的应用形式多种多样，适用于工业装置、墙壁、屋顶和暴露在阳光下的多层高层建筑。此外，还可以形成光伏阵列系统或光伏集成系统。根据太阳能发电集成系统可以通过连接器、螺栓、焊接等容易地与钢结构部件组合，实用新型应用形式多样，易于安装，可控制和提高钢结构光伏发电系统的发电效率。

1.2 光伏电站的运行原理

目前，世界上太阳能发电厂的主流是接入太阳能电网的系统（以下简称并网模式），在并网系统中，太阳能电池的直流输出通过逆变器的控制转化为交流电，然后通过控制回路进入电网。网络连接系统可分为本地网络连接系统和集中式网络连接系统，前者的特点是太阳能发电系统产生的电能直接分配到低压电源。因为有一个单独的变电所不能直接联系到整个大电网,所以后者可以通过把富余或不足的电力直接联系到当地电网中来调节。光伏太阳能板钢结构厂房利用公开太阳能发电系统,包括整套太阳能发电系统,其特点在于,将太阳能发电系统所产生的能量直接增加或送入高压输电网,将能量均匀分布到整个电网中,再分摊给多个供电方。当内部电力负载超过了太阳能发电系统的负载,而外部供电的负载又低于了太阳能发电系统的负载,那么剩余的电能才能返回到输电网。也因此,即使在雨天,也不需设置多个太阳能发电机来最大限度地供应电能。也因此,系统技术成本低,消耗能量少。和独立供电系统一样,节能18%左右，效率可达90%以上。

1.3 太阳能光伏钢结构集成体系若干技术研究

太阳能组件与钢结构的连接与集成技术，太阳能发电一体化钢结构系统的主要技术是保证太阳能电池组件与钢结构的结合，满足结构强度、耐水性、隔热性等施工条件，以及系统的安全性、稳定性和耐久性。随后，总结了几种常见的应用单连接和合并技术。

在嵌入式系统设计中，考虑到安全性、防水性、气密性和可维护性的要求，双玻璃隐框光伏组件的设计是一个很好的结合。

多层太阳能发电系统可应用于多层钢结构墙，该安装工艺不仅适用于双层玻璃太阳能发电组件，也适用于普通标准硅太阳能电池组件。施工工艺与普通墙面装饰材料相同。它简单快速，对安装人员的技术要求不高。由于屋顶用于唤醒和照亮钢结构，钢结构可以采用光伏点或蝶形一体化钢结构体系，爪形连接器直接用于结构和钢结构构件的一体化。如图2所示，通过填充硅胶来确定太阳能电池组件左右两侧的耐水性。本组合的设计和施工要求可参考《玻璃幕墙技术规范》JGJ102-2003。在大型钢结构工业建筑的屋面卷材上，直接安装在太阳能发电板上的太阳能发电模块形状主要是一个集成太阳能发电系统。因此，太阳能组件和屋顶板的组合是一项重要的技术。通常情况下，光伏组件通过导轨连接到上板，然后使用拉锁端和中间拉保险丝固定太阳能组件和导轨。设计时，牵引锁之间的最大距离应根据太阳能电池组件的风荷载、雪荷载和其他冲击荷载确定。

图1 光伏钢结构隐框式集成系统

图2 光伏钢结构单点式集成系统

1.4 太阳能光伏钢结构集成体系设计技术

太阳能建筑物的架构设计并不能完全和传统太阳能建筑物的架构设计相结合，传统太阳能系统建筑物的支撑能力设计,主要考虑自重产生的热负荷、行走负载和风负荷。目前,中国大部分建筑物在早期建设阶段并未明确考虑太阳能发电厂所产生的建筑荷载。因为这样,后续的太阳能系统将会耗尽建筑能力的多余空间,从而大大降低了建筑物的安全系数并直接对建筑物产生损害。而克服这一问题的主要途径就是把太阳能系统和厂房施工相结合,以有效支撑建筑。钢结构与太阳能发电组件集成的关键技术是太阳能发电组件的结构、风力发电和地震力计算与检测，以及安装这些连接部件的关键节点。

