分布式太陽能組件與金屬圍護系統(tǒng)結合方式研究

1、 分布式太陽能組件與金屬圍護系統(tǒng)結合方式研究 夏永信 （山東萬事達建筑鋼品股份有限公司，山東 博興 256500）摘要：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，而金屬圍護系統(tǒng)在工業(yè)與民用建筑應用廣泛，在介紹太陽能光伏組件的類型以及常見金屬圍護體系的基礎上，對二者適合的結合方式進行了一定的研究探討。關鍵詞：分布式光伏組件；金屬圍護系統(tǒng)；結合方式；屋面；墻面文章編號：1007-497X （ 2016） -15-0006-05 中圖分類號：TU231 文獻標志碼：B0 引言分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前

2、景的發(fā)電和能源綜合利用方式，倡導“就近發(fā)電、 就近并網(wǎng)、 就近轉換、 就近使用” 的原則，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。金屬圍護系統(tǒng)通過在國內建筑體系中多年的推廣，金屬墻面和屋面已經(jīng)在工業(yè)與民用建筑中廣泛使用。然而國內光伏行業(yè)產(chǎn)能發(fā)展過程中沒有考慮與國內建筑相結合，因產(chǎn)能過剩，嚴重依賴國外市場的風險在歐美 “雙反”時爆發(fā)，政府為挽救中國光伏產(chǎn)業(yè)，2012 年以來連續(xù)出臺政策支持分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。2013 年，國家能源局印發(fā) 分布式光伏發(fā)電項目管理暫行辦法 ，為促進分布式發(fā)電的快速發(fā)展奠定了堅實的基礎。近年來，分布式光伏發(fā)電爆發(fā)式

3、增長，但與之相關的規(guī)劃、 設計、 施工、 管理和運行的標準、 規(guī)范不健全，導致問題集中顯現(xiàn)。另外工業(yè)與民用建筑的金屬屋面系統(tǒng)，設計時往往并沒有考慮給光伏系統(tǒng)預留足夠的荷載設計余量；而且金屬圍護系統(tǒng)提供商擔心增加分布式光伏系統(tǒng)后，頻繁的光伏系統(tǒng)運維與檢修對金屬圍護系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，將損害金屬圍護系統(tǒng)的使用壽命，而抵制其附加應用。最終形成了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)僅在混凝土屋面上少量應用，而占有大量建筑面積的金屬圍護系統(tǒng)屋面、 墻面卻鮮有應用。1 太陽能光伏組件隨著科學技術的發(fā)展，光伏太陽能組件的種類層出不窮，太陽能轉化率也在穩(wěn)步提高?，F(xiàn)根據(jù)工程實踐情況，將能與建筑結合為一體、 特別是能夠與金屬圍護系統(tǒng)結合

4、使用的分布式光伏太陽能組件介紹如下。1.1 太陽能光伏組件分類太陽能電池有多種分類，按結晶狀態(tài)可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形. 按照結構分類：同質結太陽電池、異質結太陽電池、 肖特基結太陽電池、復合結太陽電池、液結太陽電池等。按照用途分類：空間太陽能電池、 地面太陽能電池、光敏傳感器。按照工作方式分類：平板太陽能電池、 聚光太陽能電池。 根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、 多元化合物薄膜太陽能電池、 聚合物多層修飾電極型太陽能電池、 納米晶太陽能電池四大類，而多元化合物半導體薄膜形 又分為非結晶形 （a -Si H，a -SiHF，

5、a -SixGel-xH 等）、 族（ GaAs、 InP 等）、 族（ Cds系）和磷化鋅（ Zn3P2）等。其中硅太陽能電池目前發(fā)展最成熟，在應用中居主導地位。按照組件可彎曲程度分類：柔性和剛性。而能夠與金屬圍護系統(tǒng)結合作為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應用的光伏組件，常見的是地面太陽能電池，多以單晶、 多晶、 薄膜電池為主，剛性和柔性組件均有應用。1.2 太陽能光伏組件產(chǎn)品特性對于金屬圍護系統(tǒng)結合的需要，根據(jù)太陽能光伏組件產(chǎn)品的可彎曲程度，或是組件封裝的不同進行簡單的產(chǎn)品特性分析。1.2.1 單玻常規(guī)、 透明有邊框組件單玻常規(guī)、 雙玻透明組件有框組件即為最常見的光伏組件。常規(guī)組件組成：玻璃、 EVA

