一种应用于工业厂房的新型光电建筑屋面结构

卢 耀，周 聪

(西安隆基新能源有限公司，西安 710018)

0 引言

为了尽快实现我国提出的“碳达峰”“碳中和”目标，作为可再生能源的代表，太阳能日益受到业界的重视。在此背景之下，将光伏发电与建筑结合的光电建筑再一次引起业界的关注，光电建筑成为建筑业界应对“碳达峰”“碳中和”的有力武器。

光电建筑包括光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic，BIPV)和光伏附着建筑(building attached photovoltaic，BAPV) 2种形式，其可以很好地解决建筑节能的问题。由于建筑用电负荷占全社会用电负荷的大部分比例，因此可将建筑与光伏发电系统结合，或在建筑上安装光伏发电系统，光伏所发电力可以即发即用，从而可以大幅减少由于光伏发电输出不稳定导致的长距离输送难这一问题。在光伏行业发展的几十年间，一些先行企业在光电建筑领域进行了产品开发，并且已建成了一系列光电建筑示范工程。

在光电建筑发展初期，在工业厂房屋面附加安装光伏组件的BAPV形式占据主流。由于工业厂房多采用门式刚架结构体系，因此，此类建筑在安装光伏发电系统之后，若不对屋面结构进行加固，会占用屋面原来的荷载余量，导致安全隐患的增加；同时由于此形式下屋面结构与光伏组件之间的连接方式是采用夹具方式连接，使连接可靠性存在一定的风险。另一方面，在光伏发电系统的施工过程中，若施工不规范会导致屋面的防水层被破坏，而常规光伏组件的背板采用的都是复合材料，燃烧性能难以满足屋面的防火要求，因此也存在安全隐患[1]。综上，随着光电建筑行业的发展，针对工业厂房的需求也出现了一些新型BIPV方案，比如利用常规光伏组件来实现对工业厂房屋面的代替，但这些方案依然未彻底解决防水、保温、隔热等建筑的基本需求。

光电建筑对于光伏产品的需求，除了追求高的发电效率以外，还追求光伏发电系统与建筑的有机结合，因此需要开发与建筑构件、建筑材料、光伏发电系统构造配套的光电建筑构件及光电建筑材料，并需要制定与光电建筑材料、施工和交付相关的工业化、标准化安装工艺，而不是简单的将应用于常规地面光伏电站的光伏组件通过优化连接结构的方式应用在建筑上。因此，业界需要一种建材化的光伏产品，既拥有基本的建材属性，同时也具有高效的发电能力。

本文通过分析光电建筑在工业厂房领域应用的基本需求，以光电建筑应满足工业建筑的基本需求为基础，提出了一种应用于工业厂房的新型光电建筑屋面结构，并对此新型光电建筑屋面结构的特点及施工工艺进行了详细介绍。

1 应用于工业厂房的新型光电建筑屋面结构的构造介绍

光伏发电技术在建筑围护结构、建筑构件和建筑材料中的应用及其在建筑物中不同的安装位置，可使光电建筑形成独特的视觉语言，具有多样化的特点。因此在功能、形式与经济性达到平衡的基础上，可针对不同的应用场合选择不同的光伏建材表现形式。

工业厂房需要满足坚固、耐用的要求，由于其主要服务于工业生产，因此对电力的需求较大，对供电稳定性的要求更高；而对于建筑自身而言，其需要满足防水可靠性高、保温隔热性好、维护简单易行，且屋面材料必须具有一定的阻燃性等基本需求。综合上述要求，应用于工业厂房场景的光电建筑解决方案不仅需要满足建筑的基本功能，而且还需要拥有较高的发电效率，此外还需要满足建材的功能。

基于上述基本需求，西安隆基新能源有限公司经过潜心研发，开发出一款专门应用于工业厂房场景的光电建筑解决方案，即新型光电建筑屋面结构——隆顶系统。隆顶系统的构造如图1所示。