根据太阳能发电模块的参考强度值，计算不同载荷条件下的试验强度，太阳能充电模块包括自重模块、自重支撑、风荷载、雪荷载和地震作用。在计算太阳能组件支架和导轨的强度试验时，考虑了自重、风荷载、雪荷载以及其他太阳能组件的组合荷载。如果需要将太阳能组件固定在屋顶和复合支架上，则必须确认组件的强度。

太阳能电池组件必须直接从地面安装在小型建筑的手动安装位置，如普通住宅和工业建筑的屋顶，这一过程主要由梯子和支架完成。在大型和高层建筑中，太阳能电池组件主要安装在起重机上，需要手动支撑。在某些情况下，太阳能电池组件由起重机提升到近似位置，安装位置的制造商从起重机上移除太阳能电池组件，将其正确放置在给定位置并安装（图3）。

图3 光伏钢结构压型钢板屋顶集成体系

为了方便施工人员的移动，在这种情况下应注意确保安装现场通道的安全。有时，施工人员被派到与起重机太阳能组件一起放置的地方，施工人员使用起重机直接安装和维修太阳能电池。

2、钢结构厂房施工技术

2.1 钢结构施工

在施工过程中，根据《建筑工程施工质量验收规范》gb50209-2002，基础必须分层密封，密封的地板应为最佳含水量。在进行大型操作或建造大型渗漏之前，应使用土壤样本，以根据强制性试验确定最佳含施工位置。钢结构太阳能电池生产车间占地面积大，层高高。研讨会最重要的结构形式是钢结构。一根钢柱用螺钉固定在一根混凝土柱上，钢管混凝土桩和钢筋混凝土桩建造在某些单独的柱下，外墙和盖板由75 厚钢板制成的钢板包围。应注意彩钢外墙板的材料要求、耐腐蚀性和防腐处理条件。由于受太阳能电池产生的酸性环境的影响，彩钢外墙下端存在弱腐蚀接缝。严格按设计条件控制板厚，适当增加板厚至板厚最低水平。支撑板和窗框之间的连接必须拧紧。

2.2 屋面光伏发电系统的建筑技术解决方案

太阳能组件位于钢铁厂屋顶的有效区域，考虑到最大年发电量，太阳能电池阵列的安装角度为12.35°，海南岛沿海12°，北部增加，渤海沿海35°，上海约25°。阵列距离必须为2.5 米（根据太阳能组件，必须避免面板之间的屏蔽）。鉴于沿海钢铁厂的冲积特性，可以防止盐雾和台风侵蚀，太阳能系统的钢涂层必须符合最高规格。

太阳能电池可以通过三种方式连接到钢结构建筑的屋顶。道路连接方式，轻型钢结构太阳能电池支架与成套设备的主钢结构牢固连接。这是太阳能和建筑之间的传统基本联系，本实用新型通过调整多晶硅太阳能电池太阳能发电组件的角度，适用于传统工业钢结构建筑的钢双层屋面、钢-混凝土组合楼板和螺旋材料屋面。这种材料通常是一小块镀锌钢模块，与建筑紧密相连，经久耐用（见图4）。

图4 轻钢结构支架安装太阳能电池组

然而，在实际应用中，太阳能与建筑物间的传统联系方法也有很大局限,如建筑自重过大,就需要兼顾太阳能发电系统荷载和风负荷。所以,在建筑中,设备的主体构件都应该保持有很大的承载空间。太阳能发电本身也是为了节约能源、环保、降低空气污染和减轻碳排放量。但是,为了太阳能发电机的支持,由于屋顶结构和太阳能产生的巨大钢材损耗,主体构件中的钢用量也必须加大。又因为钢厂本身耗费了大量燃料,这些化合物都不利于建筑环保，所以主体构件和配套太阳能发电机中用钢量的增多提高了建造成本,这也是生产的主要阻碍。另外,由于沿海地区的铁盐侵蚀现象十分强烈,钢支架防腐涂层的维修成本也一直很高。当以这种接线方式安装在环形屋顶线上时,由于其与主体结构的紧密连接，可能会导致许多新问题，并且通过多层防水辊与弱防水辊连接。线圈材料复杂，漏水风险高，单板自支撑屋顶上还需要防风雨钢防水层。

