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分布式太阳能组件与金属围护系统结合方式研究夏永信（山东万事达建筑钢品股份有限公司，山东博兴256500）摘要：分布式光伏发电系统是一种具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，而金属围护系统在工业与民用建筑应用广泛，在介绍太阳能光伏组件的类型以及常见金属围护体系的基础上，对二者适合的结合方式进行了一定的研究探讨。关键词：分布式光伏组件；金属围护系统；结合方式；屋面；墙面文章编号：1007-497X（2016）-15-0006-05中图分类号：TU231文献标志码：B0引言分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，倡导“就近发电、就近并网、就近转换、就近使用”的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。金属围护系统通过在国内建筑体系中多年的推广，金属墙面和屋面已经在工业与民用建筑中广泛使用。然而国内光伏行业产能发展过程中没有考虑与国内建筑相结合，因产能过剩，严重依赖国外市场的风险在欧美“双反”时爆发，政府为挽救中国光伏产业，2012年以来连续出台政策支持分布式光伏发电系统的发展。2013年，国家能源局印发《分布式光伏发电项目管理暂行办法》，为促进分布式发电的快速发展奠定了坚实的基础。近年来，分布式光伏发电爆发式增长，但与之相关的规划、设计、施工、管理和运行的标准、规范不健全，导致问题集中显现。另外工业与民用建筑的金属屋面系统，设计时往往并没有考虑给光伏系统预留足够的荷载设计余量；而且金属围护系统提供商担心增加分布式光伏系统后，频繁的光伏系统运维与检修对金属围护系统产生破坏，将损害金属围护系统的使用寿命，而抵制其附加应用。最终形成了分布式光伏发电系统仅在混凝土屋面上少量应用，而占有大量建筑面积的金属围护系统屋面、墙面却鲜有应用。1太阳能光伏组件随着科学技术的发展，光伏太阳能组件的种类层出不穷，太阳能转化率也在稳步提高。现根据工程实践情况，将能与建筑结合为一体、特别是能够与金属围护系统结合使用的分布式光伏太阳能组件介绍如下。1.1太阳能光伏组件分类太阳能电池有多种分类，按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形.按照结构分类：同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池、液结太阳电池等。按照用途分类：空间太阳能电池、地面太阳能电池、光敏传感器。按照工作方式分类：平板太阳能电池、聚光太阳能电池。根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，而多元化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si∶H，a-Si∶H∶F，a-SixGel-x∶H等）、ⅢⅤ族（GaAs、InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3P2）等。其中硅太阳能电池目前发展最成熟，在应用中居主导地位。按照组件可弯曲程度分类：柔性和刚性。而能够与金属围护系统结合作为分布式光伏发电系统应用的光伏组件，常见的是地面太阳能电池，多以单晶、多晶、薄膜电池为主，刚性和柔性组件均有应用。1.2太阳能光伏组件产品特性对于金属围护系统结合的需要，根据太阳能光伏组件产品的可弯曲程度，或是组件封装的不同进行简单的产品特性分析。1.2.1单玻常规、透明有边框组件单玻常规、双玻透明组件有框组件即为最常见的光伏组件。常规组件组成：玻璃、EVA、电池层、背板、铝框、接线盒等；透明组件组成：玻璃、EVA、电池层、透明背板、铝框、接线盒等。晶硅电池和薄膜电池均为常见封装形式，不再累述，其特点是自身刚度好，在风荷载作用下性能稳定，而得到广泛应用。