6、、 電池層、 背板、鋁框、 接線盒等；透明組件組成：玻璃、 EVA、 電池層、透明背板、 鋁框、 接線盒等。 晶硅電池和薄膜電池均為常見封裝形式，不再累述，其特點是自身剛度好，在風荷載作用下性能穩(wěn)定，而得到廣泛應用。1.2.2 雙玻無邊框組件雙玻光伏組件就是指由兩片玻璃和太陽能電池片組成復合層，電池片之間由導線串、 并聯(lián)匯集到引線端所形成的光伏電池組件。 太陽能電池片可以是晶硅電池也可以是薄膜電池，四周無鋁合金邊框。其主要特性如下：1）玻璃的透水率幾乎為零，不需要考慮水汽進入組件誘發(fā) EVA 膠膜水解的問題。傳統(tǒng)晶體硅太陽能組件的背板有一定的透水率，透過背板的水汽使劣質的 EVA 樹脂很快分解

7、析出醋酸，而導致組件內部發(fā)生電化學腐蝕，增加了出現(xiàn) PID 衰減和蝸牛紋發(fā)生的概率，其尤其適用于海邊、 水邊和較高濕度地區(qū)的光伏電站。2）玻璃是無機物二氧化硅，耐候性、 耐腐蝕性超過任何一種已知的塑料。紫外線、 氧氣和水分導致背板逐漸降解，表面發(fā)生粉化和自身斷裂。使用玻璃則一勞永逸地解決了組件的耐候問題，也結束了 PVF和 PVDF 哪個更耐候的爭端，更不用提耐候性、 阻水性差的 PET 背板、 涂覆型背板和其他低端背板了。該特點使雙玻組件適用于較多酸雨或者鹽霧大地區(qū)的光伏電站。3）玻璃的耐磨性非常好，也解決了組件在野外的耐風沙問題。大風沙的地方，雙玻組件的耐磨性優(yōu)勢明顯。4）雙玻組件不需要鋁

8、框，除非出現(xiàn)玻璃表面有大量露珠的情況。沒有鋁框導致 PID 發(fā)生的電場無法建立，大大降低了發(fā)生 PID 衰減的可能性。5）玻璃的絕緣性優(yōu)于背板，使雙玻組件可以滿足更高的系統(tǒng)電壓，以節(jié)省整個電站的系統(tǒng)成本。6）雙玻組件的防火等級由普通晶硅組件的 C 級升到 A 級，使其更適合用于居民住宅、 化工廠等需要避免火災隱患的地區(qū)。7）由于雙玻組件省去了鋁框，其節(jié)省的成本使整個組件在成本降低的前提下，為使用高品質 EVA 膠膜、 丁基膠帶、 接線盒留出了足夠的空間。1.2.3 非晶硅薄膜電池柔性組件建筑上推廣并實際應用的包括硅鍺柔性薄膜、 銅銦鎵硒柔性薄膜都是以不銹鋼等金屬材料作為襯底，采用濺射法、 共蒸

9、發(fā)法生產(chǎn)工藝，外封復合膜等柔性透明材料制備而成，特性：質量輕、 超薄、 可彎曲、 可直接粘貼、 安裝成本低、 適合輕荷載和曲面屋頂以及適合與民用產(chǎn)品結合。1.2.4 晶硅半柔性組件晶硅電池的半柔性光伏組件，是以一定數(shù)量的晶硅電池片作為單元，封裝成硬襯的小單元模塊，再將這些單元模塊用柔軟的布、 封裝材料和柔軟的導線封裝成一體，封裝材料可以折疊，硬性襯底也可以保護電池片。 其為層狀結構，包括自下而上的布、 利用柔軟導電材料連通的多塊單元模塊和在單元模塊對應處開設有透光窗口的窗口布，在布與單元模塊間和單元模塊與窗口布間分別設置將相鄰兩層固定連接的封裝材料；其單元模塊為層狀結構，包括剛性背板、 利用封

