光伏太陽能板鋼結(jié)構(gòu)廠房施工技術(shù)

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(jī)的加深和環(huán)保意識的增強(qiáng),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(fā)電已成為最主要的可再生能源形式,是當(dāng)今世界上最有前景、發(fā)展?jié)摿ψ詈玫男屡d產(chǎn)業(yè)。從能源供應(yīng)安全與潔凈利用的視角出發(fā),當(dāng)今世界上不少發(fā)達(dá)國家都將太陽能發(fā)電的商業(yè)研究與使用視為一種重大的經(jīng)濟(jì)發(fā)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(yè)也得到了重大進(jìn)展,但中國作為能源消費(fèi)大國和太陽能資源強(qiáng)國,和歐、日美等發(fā)達(dá)國家有著很大差異。尤其是中國太陽能綜合利用技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

1、光伏太陽能板研究現(xiàn)狀

1.1 太陽能光伏鋼結(jié)構(gòu)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(guī)的啟發(fā)，北京南站雙玻璃太陽能電池組件集成項(xiàng)目，青島客運(yùn)站太陽能電池組件集成項(xiàng)目（首都博物館薄膜電池項(xiàng)目）。建筑節(jié)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(fā)電結(jié)構(gòu)體系。

太陽能發(fā)電綜合鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的定義，鋼結(jié)構(gòu)太陽能發(fā)電綜合系統(tǒng)包括大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)（網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、梁軌結(jié)構(gòu)等）和普通住宅鋼結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房輕鋼結(jié)構(gòu)和特殊景觀鋼結(jié)構(gòu)（如平屋頂、墻體、幕墻、采光屋頂?shù)龋┻@意味著合理類型的結(jié)構(gòu)連接在建筑的相應(yīng)部分形成太陽能電池板布置。集成到鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或集成太陽能發(fā)電模塊中，替換一些傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并將其集成到鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，形成一定規(guī)模的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

太陽能與鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合具有獨(dú)特的優(yōu)勢，好處：在不增加地面資源、本地設(shè)施、本地發(fā)電和互聯(lián)網(wǎng)接入的情況下，有效降低建筑能耗。集成鋼太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用形式多種多樣，適用于工業(yè)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(tǒng)或光伏集成系統(tǒng)。根據(jù)太陽能發(fā)電集成系統(tǒng)可以通過連接器、螺栓、焊接等容易地與鋼結(jié)構(gòu)部件組合，實(shí)用新型應(yīng)用形式多樣，易于安裝，可控制和提高鋼結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

1.2 光伏電站的運(yùn)行原理

目前，世界上太陽能發(fā)電廠的主流是接入太陽能電網(wǎng)的系統(tǒng)（以下簡稱并網(wǎng)模式），在并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能電池的直流輸出通過逆變器的控制轉(zhuǎn)化為交流電，然后通過控制回路進(jìn)入電網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)可分為本地網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)和集中式網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)，前者的特點(diǎn)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能直接分配到低壓電源。因?yàn)橛幸粋€單獨(dú)的變電所不能直接聯(lián)系到整個大電網(wǎng),所以后者可以通過把富余或不足的電力直接聯(lián)系到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)中來調(diào)節(jié)。光伏太陽能板鋼結(jié)構(gòu)廠房利用公開太陽能發(fā)電系統(tǒng),包括整套太陽能發(fā)電系統(tǒng),其特點(diǎn)在于,將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量直接增加或送入高壓輸電網(wǎng),將能量均勻分布到整個電網(wǎng)中,再分?jǐn)偨o多個供電方。當(dāng)內(nèi)部電力負(fù)載超過了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載,而外部供電的負(fù)載又低于了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載,那么剩余的電能才能返回到輸電網(wǎng)。也因此,即使在雨天,也不需設(shè)置多個太陽能發(fā)電機(jī)來最大限度地供應(yīng)電能。也因此,系統(tǒng)技術(shù)成本低,消耗能量少。和獨(dú)立供電系統(tǒng)一樣,節(jié)能18%左右，效率可達(dá)90%以上。

1.3 太陽能光伏鋼結(jié)構(gòu)集成體系若干技術(shù)研究

太陽能組件與鋼結(jié)構(gòu)的連接與集成技術(shù)，太陽能發(fā)電一體化鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要技術(shù)是保證太陽能電池組件與鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐水性、隔熱性等施工條件，以及系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和耐久性。隨后，總結(jié)了幾種常見的應(yīng)用單連接和合并技術(shù)。

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到安全性、防水性、氣密性和可維護(hù)性的要求，雙玻璃隱框光伏組件的設(shè)計(jì)是一個很好的結(jié)合。

