1、超大面积曲线屋面非晶硅太阳能光伏发电系统施工论文超大面积曲线屋面非晶硅太阳能光伏发电系统与建筑的一体化施工工法威海建设集团股份有限公司 李启东 孙显辰 柏宝平 李文茂 陈彪1、前言根据国家可再生能源中长期发展规划，到2010年，我国太阳能光伏发电装机总容量将达到400兆瓦，2020年达到2200兆瓦。目前主流光伏产品多是晶体硅太阳能电池，其原材料是高纯度硅，在我国十分短缺。为了提高太阳能光伏发电总峰值功率，需要超大面积场地，考虑到土地资源的紧缺，威海市民文化中心工程将整个光伏发电系统安装在屋面，屋面水平投影面积达6030，且屋面为椭球状钢桁架结构，上表面呈南北对称双曲线形，如图1-1建筑效果图
2、所示。而采用的非晶硅电池是一种新型薄膜太阳能电池，本工程所用太阳能电池板是在工厂由钢化玻璃两层间夹非晶硅电池并抽为真空封装而成，电池的板块能更好地配合建筑屋面分格，既可替代屋面材料、耐久性好，也可以实现曲屋面变坡要求，同时完成并网发电，光电系统与建筑屋面融为一体。非晶硅电池以其独特的美观性能、稳定可靠的发电性能、经济低廉的成本和设计选型的多样性，能够比较完美的实现光伏建筑一体化（BIPV）。本工程光伏发电总峰值功率为273.24KW，面积仅次于上海世博中心，是目前世界最大规模的非晶硅BIPV光伏屋面系统之一。本工法研究应用了超大面积曲线屋面非晶硅太阳能光伏发电系统的深化设计、整体构造、金属结构
3、装配、电池组件安装固定、电气和防雷系统安装技术以及光电系统调试，突出了各专业间工序穿插与光伏建筑一体化施工技术。2、工法特点2.1本工法采用非晶硅光伏发电系统与屋面结构相结合的建筑一体化，既避免了硅资源短缺的矛盾，又充分利用了屋顶空间作为光伏发电系统的载体，同时光伏玻璃又作为屋面永久围护结构，二者融合在一起，使建筑物更加绿色环保、美观洁净，使光伏发电不占用土地、无噪声、零排放不需要能量储存设备、在用电地点发电避免或减少了输配电损失等。2.2本工法重点研究应用了超大面积下屋面结构消解伸缩变形技术、复杂曲线屋面下支座及纵横支撑龙骨变坡过渡技术、光电玻璃屋面的雨水收集排放技术、光电系统与建筑物防雷装
4、置的一体化施工技术、BIPV太阳能电池组件安装及电气线缆设备安装施工技术、光电系统调试及维护技术等，形成了超大面积曲线屋面非晶硅太阳能光伏发电系统与建筑的一体化施工的成套技术。2.3本工法光伏发电系统除可以保证自身建筑物内用电外，还可以向电网供电，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益。2.4本工法采用单片机闭环控制监测逆向功率和电流，对光伏系统的运行进行最优化控制，保证光伏系统并网稳定、可靠、不逆向送电而造成电网污染。2.5本工法整个光伏屋面系统构造施工，还兼顾屋面吊顶内保温节能、室内大空间美观适用、室外使用维护简易，在各种情况下均可正常工作。3、适用范围适用于所有采用太阳能光伏发电屋面系
5、统的工程，屋面既可以是简单的平屋面也可以是有复杂造型的不规则屋面, 屋面面积及柱网尺寸可大可小。4、工艺原理系统由一定数量的非晶硅BIPV太阳能电池组件、集线箱、逆变器、配电设备等构成。太阳能电池组件串组成若干个方阵。本工程系统由2700块非晶硅BIPV太阳能电池组件、集线箱、逆变器、配电设备等构成，屋顶平面如图4-1所示。太阳能电池组件2串30并组成45个方阵，选用德国KACO公司的Powador 4501xi单相逆变器45台。系统将已安装在屋面的太阳能电池组件串联连接好,分别引出总的正、负极，每2串30并组通过线槽引入一个集线箱，再将集线箱的线缆引至逆变器，逆变器将直流电转变成交流电，将逆