10、裝材料固定在剛性背板上的光電發(fā)電單元、 利用封裝材料固定連接在光電發(fā)電單元之上的透明前板材料，光電發(fā)電單元為單個電池片或者按照設定的電路設計連接在一起的多個電池片。 該材料目前生產(chǎn)廠家還較少，建筑上還不常用。2 金屬圍護系統(tǒng)建筑圍護系統(tǒng)主要指屋面、 外墻體兩個部分。金屬圍護系統(tǒng)作為裝配式圍護系統(tǒng)的一種，以金屬材料作為圍護系統(tǒng)的承重和連接骨架，利用金屬板作為圍護材料，配合防水、 保溫、 隔熱、 隔聲等材料，完成圍護系統(tǒng)的各項功能要求。2.1 金屬圍護系統(tǒng)材料金屬圍護系統(tǒng)材料主要包括金屬壓型板和夾芯板兩大類。其中，金屬壓型板材料有鋼、 鋁合金、不銹鋼、 鈦合金、 銅、 鉛等，目前通常采用壓型鋼板和

11、壓型鋁合金板。 金屬壓型板的板型分為高波板（波高70mm）和低波板（波高70 mm），連接方式分為：搭接連接、咬合連接（ 180°和 360°）、 扣合連接。夾芯板是由彩涂鋼板與保溫材料在工廠制作而成，保溫材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、巖棉、玻璃棉板等。夾芯板的板型分為平板和波型板，連接方式分為：露明式緊固件連接、暗藏式緊固件連接。2.2 金屬圍護系統(tǒng)構造2.2.1 金屬屋面圍護系統(tǒng)金屬屋面構造層及材料選用見表 1。2.2.2 金屬墻面圍護系統(tǒng)金屬墻面構造層及材料選用見表 2。2.2.3 壓型金屬板常見板型屋面板分為：搭接型屋面板、 扣合型屋面板、 咬合型屋面板（ 180

12、76;）、 咬合型屋面板（ 360°）；墻面板分為：搭接型墻面板（緊固件外漏）、 搭接型墻面板（緊固件隱藏）、 企口式搭接板（復合板）。 其中屋面板以角馳系列、 直立鎖邊型（包括鋁鎂錳板、 壓型鋼板）使用最為廣泛；墻面板以波紋板為主。2.2.4 屋面壓型金屬板板肋連接樣式屋面板分為：無固定支架搭接、 有固定支架搭接、有固定支架扣合、 咬合型屋面板（ 180°）、 咬合型屋面板 （ 270°）、 咬合型屋面板（ 360°）。3 圍護結構與光伏組件的結合方式分布式太陽能光伏組件與金屬圍護系統(tǒng)的屋面、外墻體的結合方式，受兩方面影響：1）業(yè)主選定的光伏組件規(guī)格與

13、品種；2）業(yè)主與設計方確定的金屬圍護系統(tǒng)板型。針對不同壓型金屬板板型，即壓型金屬板板肋連接樣式可以選擇和匹配的結合方式進行探討，筆者建議相關部門做試驗，研究光伏組件安裝后對金屬圍護系統(tǒng)的影響，特別是對壓型金屬板強度、 壽命、防水、 防腐等作出合理的結論、 建議，以便為推廣和大面積應用作準備。3.1 屋面板與太陽能光伏組件結合方式3.1.1 搭接型的結合方式對于搭接型結合的屋面板，不建議在無固定支架的板型上安裝分布式光伏系統(tǒng)，當然板材厚度足夠的情況下可以考慮，常見做法如下：1）一般做法為金屬屋面板上安裝鋁合金夾具，夾具內貼有止水膠帶，夾具上通過螺栓（刺穿屋面板）安裝支架，支架上通過壓塊固定安裝有

14、框太陽能光伏組件或者雙玻組件。2） 對于柔性組件做法為金屬屋面板上安裝鋁合金夾具，夾具內貼止水膠帶，夾具上通過螺栓（刺穿屋面板）安裝支架，支架上鋪設剛性襯板，襯板上通過耐候結構膠粘貼柔性薄膜光伏組件或者半柔性晶硅光伏組件。3）屋面板平整度比較好的情況下，還可以采用夾具與支架一體的一體化支架，設置于彩鋼屋面板上的彩鋼屋面板一體化支架以及擱置于彩鋼屋面板一體化支架頂部的太陽能光伏組件，通過螺栓與螺母鎖緊于一體化支架的壓塊，固定在一體化支架上。圖 1 所示為一體化支架。3.1.2 咬合型的結合方式對于咬合型結合的屋面板，無論是角馳系列為代表的咬合型屋面板（ 180°）、 直立鎖邊鋁鎂錳板為