1.2.2双玻无边框组件双玻光伏组件就是指由两片玻璃和太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集到引线端所形成的光伏电池组件。太阳能电池片可以是晶硅电池也可以是薄膜电池，四周无铝合金边框。其主要特性如下：1）玻璃的透水率几乎为零，不需要考虑水汽进入组件诱发EVA胶膜水解的问题。传统晶体硅太阳能组件的背板有一定的透水率，透过背板的水汽使劣质的EVA树脂很快分解析出醋酸，而导致组件内部发生电化学腐蚀，增加了出现PID衰减和蜗牛纹发生的概率，其尤其适用于海边、水边和较高湿度地区的光伏电站。2）玻璃是无机物二氧化硅，耐候性、耐腐蚀性超过任何一种已知的塑料。紫外线、氧气和水分导致背板逐渐降解，表面发生粉化和自身断裂。使用玻璃则一劳永逸地解决了组件的耐候问题，也结束了PVF和PVDF哪个更耐候的争端，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。该特点使双玻组件适用于较多酸雨或者盐雾大地区的光伏电站。3）玻璃的耐磨性非常好，也解决了组件在野外的耐风沙问题。大风沙的地方，双玻组件的耐磨性优势明显。4）双玻组件不需要铝框，除非出现玻璃表面有大量露珠的情况。没有铝框导致PID发生的电场无法建立，大大降低了发生PID衰减的可能性。5）玻璃的绝缘性优于背板，使双玻组件可以满足更高的系统电压，以节省整个电站的系统成本。6）双玻组件的防火等级由普通晶硅组件的C级升到A级，使其更适合用于居民住宅、化工厂等需要避免火灾隐患的地区。7）由于双玻组件省去了铝框，其节省的成本使整个组件在成本降低的前提下，为使用高品质EVA胶膜、丁基胶带、接线盒留出了足够的空间。1.2.3非晶硅薄膜电池柔性组件建筑上推广并实际应用的包括硅锗柔性薄膜、铜铟镓硒柔性薄膜都是以不锈钢等金属材料作为衬底，采用溅射法、共蒸发法生产工艺，外封复合膜等柔性透明材料制备而成，特性：质量轻、超薄、可弯曲、可直接粘贴、安装成本低、适合轻荷载和曲面屋顶以及适合与民用产品结合。1.2.4晶硅半柔性组件晶硅电池的半柔性光伏组件，是以一定数量的晶硅电池片作为单元，封装成硬衬的小单元模块，再将这些单元模块用柔软的布、封装材料和柔软的导线封装成一体，封装材料可以折叠，硬性衬底也可以保护电池片。其为层状结构，包括自下而上的布、利用柔软导电材料连通的多块单元模块和在单元模块对应处开设有透光窗口的窗口布，在布与单元模块间和单元模块与窗口布间分别设置将相邻两层固定连接的封装材料；其单元模块为层状结构，包括刚性背板、利用封装材料固定在刚性背板上的光电发电单元、利用封装材料固定连接在光电发电单元之上的透明前板材料，光电发电单元为单个电池片或者按照设定的电路设计连接在一起的多个电池片。该材料目前生产厂家还较少，建筑上还不常用。2金属围护系统建筑围护系统主要指屋面、外墙体两个部分。金属围护系统作为装配式围护系统的一种，以金属材料作为围护系统的承重和连接骨架，利用金属板作为围护材料，配合防水、保温、隔热、隔声等材料，完成围护系统的各项功能要求。2.1金属围护系统材料金属围护系统材料主要包括金属压型板和夹芯板两大类。其中，金属压型板材料有钢、铝合金、不锈钢、钛合金、铜、铅等，目前通常采用压型钢板和压型铝合金板。金属压型板的板型分为高波板（波高≥70mm）和低波板（波高＜70mm），连接方式分为：搭接连接、咬合连接（180°和360°）、扣合连接。夹芯板是由彩涂钢板与保温材料在工厂制作而成，保温材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、岩棉、玻璃棉板等。夹芯板的板型分为平板和波型板，连接方式分为：露明式紧固件连接、暗藏式紧固件连接。2.2金属围护系统构造2.2.1金属屋面围护系统金属屋面构造层及材料选用见表1。2.2.2金属墙面围护系统金属墙面构造层及材料选用见表2。2.2.3压型金属板常见板型屋面板分为：搭接型屋面板、扣合型屋面板、咬合型屋面板（180°）、咬合型屋面板（360°）；墙面板分为：搭接型墙面板（紧固件外漏）、搭接型墙面板（紧固件隐藏）、企口式搭接板（复合板）。