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為了盡快實現(xiàn)我國提出的“碳達峰”“碳中和”目標，作為可再生能源的代表，太陽能日益受到業(yè)界的重視。在此背景之下，將光伏發(fā)電與建筑結(jié)合的光電建筑再一次引起業(yè)界的關注，光電建筑成為建筑業(yè)界應對“碳達峰”“碳中和”的有力武器。

光電建筑包括光伏建筑一體化 (building integrated photovoltaic，BIPV) 和光伏附著建筑(building attached photovoltaic，BAPV) 2 種形式，其可以很好地解決建筑節(jié)能的問題。由于建筑用電負荷占全社會用電負荷的大部分比例，因此可將建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，或在建筑上安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏所發(fā)電力可以即發(fā)即用，從而可以大幅減少由于光伏發(fā)電輸出不穩(wěn)定導致的長距離輸送難這一問題。在光伏行業(yè)發(fā)展的幾十年間，一些先行企業(yè)在光電建筑領域進行了產(chǎn)品開發(fā)，并且已建成了一系列光電建筑示范工程。

在光電建筑發(fā)展初期，在工業(yè)廠房屋面附加安裝光伏組件的 BAPV 形式占據(jù)主流。由于工業(yè)廠房多采用門式剛架結(jié)構體系，因此，此類建筑在安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)之后，若不對屋面結(jié)構進行加固，會占用屋面原來的荷載余量，導致安全隱患的增加；同時由于此形式下屋面結(jié)構與光伏組件之間的連接方式是采用夾具方式連接，使連接可靠性存在一定的風險。另一方面，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工過程中，若施工不規(guī)范會導致屋面的防水層被破壞，而常規(guī)光伏組件的背板采用的都是復合材料，燃燒性能難以滿足屋面的防火要求，因此也存在安全隱患 [1]。綜上，隨著光電建筑行業(yè)的發(fā)展，針對工業(yè)廠房的需求也出現(xiàn)了一些新型 BIPV 方案，比如利用常規(guī)光伏組件來實現(xiàn)對工業(yè)廠房屋面的代替，但這些方案依然未徹底解決防水、保溫、隔熱等建筑的基本需求。

光電建筑對于光伏產(chǎn)品的需求，除了追求高的發(fā)電效率以外，還追求光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑的有機結(jié)合，因此需要開發(fā)與建筑構件、建筑材料、光伏發(fā)電系統(tǒng)構造配套的光電建筑構件及光電建筑材料，并需要制定與光電建筑材料、施工和交付相關的工業(yè)化、標準化安裝工藝，而不是簡單的將應用于常規(guī)地面光伏電站的光伏組件通過優(yōu)化連接結(jié)構的方式應用在建筑上。因此，業(yè)界需要一種建材化的光伏產(chǎn)品，既擁有基本的建材屬性，同時也具有高效的發(fā)電能力。

本文通過分析光電建筑在工業(yè)廠房領域應用的基本需求，以光電建筑應滿足工業(yè)建筑的基本需求為基礎，提出了一種應用于工業(yè)廠房的新型光電建筑屋面結(jié)構，并對此新型光電建筑屋面結(jié)構的特點及施工工藝進行了詳細介紹。

1 應用于工業(yè)廠房的新型光電建筑屋面結(jié)構的構造介紹

光伏發(fā)電技術在建筑圍護結(jié)構、建筑構件和建筑材料中的應用及其在建筑物中不同的安裝位置，可使光電建筑形成獨特的視覺語言，具有多樣化的特點。因此在功能、形式與經(jīng)濟性達到平衡的基礎上，可針對不同的應用場合選擇不同的光伏建材表現(xiàn)形式。

工業(yè)廠房需要滿足堅固、耐用的要求，由于其主要服務于工業(yè)生產(chǎn)，因此對電力的需求較大，對供電穩(wěn)定性的要求更高；而對于建筑自身而言，其需要滿足防水可靠性高、保溫隔熱性好、維護簡單易行，且屋面材料必須具有一定的阻燃性等基本需求。綜合上述要求，應用于工業(yè)廠房場景的光電建筑解決方案不僅需要滿足建筑的基本功能，而且還需要擁有較高的發(fā)電效率，此外還需要滿足建材的功能。

基于上述基本需求，西安隆基新能源有限公司經(jīng)過潛心研發(fā)，開發(fā)出一款專門應用于工業(yè)廠房場景的光電建筑解決方案，即新型光電建筑屋面結(jié)構——隆頂系統(tǒng)。隆頂系統(tǒng)的構造如圖1所示。