15、代表的咬合型屋面板（ 270°）以及直立鎖邊咬合型屋面板（ 360°），做法都有如下特點：1） 做法均為金屬屋面板上安裝鋁合金夾具，夾具上通過螺栓安裝支架，支架上通過壓塊固定安裝有框太陽能光伏組件或者雙玻組件。以咬合型屋面板（ 180°）為例，夾具為兩塊鋁合金件，通過螺栓擰緊夾牢固定于屋面肋的凸起部位，為非刺穿屋面做法。圖2 為夾具示意圖2）對于一部分直立鎖邊板，甚至矮立邊金屬板，其屋面板波谷平整無凸凹，波谷內寬度與柔性薄膜光伏組件匹配，可以直接把光伏組件采用結構膠粘貼于波谷內。3.1.3 柔性防水卷材屋面的結合方式由于屋面防水層為柔性卷材，其中又以 TPO 卷材

16、最為常見，而柔性薄膜太陽能光伏電池表面封裝材料，其前板封裝膜為 ETFE 多層復合膜，背板封裝膜為 PET 復合膜，組件邊緣以專用的熱熔丁基膠封邊，可以直接把光伏組件采用其自帶的丁基結構膠粘貼于可直接粘貼的高分子卷材（包括 TPO 和 EPDM）表面。當然，在柔性薄膜太陽能光伏電池廠家經(jīng)過試驗驗證的基礎上，也可以直接熱風焊接其上。3.2 墻面板與太陽能光伏組件結合方式3）大面焊接大面直焊縫焊接只允許使用自動焊接機，在完成試焊并調整好自動焊接機爬行速度和溫度方可進行大面焊接。首先調整好自動焊接機的位置及方向，確保自動焊接機導向輪及壓力輪與上層卷材處于同一直線。將焊嘴插入兩層卷材之間，即可開始自動

17、焊接。在自動焊接機行進過程中，要隨時觀察并及時調整行進方向，以確保自動焊接機始終保持沿著卷材邊緣方向。4.手工焊接手工焊接用于焊接作細部處理的 PVC 卷材 （圖11）。 手工焊接的基本程序包括：調整卷材搭接寬度設置焊接參 數(shù) 預 熱 試 焊接點焊預焊終焊焊縫檢查。1）點焊主要應用于細部處理時將卷材通過分散的焊接點固定于適當位置。 點焊時應注意留出足夠尺寸的卷材以便于之后的進一步焊接處理。2）預焊根據(jù)焊嘴寬度留出至少 25 mm 的開口，將其余已經(jīng)點焊的搭接部分進行焊接。預焊操作時應同時用手輥沿垂直于出風方向反復輥壓 PVC 卷材以保證卷材間焊接密實，手輥與焊嘴之間的距離宜保持在3050 mm

18、。3）終焊將預留開口完全密實地和底層卷材焊接到一起。焊接同時應用手輥沿垂直于焊嘴出風方向反復輥壓PVC 卷材以保證卷材間焊接密實，手輥與焊嘴之間的距離宜保持在 3050 mm。5 卷材施工質量檢驗5.1 質量要求1）大面要求：鋪設順直、 平整。2）焊縫檢查：每完成一處焊接，應及時用專用探針或平口螺絲刀對焊縫進行檢查。檢查時，將探針或螺絲刀稍微用力沿焊縫移動，無漏焊、 跳焊為合格。 必要時，可進行剝離試驗。5.2 淋水蓄水試驗可在雨后或持續(xù) 2 h 人工淋水后進行檢查，檢查防水層有無滲漏情況。 對于有可能進行蓄水試驗的屋面，建議采用蓄水試驗檢驗防水層有無滲漏情況，蓄水試驗時間不少于 24 h。進行蓄水試驗前應咨詢并征得結構工程師對屋面荷載安全性的認可。由于國內墻面板安裝案例較少，而且由于豎向垂直角度安裝光伏，太陽光投射角的原因影響發(fā)電率，一般在墻面板安裝三角支架，安裝條狀、 小尺寸、 輕質組件的太陽能光