其中屋面板以角驰系列、直立锁边型（包括铝镁锰板、压型钢板）使用最为广泛；墙面板以波纹板为主。2.2.4屋面压型金属板板肋连接样式屋面板分为：无固定支架搭接、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围护结构与光伏组件的结合方式分布式太阳能光伏组件与金属围护系统的屋面、外墙体的结合方式，受两方面影响：1）业主选定的光伏组件规格与品种；2）业主与设计方确定的金属围护系统板型。针对不同压型金属板板型，即压型金属板板肋连接样式可以选择和匹配的结合方式进行探讨，笔者建议相关部门做试验，研究光伏组件安装后对金属围护系统的影响，特别是对压型金属板强度、寿命、防水、防腐等作出合理的结论、建议，以便为推广和大面积应用作准备。3.1屋面板与太阳能光伏组件结合方式3.1.1搭接型的结合方式对于搭接型结合的屋面板，不建议在无固定支架的板型上安装分布式光伏系统，当然板材厚度足够的情况下可以考虑，常见做法如下：1）一般做法为金属屋面板上安装铝合金夹具，夹具内贴有止水胶带，夹具上通过螺栓（刺穿屋面板）安装支架，支架上通过压块固定安装有框太阳能光伏组件或者双玻组件。2）对于柔性组件做法为金属屋面板上安装铝合金夹具，夹具内贴止水胶带，夹具上通过螺栓（刺穿屋面板）安装支架，支架上铺设刚性衬板，衬板上通过耐候结构胶粘贴柔性薄膜光伏组件或者半柔性晶硅光伏组件。3）屋面板平整度比较好的情况下，还可以采用夹具与支架一体的一体化支架，设置于彩钢屋面板上的彩钢屋面板一体化支架以及搁置于彩钢屋面板一体化支架顶部的太阳能光伏组件，通过螺栓与螺母锁紧于一体化支架的压块，固定在一体化支架上。图1所示为一体化支架。3.1.2咬合型的结合方式对于咬合型结合的屋面板，无论是角驰系列为代表的咬合型屋面板（180°）、直立锁边铝镁锰板为代表的咬合型屋面板（270°）以及直立锁边咬合型屋面板（360°），做法都有如下特点：1）做法均为金属屋面板上安装铝合金夹具，夹具上通过螺栓安装支架，支架上通过压块固定安装有框太阳能光伏组件或者双玻组件。以咬合型屋面板（180°）为例，夹具为两块铝合金件，通过螺栓拧紧夹牢固定于屋面肋的凸起部位，为非刺穿屋面做法。图2为夹具示意图2）对于一部分直立锁边板，甚至矮立边金属板，其屋面板波谷平整无凸凹，波谷内宽度与柔性薄膜光伏组件匹配，可以直接把光伏组件采用结构胶粘贴于波谷内。3.1.3柔性防水卷材屋面的结合方式由于屋面防水层为柔性卷材，其中又以TPO卷材最为常见，而柔性薄膜太阳能光伏电池表面封装材料，其前板封装膜为ETFE多层复合膜，背板封装膜为PET复合膜，组件边缘以专用的热熔丁基胶封边，可以直接把光伏组件采用其自带的丁基结构胶粘贴于可直接粘贴的高分子卷材（包括TPO和EPDM）表面。当然，在柔性薄膜太阳能光伏电池厂家经过试验验证的基础上，也可以直接热风焊接其上。3.2墙面板与太阳能光伏组件结合方式3）大面焊接大面直焊缝焊接只允许使用自动焊接机，在完成试焊并调整好自动焊接机爬行速度和温度方可进行大面焊接。首先调整好自动焊接机的位置及方向，确保自动焊接机导向轮及压力轮与上层卷材处于同一直线。将焊嘴插入两层卷材之间，即可开始自动焊接。在自动焊接机行进过程中，要随时观察并及时调整行进方向，以确保自动焊接机始终保持沿着卷材边缘方向。4.手工焊接手工焊接用于焊接作细部处理的PVC卷材（图11）。手工焊接的基本程序包括：调整卷材搭接宽度→设置焊接参数→预热→试焊接→点焊→预焊→终焊→焊缝检查。1）点焊主要应用于细部处理时将卷材通过分散的焊接点固定于适当位置。点焊时应注意留出足够尺寸的卷材以便于之后的进一步焊接处理。2）预焊根据焊嘴宽度留出至少25mm的开口，将其余已经点焊的搭接部分进行焊接。预焊操作时应同时用手辊沿垂直于出风方向反复辊压PVC卷材以保证卷材间焊接密实，手辊与焊嘴之间的距离宜保持在30～50mm。3）终焊将预留开口完全密实地和底层卷材焊接到一起。焊接同时应用手辊沿垂直于焊嘴出风方向反复辊压PVC卷材以保证卷材间焊接密实，手辊与焊嘴之间的距离宜保持在30～50mm。5卷材施工质量检验5.1质量要求1）大面要求：铺设顺直、平整。2）焊缝检查：每完成一处焊接