中船第九设计研究院工程有限公司

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BIPV在钢结构厂房的应用技术研究

申蕾、许笑笛、孔令兵、张宇红

中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200090

摘要：

本文研究适用于钢结构厂房的BIPV技术，使建筑自身变为一个“发电场”，实现“建筑零能耗”。

关键词：

BIPV  新型发电建材  建筑零能耗

引言

截至2020年，我国各类房屋总建筑面积约800亿m2，根据2020年住建部数据，年房屋竣工面积约40亿m2，建筑运行能耗占全社会能源消费比例约22%。在建筑上实现能源替代，零能耗建筑的推广对于按期实现“双碳”目标至关重要。

零能耗建筑一方面是节能，更重要的是创能。用BIPV技术，将光伏构件和建筑结合，建筑外围护结构使用光伏发电型建材，充分利用建筑物表面空间进行光伏发电，可以实现建筑创能。

因此，如何在钢结构厂房上应用新型发电建材，使其自身变为一个“发电场”，实现“建筑零能耗”是本文要重点探讨的问题。

1 BIPV简介

BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一体化），是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。我国建筑碳排放量占总碳排放量的1/3以上，因此解决建筑碳减排将是实现碳中和的重要途径。BIPV不仅可以实现与建筑完美融合，所产生的电力还能提供给建筑物使用，真正实现了建筑绿色和经济的共同发展，在众多建筑减碳形式中是解决建筑碳排放的有效方式之一。

BIPV适合大多数建筑，如屋顶、幕墙、天棚等。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，BIPV可分为两大类：

（1）光伏方阵与建筑的结合：这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支撑作用。

（2）光伏方阵与建筑的集成：这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。

BIPV有以下几个优势：

（1）绿色能源。太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境，不产生生态方面的副作用。太阳能又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。

（2）不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。

（3）BIPV采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。

（4）起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。

本文主要讨论墙面BIPV和屋面BIPV。

2 墙面BIPV

墙面BIPV是指将光伏组件直接集成到建筑的外墙表面，实现太阳能的捕捉和电能的生成。根据不同的设计和安装方式，墙面光伏一体化可以分为以下几种类型：

（1）光伏一体化外窗：是将太阳能光伏发电技术与建筑外窗相结合的一种新型建筑材料。它具有透明度、隔热、保温等功能，并能够将太阳能转化为电能供给建筑使用。

（2）光伏一体化非采光幕墙：是指将光伏发电系统与建筑幕墙相结合的一种建筑外墙形式。传统的光伏发电系统通常需要安装在建筑物的顶部或其他特定的位置上，而光伏一体化非采光幕墙则将光伏组件直接集成到建筑幕墙中，使其融入建筑整体。

（3光伏一体化玻璃幕墙：是将光伏发电系统与建筑幕墙相结合的另一种建筑外墙形式。使采光幕墙不仅具有采光功能，同时还能发电。

（4）光伏遮阳系统：是一种将太阳能电池板和遮阳系统相结合的创新系统。它利用太阳能电池板吸收太阳能并将其转换为电能，同时还可以起到遮挡阳光的作用，减轻夏季高温对建筑物造成的不适。

此外，墙面光伏系统一体化还有薄膜型、瓦片型光电建材等。

针对大型船舶企业多为钢结构生产厂房，建筑外立面局限性较大，鉴于墙面BIPV型光电建材成本高、发电效率低、维护系数高等因素，目前墙面BIPV在钢结构厂房的适用范围较为受限。

3 屋面BIPV

屋面光伏一体化是指将太阳能光伏系统与建筑物的屋面结合在一起，实现兼具发电和遮阳功能的建筑一体化设计。

3.1 屋面BIPV的类型

根据工业厂房屋顶的构造形态特点，工业厂房屋顶主要分为５种，即平坡顶、 坡屋顶、拱顶、多跨屋顶、多脊屋顶。结合大型船舶企业钢结构厂房配置彩钢瓦多脊屋顶的特点，目前市面上适用的屋面BIPV可以分为以下两种类型：

（1）W/V型导水槽式+光伏：是一种在光伏组件下方加装导水槽的形式，所述导水槽结构位于光伏组件与屋面之间，设有卡接部，与承重件进行可拆卸的卡接，并在卡接部的至少一侧设有导水通道。此种形式结构轻便，易于拆装，且不易发生漏水问题。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：是指将太阳能光伏电池板直接安装在建筑物的屋面上，与屋面材料进行紧密结合，形成一个整体。这种方式可以最大限度地利用建筑物的屋面空间来发电，同时还具有美观、节省空间和保护光伏电池板的作用。