图1 隆顶系统的构造图Fig. 1 Structure of Longi-ROOF BIPV

这一应用于门式刚架结构的工业厂房的光电建筑解决方案结合了建筑产品的使用功能与光伏产品的发电特性，可直接作为工业厂房屋面的建材使用，是一种集安全、美观、轻量化、易安装、高投资收益于一身的新能源建材发电解决方案。隆顶系统可与现有的金属围护结构匹配，可以直接用其更换掉现有屋面或是在新建厂房时直接采用这种新型屋面结构，实现新建厂房屋面及存量厂房屋面的完全替代；且该新型屋面结构不需要额外的支架，可减少投资成本。

隆顶系统在屋面应用时的构造与传统的门式刚架结构在屋面应用时的构造相同，隆顶系统的屋面构造层从上往下依次为光伏组件、压型钢板、可滑移支座、保温棉、檩条等，且节点体系与传统的采用门式刚架结构的屋面结构体系完全兼容，可以完美兼容建筑的天沟节点、屋脊节点、女儿墙节点、采光带节点等，因此在屋面构造的施工工艺上沿用了成熟的金属围护结构的施工工艺，具有高标准化、高兼容性的特点。

2 隆顶系统的性能特点

隆顶系统安装与厂房施工采用一体化设计，除了施工、安装快速便捷外，还可以节省厂房建设初期屋面的施工成本。屋面外板采用上下、左右结构搭接，可靠地解决了屋面漏水问题；隆顶系统达到GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》中A级不燃保温材料的标准，坚固且安全防火，完全符合建筑材料的标准。下文从安全可靠、高效防水、通风散热、优化设计4个方面对隆顶系统的性能特点进行详细介绍。

2.1 安全可靠

隆顶系统通过硅酮结构胶实现了双玻光伏组件与屋面外板之间的粘接复合，从而实现了隆顶系统与主结构系统的可靠连接。隆顶系统内部与室内空气接触部分(即屋面板下方)为不可燃镀铝锌钢板，屋面上表面为不可燃的厚度达2.0 mm的钢化玻璃，这一结构设计可提升隆顶系统的防火性能，使其符合GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》中A级不燃保温材料的标准。而且为了提高隆顶系统的安全性，在隆顶系统直流侧引入光伏组件关断器，如此可在隆顶系统出现意外情况时迅速关断直流侧电压及电流，避免由意外情况导致的危险进一步扩大。

隆顶系统优化了光伏组件与屋面的连接结构，通过将传统光电建筑中压块式的硬接触优化为胶状的软接触，扩大了接触点的受力面积，极大降低了接触点的应力，从而优化了光伏组件与屋面的受力结构体系；再辅以采用双层厚度各2.0 mm的钢化玻璃封装的光伏组件，使该隆顶系统的正面机械荷载可达到8100 MPa，在此条件下，光伏组件不会产生隐裂。对光伏组件进行静态机械荷载实验，实验后光伏组件的EL图像如图2所示。

图2 静态机械荷载实验后光伏组件的EL图像Fig. 2 EL image of PV modules after static mechanical load test

从图2可以看出，隆顶系统的机械荷载强度增加后，光伏组件未产生隐裂，确保了光伏组件的安全可靠，使屋面的抗冲击性能更强，提升了整体光电建筑的安全性。

2.2 高效防水

对于光电建筑而言，防水是对其的基础要求，也是其设计方案所需要解决的首要问题，防水的可靠性将直接影响光电建筑的基本功能。

隆顶系统在防水层面的设计从“设计一个好屋顶”的理念出发，采用金属围护结构中最成熟、最可靠的一种设计形式——360°直立锁边系统，并搭配通长版型，使整体屋面无搭接缝隙，从而实现了防水的高效可靠。同时，针对金属围护结构在使用过程中由于环境温差导致的温度应力，通过设计专用的可滑移支座来吸收由隆顶系统热胀冷缩产生的内应力，从而确保隆顶系统的密封性。针对降雪量大的地区，隆顶系统设计了专用填充胶进行锁边缝的填充，规避了因冬季积雪导致的虹吸渗水现象，从而使采用隆顶系统的光电建筑屋面结构在防水方面更高效可靠。

