光伏建筑一体化屋面系统研究与实践

王 强，洪艺然

(长江三峡集团福建能源投资有限公司，福建 福州 350003)

钢结构厂房运用传统后置式光伏发电屋面系统(BAPV)需采用分期建设和分期投资模式，即先完成建筑物的钢结构土建施工，后期在建筑物的屋面安装光伏发电系统支架配件、光伏发电组件单元板和其他电气设备。该施工方式有利于分期建设和管理。但是,将该系统运用在已规划同步建设屋面光伏的钢结构厂房屋面，增加了不必要的投资，在建筑美观、施工难度、以及后期维护等方面都存在诸多的不足。相较于BAPV系统，光伏建筑一体化屋面系统(BIPV)可有效解决传统后置式光伏发电屋面系统存在的问题，既能够降低投资成本，也提高了建筑物的各项技术指标。因此，光伏建筑一体化屋面系统作为一种替代方案在国内外逐步得到认可和运用[1-3]。

1 光伏建筑一体化屋面系统

BIPV即Building Integrated PV是光伏建筑一体化。PV即Photovoltaic。BIPV技术是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。区别于目前大规模应用的后置式光伏发电屋面系统(BAPV)采用特殊的支架将光伏组件固定于原有屋顶结构的结合模式，光伏建筑一体化屋面系统(BIPV)采用一次性建设和投资模式，在建筑屋面施工时直接在屋面安装光伏发电系统支架配件、光伏发电组件单元板和其他电气设备。它除了具有发电功能外，还将具有建筑物自身的结构和使用功能，替代了建筑物原有屋面的构件，成为建筑不可分割的组成部分。作为建筑构件，光伏发电部件不但需要满足发电及建筑功能要求，还需要满足材料的耐候性、安全性，结合方式的牢固性和密闭性等物理化学特性。

光伏建筑一体化屋顶发电系统，通过由“几”字型支架、横截面呈倒U形的横向水槽及横截面呈W形的纵向水槽构成的整体支撑系统及岛式支撑安装固定，采取环环相扣的方式进行紧固和密封，不仅整体结构重量轻、用材省，而且太阳能发电组件的安装结构极为稳定、使用寿命长，易于安装、拆卸、维修。

2 BIPV系统与BAPV系统技术对比

2.1 经济性成本对比分析

根据实际工程数据，钢结构厂房屋面按照120 Wp/m2产出容量计算，对比采用两种不同的光伏安装方式综合造价，采用光伏建筑一体化屋面系统可节约材料164元/m2(如表1所示)，而且大大延长屋面的使用寿命。

表1 BAPV系统与BIPV系统经济性成本对比表

2.2 建筑外观对比

传统钢结构后置式光伏发电屋面在彩色压型金属板上面后期安装支架和光伏电池板，屋面较凌乱，整体性较差。

光伏建筑一体化屋面系统(BIPV)把太阳能利用纳入建筑的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，把光伏发电组件单元板和检修走道板直接作为屋面板，在BIPV建筑中，可通过相关设计将接线盒、连接线等隐藏在组件和踏板下方。这样既可防阳光直射和雨水侵蚀，又不会影响建筑物的外观效果，完美的实现了将太阳能光伏发电与建筑相结合。屋面美观，简洁大方，具有鲜明的现代工业建筑特征。

2.3 设计寿命对比

传统钢结构后置光伏发电屋面的光伏发电组件因为全部处于露天环境，长期风吹雨打，寿命一般在20年，最多不超过25年。光伏建筑一体化屋面的光伏发电组件只有屋面暴露在外，有良好的密封环境，BIPV光伏组件封装用的胶为PVB，而PVB膜具有透明、耐热、耐寒、耐湿，机械强度高等特性，并已经成熟应用于建筑用夹层玻璃的制作，能达到50年甚至更长的使用寿命。

此外，在BIPV系统中，选用光伏专用电线(双层交联聚乙烯浸锡铜线)，选用偏大的电线直径，以及选用性能优异的连接器等设备，都能延长BIPV光伏系统的使用寿命。

2.4 屋面受力对比

传统钢结构后置式光伏发电屋面的压型金属板(彩钢板或铝镁锰板)与后置的光伏电池板的受力复杂，金属板和光伏电池板既有风载正压也有负压，光伏电池板受力通过支架传递到压型金属板，长期的风载作用和变形会产生疲劳效应，影响结构安全。