3.2 船厂适用的屋面BIPV的比较

3.2.1构造比较

（1）W/V型导水槽式+光伏：光伏面板可替代屋面上层板，通过W型号导水槽、U型防水槽连接檩条与光伏面板进行固定，与组件连接处通过EPDM胶条密封。屋面不可直接踩踏，需采用检修跳板。

图1 屋面构造层次示意图1                  图2 W水槽节点图

构造层包括W/V型导水槽式+光伏屋顶构造：单玻单晶组件、W型导水槽、U型防水槽、EPDM胶条、检修跳板、防水透气膜、玻璃棉、隔汽膜、金属屋面底板。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：面板为直立锁边圆弧口铰合，通过船型支座将金属屋面板进行铰接，抗风性大大提高，防水性大大提升，且可踩踏。

图3 屋面构造层次示意图2

构造层包括双玻单晶组件、金属屋面外板、防水透气膜、玻璃棉、隔汽膜、金属屋面底板等。

3.2.2防水性能比较

（1）W/V型导水槽式+光伏：屋面光伏系统密闭性存在缺陷，暴雨时屋面导水槽会灌满溢出，引发室内漏雨，并且破坏屋面保温层。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：光伏组件通过胶粘方式固定，屋面无穿孔；无铝合金支架夹具，不产生电化学腐蚀，造成屋面产生漏水点；采用一体化设计施工，防水节点完善。因此，整体防水性能优秀。

3.2.3防火性能比较

（1）W/V型导水槽式+光伏：组件采用单层钢化玻璃、硅片电池、背板、铝合金边框构造，组件直接与防水透气膜、玻璃丝保温棉贴合，易产生光伏热板效应，继而直接引发屋顶构造层失火。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：组件无边框采用双层钢化玻璃加硅片电池，通过A级不燃检测认证。表面形成的灰尘会被自然雨水的冲刷掉，避免了热板效应，防火性能优秀。

3.2.4安装与运维比较

（1）W/V型导水槽式+光伏：为光伏屋面一体化形式，安装完成后屋面利用率为80%。面板严禁直接踩踏，需借助检修跳板运维及检修，可采用机器人清扫或人工清理，整体寿命在15年左右。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：为光伏屋面一体化形式，安装完成后屋面利用率为80%。面板满足踩踏要求，可采用机器人清扫或人工清理，且建筑与光伏同设计年限，整体寿命25年以上。

3.2.5耐久性比较

（1）W/V型导水槽式+光伏：抗风揭能力-3KPa左右，太阳能光伏组件通过压块固定在W型导水槽和U型防水槽上，容易发生连接失效现象，不能满足极端天气或海边项目的抗风性能要求，仅适用于风速较小、以及防水性要求较低屋顶。同时，构造层处密闭性差，水汽通长期存在构造层会加快内部金属构件锈蚀速度，整体寿命在15年左右。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：BIPV试验样品经过动态荷载后，静态风压极限荷载检测压力值为-10.89KPa，如采用附加抗风揭加固措施，抗风能力还能够大幅提高，可抵抗15级以上台风。同时，屋面板与配套固定座采用同质材料加工，避免了不同材料间电化学腐蚀，满足强风、强降雨、高腐蚀区域使用，满足25年质量保证，与光伏电站同寿命周期。

3.2.6造价成本比较

（1）W/V型导水槽式+光伏：装机容量指标为1.25MW/万平方米，构造层估价为200元/平方米，构造层以及光伏组件折算单瓦成本概算约为3.8元/瓦。

（2）屋面板与光伏直接一体化固定：装机容量指标为1.4MW/万平方米，构造层估价为220元/平方米，构造层以及光伏组件折算单瓦成本概算约为4.2元/瓦。

3.2.7比较结论

针对大型船舶企业钢结构厂房配置彩钢瓦多脊屋顶的特点，对目前市面上适用的两种屋面BIPV进行构造、防水性能、防火性能、安装与运维、耐久性、成本的比较，考虑到厂房自身建筑寿命，分布式光伏电站的安装容量及发电量、光电建材的寿命、光伏发电系统的安全性以及维护的难易程度，建议采用屋面板与光伏直接一体化固定的光电建材用于新建钢结构厂房屋面BIPV技术。

