王 強，洪藝然

(長江三峽集團福建能源投資有限公司，福建 福州 350003)

鋼結構廠房運用傳統(tǒng)后置式光伏發(fā)電屋面系統(tǒng)(BAPV)需采用分期建設和分期投資模式，即先完成建筑物的鋼結構土建施工，后期在建筑物的屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)支架配件、光伏發(fā)電組件單元板和其他電氣設備。該施工方式有利于分期建設和管理。但是,將該系統(tǒng)運用在已規(guī)劃同步建設屋面光伏的鋼結構廠房屋面，增加了不必要的投資，在建筑美觀、施工難度、以及后期維護等方面都存在諸多的不足。相較于BAPV系統(tǒng)，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)(BIPV)可有效解決傳統(tǒng)后置式光伏發(fā)電屋面系統(tǒng)存在的問題，既能夠降低投資成本，也提高了建筑物的各項技術指標。因此，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)作為一種替代方案在國內外逐步得到認可和運用[1-3]。

1 光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)

BIPV即Building Integrated PV是光伏建筑一體化。PV即Photovoltaic。BIPV技術是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術。區(qū)別于目前大規(guī)模應用的后置式光伏發(fā)電屋面系統(tǒng)(BAPV)采用特殊的支架將光伏組件固定于原有屋頂結構的結合模式，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)(BIPV)采用一次性建設和投資模式，在建筑屋面施工時直接在屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)支架配件、光伏發(fā)電組件單元板和其他電氣設備。它除了具有發(fā)電功能外，還將具有建筑物自身的結構和使用功能，替代了建筑物原有屋面的構件，成為建筑不可分割的組成部分。作為建筑構件，光伏發(fā)電部件不但需要滿足發(fā)電及建筑功能要求，還需要滿足材料的耐候性、安全性，結合方式的牢固性和密閉性等物理化學特性。

光伏建筑一體化屋頂發(fā)電系統(tǒng)，通過由“幾”字型支架、橫截面呈倒U形的橫向水槽及橫截面呈W形的縱向水槽構成的整體支撐系統(tǒng)及島式支撐安裝固定，采取環(huán)環(huán)相扣的方式進行緊固和密封，不僅整體結構重量輕、用材省，而且太陽能發(fā)電組件的安裝結構極為穩(wěn)定、使用壽命長，易于安裝、拆卸、維修。

2 BIPV系統(tǒng)與BAPV系統(tǒng)技術對比

2.1 經(jīng)濟性成本對比分析

根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，鋼結構廠房屋面按照120 Wp/m2產(chǎn)出容量計算，對比采用兩種不同的光伏安裝方式綜合造價，采用光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)可節(jié)約材料164元/m2(如表1所示)，而且大大延長屋面的使用壽命。

表1 BAPV系統(tǒng)與BIPV系統(tǒng)經(jīng)濟性成本對比表

2.2 建筑外觀對比

傳統(tǒng)鋼結構后置式光伏發(fā)電屋面在彩色壓型金屬板上面后期安裝支架和光伏電池板，屋面較凌亂，整體性較差。

光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)(BIPV)把太陽能利用納入建筑的總體設計，把建筑、技術和美學融為一體，把光伏發(fā)電組件單元板和檢修走道板直接作為屋面板，在BIPV建筑中，可通過相關設計將接線盒、連接線等隱藏在組件和踏板下方。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，完美的實現(xiàn)了將太陽能光伏發(fā)電與建筑相結合。屋面美觀，簡潔大方，具有鮮明的現(xiàn)代工業(yè)建筑特征。

2.3 設計壽命對比

傳統(tǒng)鋼結構后置光伏發(fā)電屋面的光伏發(fā)電組件因為全部處于露天環(huán)境，長期風吹雨打，壽命一般在20年，最多不超過25年。光伏建筑一體化屋面的光伏發(fā)電組件只有屋面暴露在外，有良好的密封環(huán)境，BIPV光伏組件封裝用的膠為PVB，而PVB膜具有透明、耐熱、耐寒、耐濕，機械強度高等特性，并已經(jīng)成熟應用于建筑用夾層玻璃的制作，能達到50年甚至更長的使用壽命。

此外，在BIPV系統(tǒng)中，選用光伏專用電線(雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線)，選用偏大的電線直徑，以及選用性能優(yōu)異的連接器等設備，都能延長BIPV光伏系統(tǒng)的使用壽命。

2.4 屋面受力對比

傳統(tǒng)鋼結構后置式光伏發(fā)電屋面的壓型金屬板(彩鋼板或鋁鎂錳板)與后置的光伏電池板的受力復雜，金屬板和光伏電池板既有風載正壓也有負壓，光伏電池板受力通過支架傳遞到壓型金屬板，長期的風載作用和變形會產(chǎn)生疲勞效應，影響結構安全。

