光伏太陽能板鋼結構廠房施工技術

文／劉春明、張雙龍、劉龍飛、韓承昱 中建八局總承包公司 上海 201204

引言：

隨著世界能源危機的加深和環保意識的增強,尋找更清潔便捷的替代能源已成為世界各國所面對的迫切而巨大的問題，在其中,以太陽能發電已成為最主要的可再生能源形式,是當今世界上最有前景、發展潛力最好的新興產業。從能源供應安全與潔凈利用的視角出發,當今世界上不少發達國家都將太陽能發電的商業研究與使用視為一種重大的經濟發展方向。我國是個太陽能資源豐富的大國，近年來,中國太陽能工業也得到了重大進展,但中國作為能源消費大國和太陽能資源強國,和歐、日美等發達國家有著很大差異。尤其是中國太陽能綜合利用技術的產業化。

1、光伏太陽能板研究現狀

1.1 太陽能光伏鋼結構集成體系的概念

中國的人均能源消耗量低于世界，能源消耗約占全社會能源消耗總量的28%，未來可能還會增加。受國家可再生能源政策法規的啟發，北京南站雙玻璃太陽能電池組件集成項目，青島客運站太陽能電池組件集成項目（首都博物館薄膜電池項目）。建筑節能是建筑施工中不可或缺的重要因素，形成了完整的太陽能發電結構體系。

太陽能發電綜合鋼結構系統的定義，鋼結構太陽能發電綜合系統包括大跨度空間鋼結構（網格結構、梁軌結構等）和普通住宅鋼結構、工業廠房輕鋼結構和特殊景觀鋼結構（如平屋頂、墻體、幕墻、采光屋頂等）這意味著合理類型的結構連接在建筑的相應部分形成太陽能電池板布置。集成到鋼結構系統或集成太陽能發電模塊中，替換一些傳統的鋼結構構件，并將其集成到鋼結構系統中，形成一定規模的太陽能發電系統。

太陽能與鋼結構的結合具有獨特的優勢，好處：在不增加地面資源、本地設施、本地發電和互聯網接入的情況下，有效降低建筑能耗。集成鋼太陽能發電系統的應用形式多種多樣，適用于工業裝置、墻壁、屋頂和暴露在陽光下的多層高層建筑。此外，還可以形成光伏陣列系統或光伏集成系統。根據太陽能發電集成系統可以通過連接器、螺栓、焊接等容易地與鋼結構部件組合，實用新型應用形式多樣，易于安裝，可控制和提高鋼結構光伏發電系統的發電效率。

1.2 光伏電站的運行原理

目前，世界上太陽能發電廠的主流是接入太陽能電網的系統（以下簡稱并網模式），在并網系統中，太陽能電池的直流輸出通過逆變器的控制轉化為交流電，然后通過控制回路進入電網。網絡連接系統可分為本地網絡連接系統和集中式網絡連接系統，前者的特點是太陽能發電系統產生的電能直接分配到低壓電源。因為有一個單獨的變電所不能直接聯系到整個大電網,所以后者可以通過把富余或不足的電力直接聯系到當地電網中來調節。光伏太陽能板鋼結構廠房利用公開太陽能發電系統,包括整套太陽能發電系統,其特點在于,將太陽能發電系統所產生的能量直接增加或送入高壓輸電網,將能量均勻分布到整個電網中,再分攤給多個供電方。當內部電力負載超過了太陽能發電系統的負載,而外部供電的負載又低于了太陽能發電系統的負載,那么剩余的電能才能返回到輸電網。也因此,即使在雨天,也不需設置多個太陽能發電機來最大限度地供應電能。也因此,系統技術成本低,消耗能量少。和獨立供電系統一樣,節能18%左右，效率可達90%以上。

1.3 太陽能光伏鋼結構集成體系若干技術研究

太陽能組件與鋼結構的連接與集成技術，太陽能發電一體化鋼結構系統的主要技術是保證太陽能電池組件與鋼結構的結合，滿足結構強度、耐水性、隔熱性等施工條件，以及系統的安全性、穩定性和耐久性。隨后，總結了幾種常見的應用單連接和合并技術。

在嵌入式系統設計中，考慮到安全性、防水性、氣密性和可維護性的要求，雙玻璃隱框光伏組件的設計是一個很好的結合。

多層太陽能發電系統可應用于多層鋼結構墻，該安裝工藝不僅適用于雙層玻璃太陽能發電組件，也適用于普通標準硅太陽能電池組件。施工工藝與普通墻面裝飾材料相同。它簡單快速，對安裝人員的技術要求不高。由于屋頂用于喚醒和照亮鋼結構，鋼結構可以采用光伏點或蝶形一體化鋼結構體系，爪形連接器直接用于結構和鋼結構構件的一體化。如圖2所示，通過填充硅膠來確定太陽能電池組件左右兩側的耐水性。本組合的設計和施工要求可參考《玻璃幕墻技術規范》JGJ102-2003。在大型鋼結構工業建筑的屋面卷材上，直接安裝在太陽能發電板上的太陽能發電模塊形狀主要是一個集成太陽能發電系統。因此，太陽能組件和屋頂板的組合是一項重要的技術。通常情況下，光伏組件通過導軌連接到上板，然后使用拉鎖端和中間拉保險絲固定太陽能組件和導軌。設計時，牽引鎖之間的最大距離應根據太陽能電池組件的風荷載、雪荷載和其他沖擊荷載確定。