4 BIPV的电气系统分析

BIPV系统的电气系统和常规分布式光伏电站类似，一般由光伏组件方阵、直流汇流箱、逆变器、交流配电柜、并网接入系统、布线系统和监测系统等设备组成。电气系统主要解决以下问题： 
     （1）合理布置光伏发电建材，进行科学的串并联设计，保证线路规整、隐蔽； 
     （2）合理选型逆变器等电气设备，满足安全、功能需求的前提下，进行经济性控制； 
     （3）根据并网接入要求，确定适当的并网形式、并网电压等级，并按电网要求配置相关电气保护及功能。

4.1 光伏组件的选择

BIPV组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求：坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能、如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观，还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装及运输等。若是用于窗户、天窗等，则必须能够透光，就是说既可发电又可采光。除此之外，还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。BIPV的设计应根据建筑功能、设计理念、建筑条件等因素确定光伏组件可利用位置、面积，从而选择类型、尺寸、颜色和安装方式。

4.2 逆变器的选择

太阳电池方阵所发出的是低压直流电，要与电网连接，必须经逆变器变换成220V、380V甚至更高电压的交流电。逆变器应能保证电网、设备和人身安全，并保证电能质量。BIPV优先选用组串式逆变器，尽量增加MPPT输入回路数量，使光伏系统具备较好的最大功率跟踪优势，有效应对遮挡等不利因素。并网逆变器的功率和台数与光伏方阵的布置有关。选取逆变器时需要考虑额定功率、转换效率、最大可接入MPPT回路数量等问题。组串逆变器尽量靠近光伏方阵安放，减少线路损耗。

4.3 并网和接入

BIPV系统的并网和接入要结合项目建设条件、容量规模、考虑发电系统造价，进行多因素综合评估，进行合理经济性分析后，确定安全可靠的方案。BIPV光伏系统一般应采用自发自用余电上网方式接入用户侧电网，光伏并网应符合就近分散接入，就地平衡消纳设计原则。根据项目条件，选择单点集中并网或多点分散并网方式。并网点的选择和电网条件、负载和线路损耗等因素有关。

4.4 消防

BIPV系统需防止火灾隐患，设计、实施时要注意消防安全，应满足所在建筑部位相应的消防等级要求，和建筑消防统一设计、施工。

4.5 防雷和接地

BIPV系统作为建筑电气设计的一部分，与建筑物的防雷和接地系统统一设计。防雷等级分类和防雷措施按现行国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2016）和《光伏发电站防雷技术要求》（GB/T32512-2016）相关规定执行。

4. 6电缆

光伏系统中光伏组件串联、组串与逆变器连接，都是采用直流电缆，必须满足防潮、耐寒、耐热等要求。电缆安装过程中，电缆经常弯折、拉伸，更加速了电缆的老化，增加了维修成本，直接影响了光伏系统的使用寿命。所以BIPV系统布线时必须采用光伏专用电缆，满足相关行业标准。

5 结论

针对大型船舶企业钢结构厂房配置彩钢瓦多脊屋顶的特点，对目前市面上适用的两种屋面BIPV进行构造、防水性能、防火性能、安装与运维、耐久性、成本的比较，考虑到厂房自身建筑寿命，分布式光伏电站的安装容量及发电量、光电建材的寿命、光伏发电系统的安全性以及维护的难易程度，给出新建钢结构厂房采用BIPV技术的建议形式，并列出BIPV电气系统的设计要点。

6 参考文献

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[2]孙瑞鸿,周盛世,李龙. "双碳"背景下光伏建筑一体化发展影响因素分析[J]. 湖南工业大学学报,2023,37(2):65-71. DOI:10.3969/j.issn.1673-9833.2023.02.010.

[3] 姜雷,胡忆南. 工业厂房光伏屋顶构造形态对发电效益的影响[J]. 济南大学学报（自然科学版）,2022,36(2):183-188,195. DOI:10.13349/j.cnki.jdxbn.20211106.001.

[4]李虎,刘祥,殷建家. "碳中和"背景下零能耗建筑BIPV技术研究与案例分析 ——以安徽天柱绿色能源科技有限公司办公楼为例[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报,2022,21(2):18-22. DOI:10.3969/j.issn.1671-802X.2022.02.005.

申蕾（1989.8- ），女（汉族），主要从事建筑电气设计，工程师；

许笑迪（1988.6- ），女（汉族），主要从事建筑设计，工程师；

孔令兵（1982.3- ），男（汉族），主要从事建筑电气设计，研究员；

张宇红（1970.8- ），男（汉族），项目设计经理，高级工程师。

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