這一應用于門式剛架結(jié)構的工業(yè)廠房的光電建筑解決方案結(jié)合了建筑產(chǎn)品的使用功能與光伏產(chǎn)品的發(fā)電特性，可直接作為工業(yè)廠房屋面的建材使用，是一種集安全、美觀、輕量化、易安裝、高投資收益于一身的新能源建材發(fā)電解決方案。

隆頂系統(tǒng)可與現(xiàn)有的金屬圍護結(jié)構匹配，可以直接用其更換掉現(xiàn)有屋面或是在新建廠房時直接采用這種新型屋面結(jié)構，實現(xiàn)新建廠房屋面及存量廠房屋面的完全替代；且該新型屋面結(jié)構不需要額外的支架，可減少投資成本。隆頂系統(tǒng)在屋面應用時的構造與傳統(tǒng)的門式剛架結(jié)構在屋面應用時的構造相同，隆頂系統(tǒng)的屋面構造層從上往下依次為光伏組件、壓型鋼板、可滑移支座、保溫棉、檁條等，且節(jié)點體系與傳統(tǒng)的采用門式剛架結(jié)構的屋面結(jié)構體系完全兼容，可以完美兼容建筑的天溝節(jié)點、屋脊節(jié)點、女兒墻節(jié)點、采光帶節(jié)點等，因此在屋面構造的施工工藝上沿用了成熟的金屬圍護結(jié)構的施工工藝，具有高標準化、高兼容性的特點。

2 隆頂系統(tǒng)的性能特點

隆頂系統(tǒng)安裝與廠房施工采用一體化設計，除了施工、安裝快速便捷外，還可以節(jié)省廠房建設初期屋面的施工成本。屋面外板采用上下、左右結(jié)構搭接，可靠地解決了屋面漏水問題；隆頂系統(tǒng)達到 GB 8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》中 A 級不燃保溫材料的標準，堅固且安全防火，完全符合建筑材料的標準。下文從安全可靠、高效防水、通風散熱、優(yōu)化設計 4 個方面對隆頂系統(tǒng)的性能特點進行詳細介紹。

2.1 安全可靠

隆頂系統(tǒng)通過硅酮結(jié)構膠實現(xiàn)了雙玻光伏組件與屋面外板之間的粘接復合，從而實現(xiàn)了隆頂系統(tǒng)與主結(jié)構系統(tǒng)的可靠連接。隆頂系統(tǒng)內(nèi)部與室內(nèi)空氣接觸部分 ( 即屋面板下方 ) 為不可燃鍍鋁鋅鋼板，屋面上表面為不可燃的厚度達 2.0 mm 的鋼化玻璃，這一結(jié)構設計可提升隆頂系統(tǒng)的防火性能，使其符合 GB 8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》中 A 級不燃保溫材料的標準。而且為了提高隆頂系統(tǒng)的安全性，在隆頂系統(tǒng)直流側(cè)引入光伏組件關斷器，如此可在隆頂系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況時迅速關斷直流側(cè)電壓及電流，避免由意外情況導致的危險進一步擴大。

隆頂系統(tǒng)優(yōu)化了光伏組件與屋面的連接結(jié)構，通過將傳統(tǒng)光電建筑中壓塊式的硬接觸優(yōu)化為膠狀的軟接觸，擴大了接觸點的受力面積，極大降低了接觸點的應力，從而優(yōu)化了光伏組件與屋面的受力結(jié)構體系；再輔以采用雙層厚度各 2.0 mm 的鋼化玻璃封裝的光伏組件，使該隆頂系統(tǒng)的正面機械荷載可達到 8100 MPa，在此條件下，光伏組件不會產(chǎn)生隱裂。對光伏組件進行靜態(tài)機械荷載實驗，實驗后光伏組件的 EL 圖像如圖 2所示。


從圖 2 可以看出，隆頂系統(tǒng)的機械荷載強度增加后，光伏組件未產(chǎn)生隱裂，確保了光伏組件的安全可靠，使屋面的抗沖擊性能更強，提升了整體光電建筑的安全性。

2.2 高效防水

對于光電建筑而言，防水是對其的基礎要求，也是其設計方案所需要解決的首要問題，防水的可靠性將直接影響光電建筑的基本功能。

隆頂系統(tǒng)在防水層面的設計從“設計一個好屋頂”的理念出發(fā)，采用金屬圍護結(jié)構中最成熟、最可靠的一種設計形式——360°直立鎖邊系統(tǒng)，并搭配通長版型，使整體屋面無搭接縫隙，從而實現(xiàn)了防水的高效可靠。同時，針對金屬圍護結(jié)構在使用過程中由于環(huán)境溫差導致的溫度應力，通過設計專用的可滑移支座來吸收由隆頂系統(tǒng)熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)應力，從而確保隆頂系統(tǒng)的密封性。針對降雪量大的地區(qū)，隆頂系統(tǒng)設計了專用填充膠進行鎖邊縫的填充，規(guī)避了因冬季積雪導致的虹吸滲水現(xiàn)象，從而使采用隆頂系統(tǒng)的光電建筑屋面結(jié)構在防水方面更高效可靠。