6、变器转换的电能通过并网柜与外电网并联运行，完成并网发电。本系统配备了通讯及监控系统，由质量可靠的PC机、数据采集器、传输电缆及其它相关附件组成，并通过先进的监控与显示系统实时监控。系统还具有先进的人机互动功能，采用LCD液晶显示屏，可监测和显示系统直流工作电压和电流、交流输出电压和电流、功率、功率因数、频率、故障信息以及环境参数，统计和显示日发电量、总发电量等信息。整个光伏屋面系统构造主要由四部分组成，如图4-2所示，即承重纵横向钢结构桁架及檩条、屋顶拼为一体的光伏玻璃组件（BIPV）方阵及纵横向支撑龙骨、电气线缆线槽集线箱等、桁架下弦的展厅天棚保温及吊顶四部分，光电系统与建筑屋面有机组合、融
7、为一体。总体施工工艺也按此顺序展开。该构造同时满足大面积、大空间、平曲面光伏屋顶、电气管线安装、节能美观等多项要求，实现光伏建筑一体化施工。5、施工工艺及操作要点5.1工艺流程图主要施工工艺流程：承重结构墙柱施工屋面承重结构分格及光伏组件方阵深化设计-钢结构桁架安装-测量放线钢托架安装-支撑龙骨安装-光伏组件安装-电缆线槽安装-交流直流线缆敷设-逆变并网设备安装-监控系统安装防雷系统安装-光伏系统并网调试-光伏系统清洁保护天棚内其它管线安装-保温及吊顶-竣工验收-并网发电。5.2光伏玻璃屋面安装施工工艺5.2.1屋面承重结构分格及光伏组件方阵深化设计根据承重结构墙柱纵横向轴线尺寸，首先经若干等
8、分后确定BIPV光伏组件的理论规格尺寸，从而确定相应的支撑龙骨纵横向间距，由此确定支撑龙骨用的钢托架与可调支座纵横向间距，最后确定钢方管檩条和纵横钢桁架间距，同时根据BIPV光伏组件总数量，平均每几串若干块并组，组成若干个方阵。本工程柱网尺寸为：8.4m8.4m、纵横钢桁架间距4.2m4.2m、由钢方管檩条搭成4.2m2.1m的网格状承重结构、可调支座纵横间距2.1m1.05 m（即网格状承重结构四等分）、主、次龙骨形成2.1m1.05 m支撑体系、光伏玻璃组件理论规格尺寸即为: 2.1m 1.05m，实际尺寸因四周有20mm宽耐候胶嵌缝，长、宽度相应缩小20mm。共设有2700块非晶硅电池组
9、件，平分为45个方阵，每个方阵2串30并组计60块。5.2.2 钢结构桁架安装承重结构墙柱施工时，墙柱顶预埋钢板用于焊接钢桁架，钢管桁架安装采用高空散装法，并根据屋面标高及造型现场组装焊接，形成纵横向钢桁架方格，然后安装钢方管檩条，形成网格状承重结构，经卸载后保留下方满堂操作脚手架。5.2.3 钢托架与可调支座安装先根据图纸及深化设计测量放线，确定光伏发电系统的支撑龙骨安装和固定位置。如图5.2.3-1所示，在钢管桁架上弦杆焊接钢托架，在钢托架上及钢檩条上焊接U形钢底座，在钢底座上采用螺栓连接安装倒U形8mm厚镀锌钢件，由于该钢件上开有连接用的四个条形孔，故钢件顶面标高、角度可以微调，形成支撑
10、龙骨用的可调支座。如图5.2.3-2、5.2.3-3所示。5.2.4 支撑龙骨安装1 主龙骨与支座连接及主、次龙骨连接：支撑光伏组件的主、次龙骨均采用专用铝合金型材，截面形式如图5.2.4-1、5.2.4-2所示，主龙骨一端采用螺栓连接固定在支座上，另一端采用两块连接钢板与相邻段连结成通长（图5.2.3-1、5.2.3-2、5.2.3-3）；次龙骨位于两主龙骨之间，通过铝合金槽形、角形件与主龙骨螺栓连接（图5.2.3-2、5.2.3-3）所示。主、次龙骨形成支撑体系。2 龙骨伸缩缝的留设：由于屋面面积大、昼夜温差也大，主龙骨伸缩缝每段接头间留有不小于15mm间隙, 且采用的连接钢板上均开有椭圆
11、形螺栓孔，可调节因温度变化引起的伸缩，如图5.2.3-3、5.2.4-1所示。各段次龙骨与主龙骨之间用螺栓连接，这样支撑体系形成单独的铰支结构体系,本身具备吸收和消化变形的能力。3 平面、曲面部分的龙骨变坡度做法：平面、曲面过渡及支撑龙骨变坡度综合采用四项措施：支撑主龙骨的可调支座标高、角度可以调整；每段主龙骨接头留间隙且采用的连接钢板椭圆形螺栓孔使此处可变坡度；次龙骨每段长度小连续折线渐近弧线；主、次龙骨上的螺栓支垫帽上下可调整支撑光伏组件。形成的曲面弧度顺畅，满足设计要求。5.2.5 不锈钢板虹吸雨水屋面安装光伏发电屋面排水采用虹吸雨水系统，在屋面的最低处局部设有不锈钢屋面，便于开孔安装虹