2.3 通风散热

对于降低建筑使用过程中的热工能耗，主要是通过在金属围护结构中安装保温棉来实现对建筑的隔热与保温。而晶体硅光伏组件在进行光电转换过程中，会有一部分太阳能量转换为热能散发出来；且晶体硅光伏组件的输出功率会受工作温度的影响，影响关系为负温度系数效应，即光伏组件的工作温度过高会影响其输出功率。由于建筑需要减少向室内传递的热量从而降低建筑能耗，所以在光电建筑的设计方案中，需要考虑建筑的散热设计。

隆顶系统通过对屋面外板的瓦型进行结构优化，设计了散热风道，利用空气对流带走光伏组件工作时产生的热量。有、无散热风道时光伏组件工作温度的仿真模拟对比图如图3所示。

图3 有、无散热风道时光伏组件工作温度的仿真模拟对比Fig. 3 Comparison of working temperature simulation of PV modules with or without cooling air duct

从图3的光伏组件工作温度仿真模拟可以看出，相比于密闭式无散热风道的使用环境，有散热风道可使光伏组件的工作温度降低，通过仿真结果可以得到降低值在10 ℃以上。而且光伏组件的工作温度降低后，可以使光伏发电系统的发电量提高约4%，同时还可以提升光伏发电系统中光伏组件的可靠性。

2.4 优化设计

作为一种应用于工业厂房的新型光电建筑屋面结构，隆顶系统的优化设计主要体现在以下3个方面。

1)在设计层面，隆顶系统通过硅酮结构胶将屋面外板与光伏组件粘接复合，形成BIPV产品，节省了BAPV形式的支架和夹具结构，减轻了整体屋面的重量，从整体节省了建筑结构的材料用量。

2)隆顶系统通过一体化等寿命设计理念，使建筑屋面与光伏发电系统在一般工业环境下可保持同样的寿命，从而避免了光电建筑中由于建筑屋面寿命与光伏发电系统寿命不同步导致的光伏发电收益无法达到预期这一情况产生的影响。

3)隆顶系统为BIPV产品，只需要一次施工即可完成整个光电建筑的金属屋面的施工。相较于采用BAPV形式时需要二次施工，隆顶系统不仅节省了施工的成本，还提升了施工的效率。而且隆顶系统具有良好的气密性、水密性、抗风揭能力及承载力，可满足建筑使用要求。

3 隆顶系统的施工工艺

隆顶系统的施工分为金属围护结构的施工和光伏发电系统的施工这2个主要环节。隆顶系统的整体施工工艺流程图如图4所示。

图4 隆顶系统的施工工艺流程图Fig. 4 Construction process flow chart of Longi-ROOF BIPV

隆顶系统屋面的施工步骤与金属围护结构的施工步骤一致，而光伏发电系统的施工步骤较采用BAPV形式时光伏发电系统施工步骤的变化较多，主要在于隆顶系统的安装连接结构有所改变，以及由此带来的屋面组件安装机械化施工的提升。比如在打胶环节，利用机器人可提高隆顶系统的施工速度，并提升施工质量。相比于采用BAPV形式时光伏发电系统的安装方式，隆顶系统可以大幅提高施工安装的效率，并且实现了机械标准化安装。

隆顶系统施工过程中的工艺核心控制点在于打胶的均匀一致性，以及电气接线的正确性。

4 结论

本文按照光伏建材化的设计理念，提出了一种应用于工业厂房的新型光电建筑屋面结构——隆顶系统。该屋面结构可以很好地满足建筑的基本需求，即满足防水、保温、隔热、安全等基本特性，同时还具备光伏发电能力。隆顶系统在大幅提高了施工安装效率的同时，还实现了机械标准化安装。