2.3 通風散熱

對于降低建筑使用過程中的熱工能耗，主要是通過在金屬圍護結(jié)構中安裝保溫棉來實現(xiàn)對建筑的隔熱與保溫。而晶體硅光伏組件在進行光電轉(zhuǎn)換過程中，會有一部分太陽能量轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)出來；且晶體硅光伏組件的輸出功率會受工作溫度的影響，影響關系為負溫度系數(shù)效應，即光伏組件的工作溫度過高會影響其輸出功率。由于建筑需要減少向室內(nèi)傳遞的熱量從而降低建筑能耗，所以在光電建筑的設計方案中，需要考慮建筑的散熱設計。

隆頂系統(tǒng)通過對屋面外板的瓦型進行結(jié)構優(yōu)化，設計了散熱風道，利用空氣對流帶走光伏組件工作時產(chǎn)生的熱量。有、無散熱風道時光伏組件工作溫度的仿真模擬對比圖如圖 3 所示。


從圖 3 的光伏組件工作溫度仿真模擬可以看出，相比于密閉式無散熱風道的使用環(huán)境，有散熱風道可使光伏組件的工作溫度降低，通過仿真結(jié)果可以得到降低值在 10 ℃以上。而且光伏組件的工作溫度降低后，可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提高約 4%，同時還可以提升光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件的可靠性。

2.4 優(yōu)化設計

作為一種應用于工業(yè)廠房的新型光電建筑屋面結(jié)構，隆頂系統(tǒng)的優(yōu)化設計主要體現(xiàn)在以下 3個方面。

1) 在設計層面，隆頂系統(tǒng)通過硅酮結(jié)構膠將屋面外板與光伏組件粘接復合，形成 BIPV 產(chǎn)品，節(jié)省了 BAPV 形式的支架和夾具結(jié)構，減輕了整體屋面的重量，從整體節(jié)省了建筑結(jié)構的材料用量。

2) 隆頂系統(tǒng)通過一體化等壽命設計理念，使建筑屋面與光伏發(fā)電系統(tǒng)在一般工業(yè)環(huán)境下可保持同樣的壽命，從而避免了光電建筑中由于建筑屋面壽命與光伏發(fā)電系統(tǒng)壽命不同步導致的光伏發(fā)電收益無法達到預期這一情況產(chǎn)生的影響。

3) 隆頂系統(tǒng)為 BIPV 產(chǎn)品，只需要一次施工即可完成整個光電建筑的金屬屋面的施工。相較于采用 BAPV 形式時需要二次施工，隆頂系統(tǒng)不僅節(jié)省了施工的成本，還提升了施工的效率。而且隆頂系統(tǒng)具有良好的氣密性、水密性、抗風揭能力及承載力，可滿足建筑使用要求。

3 隆頂系統(tǒng)的施工工藝

隆頂系統(tǒng)的施工分為金屬圍護結(jié)構的施工和光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工這 2 個主要環(huán)節(jié)。隆頂系統(tǒng)的整體施工工藝流程圖如圖 4 所示。


隆頂系統(tǒng)屋面的施工步驟與金屬圍護結(jié)構的施工步驟一致，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工步驟較采用 BAPV 形式時光伏發(fā)電系統(tǒng)施工步驟的變化較多，主要在于隆頂系統(tǒng)的安裝連接結(jié)構有所改變，以及由此帶來的屋面組件安裝機械化施工的提升。比如在打膠環(huán)節(jié)，利用機器人可提高隆頂系統(tǒng)的施工速度，并提升施工質(zhì)量。相比于采用BAPV 形式時光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝方式，隆頂系統(tǒng)可以大幅提高施工安裝的效率，并且實現(xiàn)了機械標準化安裝。

隆頂系統(tǒng)施工過程中的工藝核心控制點在于打膠的均勻一致性，以及電氣接線的正確性。

4 結(jié)論

本文按照光伏建材化的設計理念，提出了一種應用于工業(yè)廠房的新型光電建筑屋面結(jié)構——隆頂系統(tǒng)。該屋面結(jié)構可以很好地滿足建筑的基本需求，即滿足防水、保溫、隔熱、安全等基本特性，同時還具備光伏發(fā)電能力。隆頂系統(tǒng)在大幅提高了施工安裝效率的同時，還實現(xiàn)了機械標準化安裝。

原標題： 一種應用于工業(yè)廠房的新型光電建筑屋面結(jié)構