12、吸雨水口，其它光电玻璃屋面的雨水将汇集到此处排放。不锈钢屋面处支撑龙骨的做法相同，不锈钢板与光伏玻璃接缝构造如图5.2.4-1所示。本工程不锈钢板虹吸雨水屋面约106，设在双曲线屋面的两个最低处，如图4-1所示屋顶平面。5.2.6 光伏组件安装光伏组件是专业生产厂家加工，组件四周的铝合金框架应整洁无腐蚀斑点，与光伏玻璃组装严密，电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，组件运输到工地进行安装。主、次龙骨型材顶部有可调螺栓支垫帽、通长U形卡槽，如图5.2.3-3、5.2.4-2所示，组件安装时应调节龙骨上的螺栓支垫标高, 组件应垫稳无晃动且使安装的组件与周围已安完组件接缝顺直、相邻板块高低差符合要求
13、。卡槽内有螺帽，通过M560螺钉与其顶部的可调连接件组成锚拉件，可调连接件伸入光伏组件边框凹槽内并压住两侧组件，通过紧固螺栓将组件固定在龙骨上。组件间拼缝塞入泡沫塑料胶条并用耐候胶嵌缝。如图5.2.6-1所示。 5.3 电气线缆设备安装施工工艺5.3.1 线槽及集线箱安装水平线槽安装在纵横支撑龙骨下、钢桁架及檩条之上，线槽安装应平直，各种附件齐全，出线口的位置准确；线槽的所有非导电部分的铁件均应相互跨接，并整体接地。集线箱安装在钢桁架腹杆间，如图4-2、5.3.1-1所示。5.3.2 电缆敷设连接系统中太阳能组件至逆变器和控制保护单元间直流输入连接的电缆采用镀锡铜绞线。1 太阳能电池组件的线缆
14、连接，串联接线，组件有两根电缆引出，有正负之分，必须确认接线极性，将线缆引到线槽及集线箱内。如图5.3.2-1所示。2 集线箱到逆变器的接线，集线箱内并联接线，并把组件串的编号标记在电缆上，按标记和图纸进行接线。图5.3.3-1 配电室3 交流输出侧供电电缆采用铜芯聚氯乙烯绝缘线缆，将逆变器的输出电缆连接到并网配电柜，做好标记。5.3.3 配电柜的安装与线路连接本工程用的配电室设在地下室，光伏发电系统配电室设在四楼西侧，首先安装配电柜基础槽钢，将配电室内接地干线与槽钢可靠连接。逆变器符合安全规定及CE认证，直流集线器、逆变控制柜、并网联络柜等电气控制箱体和柜体，应符合国家的相关认证。如图5.3
15、.3-1所示。箱内接线包括分回路的电线与配电柜元件连接，弱电消防等控制回路导线的压接。根据导线的功能、线径及连接器件的种类采用不同的连接方式，主要分为与母线连接、与断路器出线孔连接两种情况。与母排连接的电线通过接线端子连接；与断路器连接的电线插入断路器的出线孔后，通过压紧螺丝固定，多股线搪锡后才能连接。5.4光伏发电系统与建筑物防雷装置的一体化施工5.4.1 太阳能电池板防雷施工太阳能电池板本身是绝缘体，其感应电荷主要集中于四周铝合金框架上。因此，如图5.4.1-1所示，铝框架安装时应预留伸出屋面的引下线，以便与屋面上后安装的避雷网可靠焊接，使太阳能电池板四周铝合金框架与支架导通连接，支架均采
16、用等电位连接接地。5.4.2 对沿直流输入线和交流输出线侵入的感应雷的防护安装施工1 针对沿直流输入线侵入的感应雷的保护：一是在太阳能电池方阵的汇线盒内进行一级防雷保护，安装防雷过电压浪涌保护器；二是逆变器有过电压保护功能。2 对于沿交流输出线侵入的感应雷的保护，安装防雷过电压浪涌保护器，同时并接的外部电网系统也有防雷系统进行保护。3 对所有引入机房的线槽金属外壳进行可靠接地处理，以削减雷电波侵入的幅值。 5.5 监控系统安装根据监控系统安装图纸、逆变器、数据采集器的接线端子标示以及温湿度传感器、光照强度传感器等按安装位置接线，线路要和强电缆分离布放。电站运行的监控系统由数据处理软件、计算机、