多層太陽能發(fā)電系統(tǒng)可應(yīng)用于多層鋼結(jié)構(gòu)墻，該安裝工藝不僅適用于雙層玻璃太陽能發(fā)電組件，也適用于普通標(biāo)準(zhǔn)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(shù)要求不高。由于屋頂用于喚醒和照亮鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)可以采用光伏點(diǎn)或蝶形一體化鋼結(jié)構(gòu)體系，爪形連接器直接用于結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(cè)的耐水性。本組合的設(shè)計(jì)和施工要求可參考《玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003。在大型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的屋面卷材上，直接安裝在太陽能發(fā)電板上的太陽能發(fā)電模塊形狀主要是一個集成太陽能發(fā)電系統(tǒng)。因此，太陽能組件和屋頂板的組合是一項(xiàng)重要的技術(shù)。通常情況下，光伏組件通過導(dǎo)軌連接到上板，然后使用拉鎖端和中間拉保險(xiǎn)絲固定太陽能組件和導(dǎo)軌。設(shè)計(jì)時，牽引鎖之間的最大距離應(yīng)根據(jù)太陽能電池組件的風(fēng)荷載、雪荷載和其他沖擊荷載確定。

圖1 光伏鋼結(jié)構(gòu)隱框式集成系統(tǒng)

圖2 光伏鋼結(jié)構(gòu)單點(diǎn)式集成系統(tǒng)

1.4 太陽能光伏鋼結(jié)構(gòu)集成體系設(shè)計(jì)技術(shù)

太陽能建筑物的架構(gòu)設(shè)計(jì)并不能完全和傳統(tǒng)太陽能建筑物的架構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)建筑物的支撐能力設(shè)計(jì),主要考慮自重產(chǎn)生的熱負(fù)荷、行走負(fù)載和風(fēng)負(fù)荷。目前,中國大部分建筑物在早期建設(shè)階段并未明確考慮太陽能發(fā)電廠所產(chǎn)生的建筑荷載。因?yàn)檫@樣,后續(xù)的太陽能系統(tǒng)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(shù)并直接對建筑物產(chǎn)生損害。而克服這一問題的主要途徑就是把太陽能系統(tǒng)和廠房施工相結(jié)合,以有效支撐建筑。鋼結(jié)構(gòu)與太陽能發(fā)電組件集成的關(guān)鍵技術(shù)是太陽能發(fā)電組件的結(jié)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電和地震力計(jì)算與檢測，以及安裝這些連接部件的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)太陽能發(fā)電模塊的參考強(qiáng)度值，計(jì)算不同載荷條件下的試驗(yàn)強(qiáng)度，太陽能充電模塊包括自重模塊、自重支撐、風(fēng)荷載、雪荷載和地震作用。在計(jì)算太陽能組件支架和導(dǎo)軌的強(qiáng)度試驗(yàn)時，考慮了自重、風(fēng)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(fù)合支架上，則必須確認(rèn)組件的強(qiáng)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(yè)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(jī)上，需要手動支撐。在某些情況下，太陽能電池組件由起重機(jī)提升到近似位置，安裝位置的制造商從起重機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)注意確保安裝現(xiàn)場通道的安全。有時，施工人員被派到與起重機(jī)太陽能組件一起放置的地方，施工人員使用起重機(jī)直接安裝和維修太陽能電池。

2、鋼結(jié)構(gòu)廠房施工技術(shù)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)施工

在施工過程中，根據(jù)《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》gb50209-2002，基礎(chǔ)必須分層密封，密封的地板應(yīng)為最佳含水量。在進(jìn)行大型操作或建造大型滲漏之前，應(yīng)使用土壤樣本，以根據(jù)強(qiáng)制性試驗(yàn)確定最佳含施工位置。鋼結(jié)構(gòu)太陽能電池生產(chǎn)車間占地面積大，層高高。研討會最重要的結(jié)構(gòu)形式是鋼結(jié)構(gòu)。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(dú)的柱下，外墻和蓋板由75 厚鋼板制成的鋼板包圍。應(yīng)注意彩鋼外墻板的材料要求、耐腐蝕性和防腐處理?xiàng)l件。由于受太陽能電池產(chǎn)生的酸性環(huán)境的影響，彩鋼外墻下端存在弱腐蝕接縫。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)條件控制板厚，適當(dāng)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(fā)電系統(tǒng)的建筑技術(shù)解決方案

太陽能組件位于鋼鐵廠屋頂?shù)挠行^(qū)域，考慮到最大年發(fā)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(jù)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(fēng)侵蝕，太陽能系統(tǒng)的鋼涂層必須符合最高規(guī)格。