光伏建筑一体化屋面只是单纯的屋面，结构受力清晰，结构安全性高。另外，该系统采用双面玻璃组件，钢化玻璃的厚度符合国家建筑设计规范，是通过严格的力学计算得出，能够满足屋面安全性要求。

2.5 防水可靠性对比

传统钢结构后置式光伏发电屋面在压型金属板(彩钢板或铝镁锰板)屋顶安装完毕后，后期屋面二次上人安装光伏组件等设备，会因为吊装、施工踩踏、长期光伏自重荷载和局部设备超载，从而造成彩钢板或铝镁锰板永久沉降形变，造成后期隐患性漏水并且难于检修和发现漏点；伴随使用年限越长漏水隐患会越来越多。

光伏建筑一体化屋面系统主要采用憎水性玻璃面板与主水槽、防水密封等形成屋面防排水系统，屋面构造、泛水包边、采光带等采用模块化组合构成，主水槽等受力构件采用卡扣式零穿孔连接，组件与组件(或踏板)间使用可靠的密封扣条进行固定和密封，泛水包边采用对焊连接，系统设计带有防震动体系，可有效防止海边高频次风荷载作用，有效消化伸缩变形、温度变形。整个屋面表面的无穿孔连接技术，避免了漏水的隐患。

2.6 施工难度和速度对比

传统钢结构后置式光伏发电屋面分二期施工，施工周期长。直立锁边铝镁锰屋面板施工难度大。光伏建筑一体化屋面施工难度小，安装速度快，工程进度有保障。在完成支架和水槽施工后，每人每天至少安装40平(25块组件)，以10 000 m2主屋面为例，20人15 d左右即可完成组件安装和屋面的整体密封工作。

2.7 屋面运营维护对比

传统钢结构后置式光伏发电屋面在施工检修中多次踩踏，屋面变形大，漏水隐患多，维修难度大。光伏建筑一体化屋面同步设计、施工，对屋面构件形成保护，不造成二次施工踩踏破坏。屋面以单块电池组件为单元模块化(160 cm×100 cm)设计安装，可随意拆卸、修葺，检修维护方便；屋面根据合理运维半径设置的检修走道踏板，对屋面和组件都不造成破坏，大大保护了屋面的完整性。

3 光伏BIPV系统的运用

福建三峡海上风电产业园分布式屋顶光伏项目属于产业园智能微网的重要组成部分。在充分调研分析后，确定了采用光伏建筑一体化屋面系统方案。其中，中水四局工厂屋面面积达40 560 m2，光伏组件安装数量达16 522块，属国内钢结构厂房单体面积最大的BIPV光伏工程运用实践。

福建三峡海上风电产业园内采用光伏发电一体化屋面的钢结构厂房的面积达6.765 7万m2(如表2所示)，其中金风科技工厂、中车工厂、室内运动场已完成施工并网发电，中水四局工厂和东方风电工厂正在施工开展阶段。根据屋面材料造价节约164元/m2计算，产业园分布式屋顶光伏项目因采用了BIPV安装方式，仅施工材料节约投资成本达1 109万元。对本项目各项施工技术指标分别进行确认，均达到了预期的效果。

表2 风电产业园光伏建筑一体化屋面统计汇总表

需要补充说明，因为钢结构厂房消防设计要求，光伏建筑一体化屋面系统不能应用于火灾危险性分类为甲类、乙类的建筑和储存物品的火灾危险性分类为甲类、乙类的建筑，所以福建三峡海上风电产业园内LM叶片厂(乙类)未采用光伏发电建筑一体化屋面系统。

4 结 语

光伏发电建筑一体化屋面系统主要优点是造型美观、投资节省、光伏组件寿命高、防水性能好、维修方便。基于以上分析，福建三峡海上风电产业园的光伏发电建筑一体化屋面系统实际工程案例具有良好的示范性和可复制性。