光伏建筑一體化屋面只是單純的屋面，結構受力清晰，結構安全性高。另外，該系統(tǒng)采用雙面玻璃組件，鋼化玻璃的厚度符合國家建筑設計規(guī)范，是通過嚴格的力學計算得出，能夠滿足屋面安全性要求。

2.5 防水可靠性對比

傳統(tǒng)鋼結構后置式光伏發(fā)電屋面在壓型金屬板(彩鋼板或鋁鎂錳板)屋頂安裝完畢后，后期屋面二次上人安裝光伏組件等設備，會因為吊裝、施工踩踏、長期光伏自重荷載和局部設備超載，從而造成彩鋼板或鋁鎂錳板永久沉降形變，造成后期隱患性漏水并且難于檢修和發(fā)現(xiàn)漏點；伴隨使用年限越長漏水隱患會越來越多。

光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)主要采用憎水性玻璃面板與主水槽、防水密封等形成屋面防排水系統(tǒng)，屋面構造、泛水包邊、采光帶等采用模塊化組合構成，主水槽等受力構件采用卡扣式零穿孔連接，組件與組件(或踏板)間使用可靠的密封扣條進行固定和密封，泛水包邊采用對焊連接，系統(tǒng)設計帶有防震動體系，可有效防止海邊高頻次風荷載作用，有效消化伸縮變形、溫度變形。整個屋面表面的無穿孔連接技術，避免了漏水的隱患。

2.6 施工難度和速度對比

傳統(tǒng)鋼結構后置式光伏發(fā)電屋面分二期施工，施工周期長。直立鎖邊鋁鎂錳屋面板施工難度大。光伏建筑一體化屋面施工難度小，安裝速度快，工程進度有保障。在完成支架和水槽施工后，每人每天至少安裝40平(25塊組件)，以10 000 m2主屋面為例，20人15 d左右即可完成組件安裝和屋面的整體密封工作。

2.7 屋面運營維護對比

傳統(tǒng)鋼結構后置式光伏發(fā)電屋面在施工檢修中多次踩踏，屋面變形大，漏水隱患多，維修難度大。光伏建筑一體化屋面同步設計、施工，對屋面構件形成保護，不造成二次施工踩踏破壞。屋面以單塊電池組件為單元模塊化(160 cm×100 cm)設計安裝，可隨意拆卸、修葺，檢修維護方便；屋面根據(jù)合理運維半徑設置的檢修走道踏板，對屋面和組件都不造成破壞，大大保護了屋面的完整性。

3 光伏BIPV系統(tǒng)的運用

福建三峽海上風電產(chǎn)業(yè)園分布式屋頂光伏項目屬于產(chǎn)業(yè)園智能微網(wǎng)的重要組成部分。在充分調研分析后，確定了采用光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)方案。其中，中水四局工廠屋面面積達40 560 m2，光伏組件安裝數(shù)量達16 522塊，屬國內鋼結構廠房單體面積最大的BIPV光伏工程運用實踐。

福建三峽海上風電產(chǎn)業(yè)園內采用光伏發(fā)電一體化屋面的鋼結構廠房的面積達6.765 7萬m2(如表2所示)，其中金風科技工廠、中車工廠、室內運動場已完成施工并網(wǎng)發(fā)電，中水四局工廠和東方風電工廠正在施工開展階段。根據(jù)屋面材料造價節(jié)約164元/m2計算，產(chǎn)業(yè)園分布式屋頂光伏項目因采用了BIPV安裝方式，僅施工材料節(jié)約投資成本達1 109萬元。對本項目各項施工技術指標分別進行確認，均達到了預期的效果。

表2 風電產(chǎn)業(yè)園光伏建筑一體化屋面統(tǒng)計匯總表

需要補充說明，因為鋼結構廠房消防設計要求，光伏建筑一體化屋面系統(tǒng)不能應用于火災危險性分類為甲類、乙類的建筑和儲存物品的火災危險性分類為甲類、乙類的建筑，所以福建三峽海上風電產(chǎn)業(yè)園內LM葉片廠(乙類)未采用光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)。

4 結 語

光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)主要優(yōu)點是造型美觀、投資節(jié)省、光伏組件壽命高、防水性能好、維修方便?；谝陨戏治?，福建三峽海上風電產(chǎn)業(yè)園的光伏發(fā)電建筑一體化屋面系統(tǒng)實際工程案例具有良好的示范性和可復制性。