太陽能電池可以通過三種方式連接到鋼結(jié)構(gòu)建筑的屋頂。道路連接方式，輕型鋼結(jié)構(gòu)太陽能電池支架與成套設(shè)備的主鋼結(jié)構(gòu)牢固連接。這是太陽能和建筑之間的傳統(tǒng)基本聯(lián)系，本實(shí)用新型通過調(diào)整多晶硅太陽能電池太陽能發(fā)電組件的角度，適用于傳統(tǒng)工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)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(jīng)久耐用（見圖4）。

圖4 輕鋼結(jié)構(gòu)支架安裝太陽能電池組

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，太陽能與建筑物間的傳統(tǒng)聯(lián)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(fā)電系統(tǒng)荷載和風(fēng)負(fù)荷。所以,在建筑中,設(shè)備的主體構(gòu)件都應(yīng)該保持有很大的承載空間。太陽能發(fā)電本身也是為了節(jié)約能源、環(huán)保、降低空氣污染和減輕碳排放量。但是,為了太陽能發(fā)電機(jī)的支持,由于屋頂結(jié)構(gòu)和太陽能產(chǎn)生的巨大鋼材損耗,主體構(gòu)件中的鋼用量也必須加大。又因?yàn)殇搹S本身耗費(fèi)了大量燃料,這些化合物都不利于建筑環(huán)保，所以主體構(gòu)件和配套太陽能發(fā)電機(jī)中用鋼量的增多提高了建造成本,這也是生產(chǎn)的主要阻礙。另外,由于沿海地區(qū)的鐵鹽侵蝕現(xiàn)象十分強(qiáng)烈,鋼支架防腐涂層的維修成本也一直很高。當(dāng)以這種接線方式安裝在環(huán)形屋頂線上時,由于其與主體結(jié)構(gòu)的緊密連接，可能會導(dǎo)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(fù)雜，漏水風(fēng)險(xiǎn)高，單板自支撐屋頂上還需要防風(fēng)雨鋼防水層。

超輕型結(jié)構(gòu)和硬塑料結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，推導(dǎo)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(tǒng)這一事實(shí)。太陽能電池的支撐部分使用鋁合金、塑膠等耐光材質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shí)用新型的主要特征與優(yōu)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(jié)構(gòu)柔性相連,太陽能電池組件本體與太陽能發(fā)電機(jī)組本體的總重量荷載相當(dāng)輕。這樣,即可忽略屋面荷載,在較小的荷載裕度下實(shí)現(xiàn)屋面結(jié)構(gòu)的節(jié)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(fù)荷都增加了。B.太陽的支撐和屋頂是軟結(jié)構(gòu)。支架本身也能有效吸收風(fēng)壓和變形。它是一種柔性結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)性強(qiáng)，這反映在支架的材料消耗上。此外，它更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、更環(huán)保、二氧化碳更少，制造鋼不需要很多鍍鋅鋼和浪費(fèi)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(jié)構(gòu)和硬塑結(jié)構(gòu)的太陽能電池是未來中小型工業(yè)建筑與太陽能一體化發(fā)展的方向。它帶來了更多的施工優(yōu)勢、更高的材料成本和消耗、易于安裝、工廠預(yù)制、工業(yè)化、低碳和環(huán)保。

2.3 社會經(jīng)濟(jì)效益分析

太陽能發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)理是硅半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，項(xiàng)目施工所用材料主要為工程塑料、鋁合金型材、結(jié)構(gòu)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(yùn)營期間不會對施工人員或環(huán)境造成不利影響。

社會經(jīng)濟(jì)效益分析，開發(fā)新的替代能源是一項(xiàng)緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)，太陽能是最有希望的發(fā)展方向。目前，投入產(chǎn)出比已無法與傳統(tǒng)發(fā)電廠和風(fēng)力發(fā)電相比，但隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大和制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，硅冶煉工藝變得廉價(jià)，成本逐漸降低。另一方面，一旦《新能源議定書》簽署，隨著傳統(tǒng)能源的減少和化石燃料環(huán)境成本的翻倍，價(jià)格將繼續(xù)上漲。與水電、核電等非礦物能源相比，太陽能發(fā)電廠還具有促進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)、處理核廢料、分布靈活、易于設(shè)計(jì)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來，結(jié)合國外主要工業(yè)化國家太陽能并網(wǎng)發(fā)電，特別是屋頂太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

結(jié)語：

作為一家高科技公司，技術(shù)必須是第一位的，在新技術(shù)中，技術(shù)快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)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(yùn)營市場的機(jī)會，是太陽能公司對項(xiàng)目經(jīng)理的高要求。高素質(zhì)人才應(yīng)該是懂技術(shù)、懂管理的復(fù)合型人才，使大多數(shù)項(xiàng)目經(jīng)理能夠不斷提高自己的專業(yè)技能，并希望“開發(fā)太陽能，將所有人類利益納入自己的責(zé)任”。我們希望為太陽能公司創(chuàng)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。