圖1 光伏鋼結構隱框式集成系統

圖2 光伏鋼結構單點式集成系統

1.4 太陽能光伏鋼結構集成體系設計技術

太陽能建筑物的架構設計并不能完全和傳統太陽能建筑物的架構設計相結合，傳統太陽能系統建筑物的支撐能力設計,主要考慮自重產生的熱負荷、行走負載和風負荷。目前,中國大部分建筑物在早期建設階段并未明確考慮太陽能發電廠所產生的建筑荷載。因為這樣,后續的太陽能系統將會耗盡建筑能力的多余空間,從而大大降低了建筑物的安全系數并直接對建筑物產生損害。而克服這一問題的主要途徑就是把太陽能系統和廠房施工相結合,以有效支撐建筑。鋼結構與太陽能發電組件集成的關鍵技術是太陽能發電組件的結構、風力發電和地震力計算與檢測，以及安裝這些連接部件的關鍵節點。

根據太陽能發電模塊的參考強度值，計算不同載荷條件下的試驗強度，太陽能充電模塊包括自重模塊、自重支撐、風荷載、雪荷載和地震作用。在計算太陽能組件支架和導軌的強度試驗時，考慮了自重、風荷載、雪荷載以及其他太陽能組件的組合荷載。如果需要將太陽能組件固定在屋頂和復合支架上，則必須確認組件的強度。

太陽能電池組件必須直接從地面安裝在小型建筑的手動安裝位置，如普通住宅和工業建筑的屋頂，這一過程主要由梯子和支架完成。在大型和高層建筑中，太陽能電池組件主要安裝在起重機上，需要手動支撐。在某些情況下，太陽能電池組件由起重機提升到近似位置，安裝位置的制造商從起重機上移除太陽能電池組件，將其正確放置在給定位置并安裝（圖3）。

圖3 光伏鋼結構壓型鋼板屋頂集成體系

為了方便施工人員的移動，在這種情況下應注意確保安裝現場通道的安全。有時，施工人員被派到與起重機太陽能組件一起放置的地方，施工人員使用起重機直接安裝和維修太陽能電池。

2、鋼結構廠房施工技術

2.1 鋼結構施工

在施工過程中，根據《建筑工程施工質量驗收規范》gb50209-2002，基礎必須分層密封，密封的地板應為最佳含水量。在進行大型操作或建造大型滲漏之前，應使用土壤樣本，以根據強制性試驗確定最佳含施工位置。鋼結構太陽能電池生產車間占地面積大，層高高。研討會最重要的結構形式是鋼結構。一根鋼柱用螺釘固定在一根混凝土柱上，鋼管混凝土樁和鋼筋混凝土樁建造在某些單獨的柱下，外墻和蓋板由75 厚鋼板制成的鋼板包圍。應注意彩鋼外墻板的材料要求、耐腐蝕性和防腐處理條件。由于受太陽能電池產生的酸性環境的影響，彩鋼外墻下端存在弱腐蝕接縫。嚴格按設計條件控制板厚，適當增加板厚至板厚最低水平。支撐板和窗框之間的連接必須擰緊。

2.2 屋面光伏發電系統的建筑技術解決方案

太陽能組件位于鋼鐵廠屋頂的有效區域，考慮到最大年發電量，太陽能電池陣列的安裝角度為12.35°，海南島沿海12°，北部增加，渤海沿海35°，上海約25°。陣列距離必須為2.5 米（根據太陽能組件，必須避免面板之間的屏蔽）。鑒于沿海鋼鐵廠的沖積特性，可以防止鹽霧和臺風侵蝕，太陽能系統的鋼涂層必須符合最高規格。

太陽能電池可以通過三種方式連接到鋼結構建筑的屋頂。道路連接方式，輕型鋼結構太陽能電池支架與成套設備的主鋼結構牢固連接。這是太陽能和建筑之間的傳統基本聯系，本實用新型通過調整多晶硅太陽能電池太陽能發電組件的角度，適用于傳統工業鋼結構建筑的鋼雙層屋面、鋼-混凝土組合樓板和螺旋材料屋面。這種材料通常是一小塊鍍鋅鋼模塊，與建筑緊密相連，經久耐用（見圖4）。