17、显示器组成。利用电话线或因特网以及GPRS就可以建远程监控系统。监控电站的运行就是收集逆变器的数据。电站数据采集器通过RS232/RS485数据总线、电力载波等可以将逆变器存储的数据收集起来，再通过数据线传输给电脑。使用专门的软件可以对数据进行处理。数据采集器可接温度传感器、光照传感器，将这部分数据进行采集处理。以上设备都符合欧盟的相关规则和要求，也符合89/336/EWG中所规定的EMC准则和73/23/EWG中所规定的LV准则。5.6 系统调试5.6.1运行调试前准备：先应对逆变器、配电柜、配电箱试运行，符合设计要求后，方可进行调试工作；检查太阳能光伏组件的二极管连接、逆变器、配电柜的接线
18、是否正确。 5.6.2监控系统检测：检测逆变器到计算机间的RS485通信线是否通信正常；检查光伏系统监测软件是否已经安装，是否可在计算机上正常启动使用。5.6.3系统性能的检测与调整：启动系统设备，观察逆变器、配电柜是否正常工作；检查监控软件是否正常显示光伏系统发电量、电压、频率、CO2排放量等系统参数。5.7 电站的运行、巡视和检查电站运行前，检查送电线路有无可能导致供电系统短路或断路的情况；确认输配电线路无人作业，确认系统中所有隔离开关、空气开关处于断开位置；确认所有设备的熔断器处于断开位置；确认太阳电池方阵表面无遮挡物；记录系统的初始状态及参数，这是实现电站安全启动的重要环节。巡视检查用
19、电高峰是否过载，抄表记录各监视设备；周期性检查通风、电压、控制器、逆变器工作状态是否正常。5.8太阳能光伏发电系统维护5.8.1 太阳能电池方阵维护1) 应保持太阳能电池方阵采光面的清洁，如有灰尘，应先用清水冲洗，后用干净纱布擦干，切勿用有腐蚀性的溶剂冲洗或用硬物擦拭。2) 应注意太阳能电池方阵周围无遮挡太阳光的物体，定期检查太阳能方阵参数，以保证方阵不间断地正常供电。3) 应每月检查一次各太阳能电池组件的封装及接线接头，发现有无封装开胶进水、电池变色及接头松动、脱线、腐蚀等现象。5.8.2逆变器维护1) 逆变器进行维护检修时，要断开输入电源。逆变器工作环境应干燥、通风、防潮、内部保持清洁。2
20、） 应定期检查逆变器风扇、功率模块、输入端子、输出端子、接地等各部分的接线是否牢固。检查逆变器的工作声音是否正常，是否有异味产生。3） 若告警停机，不准立即开机，应查明故障原因修复后再行开机。6、材料及设备6.1材料：钢桁架、钢檩条、支撑龙骨、太阳能电池组件、电缆、钢件、线槽、集线箱、光伏专用接头、逆变器、监控系统、电器控制配电柜等。6.2器具：FA-32自动水准仪、全站仪、标线仪、1000V低压摇表、铆钉枪、万用表、压线钳、螺丝刀、钳形电流表、小电钻等。6.3设备：塔式起重机、汽车吊、交流电焊机、电动葫芦、D400砂轮切割机等。7、质量控制7.1材料要求7.1.1太阳能电池组件：1 光伏组件
21、在规定工作环境下，使用寿命应大于20年。2 组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点无氧化斑。3组件的每片电池与互连条应排列整齐，组件的框架应整洁无腐蚀斑点。4 组件的封装层中不允许气泡或脱层。5 组件在正常条件下绝缘电阻不能低于200兆欧。7.1.2电缆：太阳能组件至逆变器和控制保护单元间直流输入连接的电缆采用镀锡铜绞线，绝缘护套均为XLP、光电设备专用线taiyo 4mm2，产品应通过TUV、CE等认证；交流输出侧供电电缆采用铜芯聚氯乙烯绝缘护套耐火阻燃电线（电缆）NHZR-YJV产品符合标准：GB/T12666.5标准。7.1.3线槽：本系统配线线槽采用金属线槽，线槽壁厚1mm，
22、做防锈静电喷塑电脑灰处理。7.1.4光伏专用接头：光伏专用接头产品应通过TUV、CE认证。7.1.5逆变器: 逆变器符合安全规定及CE认证：符合欧盟的相关规则和要求；也符合89/336/EWG 中所规定的EMC 准则和73/23/EWG 中所规定的LV 准则。7.1.6监控系统: 电站运行的监控系统由数据处理软件、计算机、显示器组成。所有设备都符合欧盟的相关规则和要求；也符合89/336/EWG 中所规定的EMC 准则和73/23/EWG 中所规定的LV 准则。7.1.7电气控制配电柜：直流集线器、逆变控制柜、并网联络柜等电气控制箱体和柜体，由专业电气成套设备公司制造并符合国家的相关认证，内部