超轻型结构和硬塑料结构的太阳能电池组件的支架与车顶线圈柔性连接，目前广泛使用的卷材防水屋面施工方法的基础上，推导了太阳能电池支架卷材防水屋面的柔性连接方法、原理、安装和使用方法。

超轻型太阳能电池支架和屋顶辊之间的柔性连接基于柔性屋顶是一个柔性系统这一事实。太阳能电池的支撑部分使用铝合金、塑胶等耐光材质制成的太阳能电池支撑之后,再使用软金属连接输入线圈和专用的防水工程钉使太阳能电池的支撑与屋顶结构灵活固定。太阳能电池支撑则由紫外线降解功能的工程塑料制造,并形成了适应于太阳辐射角度的楔形排列。太阳能电池支架可采用柔性线圈连接方式和特殊建筑防水钉灵活地固定于天花板上。本实用新型的主要特征与优势为:a.太阳能电池组件与屋顶线圈支架之间通过超轻型金属或刚性塑料结构柔性相连,太阳能电池组件本体与太阳能发电机组本体的总重量荷载相当轻。这样,即可忽略屋面荷载,在较小的荷载裕度下实现屋面结构的节能。整个工厂的屋顶上没有太阳能，因此钢铁总消耗量和屋顶负荷都增加了。B.太阳的支撑和屋顶是软结构。支架本身也能有效吸收风压和变形。它是一种柔性结构，抗风性强，这反映在支架的材料消耗上。此外，它更经济、环保、更环保、二氧化碳更少，制造钢不需要很多镀锌钢和浪费能源，载体由铝合金、工程塑料等材料制成。

综上所述，支持超轻型钢结构和硬塑结构的太阳能电池是未来中小型工业建筑与太阳能一体化发展的方向。它带来了更多的施工优势、更高的材料成本和消耗、易于安装、工厂预制、工业化、低碳和环保。

2.3 社会经济效益分析

太阳能发电厂的发电机理是硅半导体材料的光电效应，项目施工所用材料主要为工程塑料、铝合金型材、结构钢、玻璃钢、聚四氟乙烯、电缆、电气控制单元、橡胶、塑料等。在施工和日常运营期间不会对施工人员或环境造成不利影响。

社会经济效益分析，开发新的替代能源是一项紧迫的战略任务，太阳能是最有希望的发展方向。目前，投入产出比已无法与传统发电厂和风力发电相比，但随着规模的不断扩大和制造技术的不断改进，硅冶炼工艺变得廉价，成本逐渐降低。另一方面，一旦《新能源议定书》签署，随着传统能源的减少和化石燃料环境成本的翻倍，价格将继续上涨。与水电、核电等非矿物能源相比，太阳能发电厂还具有促进大规模生产、处理核废料、分布灵活、易于设计和维护等优点。因此，近年来，结合国外主要工业化国家太阳能并网发电，特别是屋顶太阳能产业的快速发展，取得了巨大的经济优势。

结语：

作为一家高科技公司，技术必须是第一位的，在新技术中，技术快速转化为生产力是非常重要的。在这个信息快速增长的时代，寻找并占有运营市场的机会，是太阳能公司对项目经理的高要求。高素质人才应该是懂技术、懂管理的复合型人才，使大多数项目经理能够不断提高自己的专业技能，并希望“开发太阳能，将所有人类利益纳入自己的责任”。我们希望为太阳能公司创造更美好的未来，并逐步引入太阳能。清洁高效的能源，千家万户。