圖4 輕鋼結構支架安裝太陽能電池組

然而，在實際應用中，太陽能與建筑物間的傳統聯系方法也有很大局限,如建筑自重過大,就需要兼顧太陽能發電系統荷載和風負荷。所以,在建筑中,設備的主體構件都應該保持有很大的承載空間。太陽能發電本身也是為了節約能源、環保、降低空氣污染和減輕碳排放量。但是,為了太陽能發電機的支持,由于屋頂結構和太陽能產生的巨大鋼材損耗,主體構件中的鋼用量也必須加大。又因為鋼廠本身耗費了大量燃料,這些化合物都不利于建筑環保，所以主體構件和配套太陽能發電機中用鋼量的增多提高了建造成本,這也是生產的主要阻礙。另外,由于沿海地區的鐵鹽侵蝕現象十分強烈,鋼支架防腐涂層的維修成本也一直很高。當以這種接線方式安裝在環形屋頂線上時,由于其與主體結構的緊密連接，可能會導致許多新問題，并且通過多層防水輥與弱防水輥連接。線圈材料復雜，漏水風險高，單板自支撐屋頂上還需要防風雨鋼防水層。

超輕型結構和硬塑料結構的太陽能電池組件的支架與車頂線圈柔性連接，目前廣泛使用的卷材防水屋面施工方法的基礎上，推導了太陽能電池支架卷材防水屋面的柔性連接方法、原理、安裝和使用方法。

超輕型太陽能電池支架和屋頂輥之間的柔性連接基于柔性屋頂是一個柔性系統這一事實。太陽能電池的支撐部分使用鋁合金、塑膠等耐光材質制成的太陽能電池支撐之后,再使用軟金屬連接輸入線圈和專用的防水工程釘使太陽能電池的支撐與屋頂結構靈活固定。太陽能電池支撐則由紫外線降解功能的工程塑料制造,并形成了適應于太陽輻射角度的楔形排列。太陽能電池支架可采用柔性線圈連接方式和特殊建筑防水釘靈活地固定于天花板上。本實用新型的主要特征與優勢為:a.太陽能電池組件與屋頂線圈支架之間通過超輕型金屬或剛性塑料結構柔性相連,太陽能電池組件本體與太陽能發電機組本體的總重量荷載相當輕。這樣,即可忽略屋面荷載,在較小的荷載裕度下實現屋面結構的節能。整個工廠的屋頂上沒有太陽能，因此鋼鐵總消耗量和屋頂負荷都增加了。B.太陽的支撐和屋頂是軟結構。支架本身也能有效吸收風壓和變形。它是一種柔性結構，抗風性強，這反映在支架的材料消耗上。此外，它更經濟、環保、更環保、二氧化碳更少，制造鋼不需要很多鍍鋅鋼和浪費能源，載體由鋁合金、工程塑料等材料制成。

綜上所述，支持超輕型鋼結構和硬塑結構的太陽能電池是未來中小型工業建筑與太陽能一體化發展的方向。它帶來了更多的施工優勢、更高的材料成本和消耗、易于安裝、工廠預制、工業化、低碳和環保。

2.3 社會經濟效益分析

太陽能發電廠的發電機理是硅半導體材料的光電效應，項目施工所用材料主要為工程塑料、鋁合金型材、結構鋼、玻璃鋼、聚四氟乙烯、電纜、電氣控制單元、橡膠、塑料等。在施工和日常運營期間不會對施工人員或環境造成不利影響。

社會經濟效益分析，開發新的替代能源是一項緊迫的戰略任務，太陽能是最有希望的發展方向。目前，投入產出比已無法與傳統發電廠和風力發電相比，但隨著規模的不斷擴大和制造技術的不斷改進，硅冶煉工藝變得廉價，成本逐漸降低。另一方面，一旦《新能源議定書》簽署，隨著傳統能源的減少和化石燃料環境成本的翻倍，價格將繼續上漲。與水電、核電等非礦物能源相比，太陽能發電廠還具有促進大規模生產、處理核廢料、分布靈活、易于設計和維護等優點。因此，近年來，結合國外主要工業化國家太陽能并網發電，特別是屋頂太陽能產業的快速發展，取得了巨大的經濟優勢。

結語：

作為一家高科技公司，技術必須是第一位的，在新技術中，技術快速轉化為生產力是非常重要的。在這個信息快速增長的時代，尋找并占有運營市場的機會，是太陽能公司對項目經理的高要求。高素質人才應該是懂技術、懂管理的復合型人才，使大多數項目經理能夠不斷提高自己的專業技能，并希望“開發太陽能，將所有人類利益納入自己的責任”。我們希望為太陽能公司創造更美好的未來，并逐步引入太陽能。清潔高效的能源，千家萬戶。