23、电气开关、断路器等部件选用施耐德等名优品牌产品。7.2测量、检查器具要求测量、检查用器具必须在鉴定有效期内使用。7.3质量要求7.3.1主龙骨通过可调节连接件与主体钢结构连接，保证安装精确性,主梁间留有不小于15mm间隙,可调节随温度变化引起的伸缩。7.3.2线槽接口应平整，接缝处紧密平直，槽盖装上后应平整、无上翘变形、出线口的位置准确。7.3.3电缆的布放应平直、不得产生扭绞，打结等现象，不应受到外力的挤压和损伤。7.3.4光伏系统并网稳定、可靠，不逆向送电造成电网污染。8、安全措施8.1本工法执行国家、山东省、威海市有关安全技术规范、规程。8.2施工现场安全设施应按照国家建筑安装工程安全技
24、术规程的有关规定执行。8.3在运输和安装太阳光伏组件时应使儿童远离组件。8.4在安装过程中用不透明材料完全覆盖组件以防止电流产生。8.5安装或维修光伏系统时，不要穿戴金属戒指、表带、耳环、鼻环、唇环或其它的金属配件。8.6临时用电应由专业电工操作，电缆严禁乱拉乱扯。9、环保措施9.1严禁高空抛物，不得将构件自身所附带的保护膜等随意撕扯。9.2对施工现场产生的废料不得乱扔乱放，要集中存放于指定地点。9.3机械设备等产生的废机油等及时收集，统一处理，不得随意倾倒。10、效益分析10.1经济效益据统计，建筑物能耗约占世界总能耗的1/3，将是未来太阳能光伏发电的最大市场。太阳能电源系统和建筑结合，将使
25、太阳能电源向替代能源过渡，成为世界能源结构的重要组成部分，从而根本改变太阳能电源在世界能源中的从属地位。太阳能电源建筑一体化的应用前景一片光明。据初步估计，在我国，完全商业化运作的光伏并网发电上网电价大约7-8元/kw.h左右,尚无法同火力、水力等发电竞争，但从长远发展的角度看，推广太阳能光伏并网发电系统必将对我国清洁能源发电产业产生巨大的推动作用。10.2社会效益该工程项目建设完成后将实现工程的零污染，在太阳能光伏发电设备寿命期满后，项目主设备的大部分材料如钢材、玻璃、铜镓硒等合化物都可回收再利用。开发利用太阳能资源，建设光伏并网发电系统，对减轻我国能源供应压力，抑制二氧化碳等温室气体的排放
26、，减轻城市污染将起到积极作用，符合在中国签署的京都议定书的精神，对中华人民共和国可再生能源法的实施起到了推动作用。10.3技术效益太阳能属于能量低密度、不稳定的电源，发电量受天气影响较大，而且并网发电可能会对电网的稳定性造成一定的影响，通过该工程的实际应用,不断完善和积累太阳能光伏并网发电系统的设计、施工与运营经验起到了一定的推动作用。11、应用实例本工法图11-1 建筑实物图成功应用于威海市民文化中心工程，该工程位于威海市青岛路东、海滨南路西,总建筑面积63314.39m2，主体建筑四层，地下一层，为威海市标志性建筑，该工程于2007年11月开工，2009年8月竣工交付使用，工程竣工后西立面
27、如图11-1所示。屋面上安装非晶硅BIPV电池组件来代替屋顶，超大屋面整体曲线顺畅，展翅欲飞，将非晶硅光伏器件与建筑屋面材料融为一体，成为绿色建筑的典范。该工程屋面光伏发电系统，自2009.10.1日起正式并网投入使用，目前屋面结构安全可靠、系统性能稳定、运转正常。它将取代纽约Stillwell地铁站210千瓦非晶硅光伏屋面而成为全球仅次于上海世博中心、最大的非晶硅光伏屋面工程之一。随着常规能源的日益短缺，对太阳能的开发和利用的光伏发电与建筑有机的结合光伏建筑一体化，是太阳能发电在建筑工程中广泛应用的发展方向，充分显示出超大面积曲线屋面非晶硅太阳能光伏发电系统与建筑的一体化施工工法具有极大的推广应用价值和广阔的应用前景。
