一種應用于工業廠房的新型光電建筑屋面結構

盧 耀，周 聰

(西安隆基新能源有限公司，西安 710018)

0 引言

為了盡快實現我國提出的“碳達峰”“碳中和”目標，作為可再生能源的代表，太陽能日益受到業界的重視。在此背景之下，將光伏發電與建筑結合的光電建筑再一次引起業界的關注，光電建筑成為建筑業界應對“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電系統結合，或在建筑上安裝光伏發電系統，光伏所發電力可以即發即用，從而可以大幅減少由于光伏發電輸出不穩定導致的長距離輸送難這一問題。在光伏行業發展的幾十年間，一些先行企業在光電建筑領域進行了產品開發，并且已建成了一系列光電建筑示范工程。

在光電建筑發展初期，在工業廠房屋面附加安裝光伏組件的BAPV形式占據主流。由于工業廠房多采用門式剛架結構體系，因此，此類建筑在安裝光伏發電系統之后，若不對屋面結構進行加固，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，在光伏發電系統的施工過程中，若施工不規范會導致屋面的防水層被破壞，而常規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，隨著光電建筑行業的發展，針對工業廠房的需求也出現了一些新型BIPV方案，比如利用常規光伏組件來實現對工業廠房屋面的代替，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品的需求，除了追求高的發電效率以外，還追求光伏發電系統與建筑的有機結合，因此需要開發與建筑構件、建筑材料、光伏發電系統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化、標準化安裝工藝，而不是簡單的將應用于常規地面光伏電站的光伏組件通過優化連接結構的方式應用在建筑上。因此，業界需要一種建材化的光伏產品，既擁有基本的建材屬性，同時也具有高效的發電能力。

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

1 應用于工業廠房的新型光電建筑屋面結構的構造介紹

光伏發電技術在建筑圍護結構、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形式。

工業廠房需要滿足堅固、耐用的要求，由于其主要服務于工業生產，因此對電力的需求較大，對供電穩定性的要求更高；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過潛心研發，開發出一款專門應用于工業廠房場景的光電建筑解決方案，即新型光電建筑屋面結構——隆頂系統。隆頂系統的構造如圖1所示。

圖1 隆頂系統的構造圖Fig. 1 Structure of Longi-ROOF BIPV

這一應用于門式剛架結構的工業廠房的光電建筑解決方案結合了建筑產品的使用功能與光伏產品的發電特性，可直接作為工業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電解決方案。隆頂系統可與現有的金屬圍護結構匹配，可以直接用其更換掉現有屋面或是在新建廠房時直接采用這種新型屋面結構，實現新建廠房屋面及存量廠房屋面的完全替代；且該新型屋面結構不需要額外的支架，可減少投資成本。

隆頂系統在屋面應用時的構造與傳統的門式剛架結構在屋面應用時的構造相同，隆頂系統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，且節點體系與傳統的采用門式剛架結構的屋面結構體系完全兼容，可以完美兼容建筑的天溝節點、屋脊節點、女兒墻節點、采光帶節點等，因此在屋面構造的施工工藝上沿用了成熟的金屬圍護結構的施工工藝，具有高標準化、高兼容性的特點。

2 隆頂系統的性能特點

隆頂系統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、左右結構搭接，可靠地解決了屋面漏水問題；隆頂系統達到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、優化設計4個方面對隆頂系統的性能特點進行詳細介紹。

2.1 安全可靠

隆頂系統通過硅酮結構膠實現了雙玻光伏組件與屋面外板之間的粘接復合，從而實現了隆頂系統與主結構系統的可靠連接。隆頂系統內部與室內空氣接觸部分(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，這一結構設計可提升隆頂系統的防火性能，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的安全性，在隆頂系統直流側引入光伏組件關斷器，如此可在隆頂系統出現意外情況時迅速關斷直流側電壓及電流，避免由意外情況導致的危險進一步擴大。

隆頂系統優化了光伏組件與屋面的連接結構，通過將傳統光電建筑中壓塊式的硬接觸優化為膠狀的軟接觸，擴大了接觸點的受力面積，極大降低了接觸點的應力，從而優化了光伏組件與屋面的受力結構體系；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，使該隆頂系統的正面機械荷載可達到8100 MPa，在此條件下，光伏組件不會產生隱裂。對光伏組件進行靜態機械荷載實驗，實驗后光伏組件的EL圖像如圖2所示。

圖2 靜態機械荷載實驗后光伏組件的EL圖像Fig. 2 EL image of PV modules after static mechanical load test

從圖2可以看出，隆頂系統的機械荷載強度增加后，光伏組件未產生隱裂，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。

隆頂系統在防水層面的設計從“設計一個好屋頂”的理念出發，采用金屬圍護結構中最成熟、最可靠的一種設計形式——360°直立鎖邊系統，并搭配通長版型，使整體屋面無搭接縫隙，從而實現了防水的高效可靠。同時，針對金屬圍護結構在使用過程中由于環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熱脹冷縮產生的內應力，從而確保隆頂系統的密封性。針對降雪量大的地區，隆頂系統設計了專用填充膠進行鎖邊縫的填充，規避了因冬季積雪導致的虹吸滲水現象，從而使采用隆頂系統的光電建筑屋面結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構中安裝保溫棉來實現對建筑的隔熱與保溫。而晶體硅光伏組件在進行光電轉換過程中，會有一部分太陽能量轉換為熱能散發出來；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。

隆頂系統通過對屋面外板的瓦型進行結構優化，設計了散熱風道，利用空氣對流帶走光伏組件工作時產生的熱量。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。

圖3 有、無散熱風道時光伏組件工作溫度的仿真模擬對比Fig. 3 Comparison of working temperature simulation of PV modules with or without cooling air duct

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境，有散熱風道可使光伏組件的工作溫度降低，通過仿真結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，可以使光伏發電系統的發電量提高約4%，同時還可以提升光伏發電系統中光伏組件的可靠性。

2.4 優化設計

作為一種應用于工業廠房的新型光電建筑屋面結構，隆頂系統的優化設計主要體現在以下3個方面。

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

2)隆頂系統通過一體化等壽命設計理念，使建筑屋面與光伏發電系統在一般工業環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電系統壽命不同步導致的光伏發電收益無法達到預期這一情況產生的影響。

3)隆頂系統為BIPV產品，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，隆頂系統不僅節省了施工的成本，還提升了施工的效率。而且隆頂系統具有良好的氣密性、水密性、抗風揭能力及承載力，可滿足建筑使用要求。

3 隆頂系統的施工工藝

隆頂系統的施工分為金屬圍護結構的施工和光伏發電系統的施工這2個主要環節。隆頂系統的整體施工工藝流程圖如圖4所示。

圖4 隆頂系統的施工工藝流程圖Fig. 4 Construction process flow chart of Longi-ROOF BIPV

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

隆頂系統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廠房的新型光電建筑屋面結構——隆頂系統。該屋面結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，同時還具備光伏發電能力。隆頂系統在大幅提高了施工安裝效率的同時，還實現了機械標準化安裝。