建筑结构丨双碳背景下金属屋面光伏一体化发展现状

百科   2024-11-07 10:23   北京  

金属屋面光伏一体化发展现状与技术提升

文/吴耀华

摘要: 从实现“碳达峰”和“碳中和”目标和建筑节能、绿色建筑需求出发,对国内外光伏技术、光伏组件、金属屋面光伏相结合的BIPV(建筑光伏一体化)技术发展现状、以及BAPV(附着式光伏)运营的商业模式进行调研分析。提出了金属屋面与光伏一体化结合的结构安全、耐久、防排水及高效利用等技术要点,对国内外金属屋面光伏的相关标准进行梳理,提出了金属屋面BIPV在风荷载取值、光伏组件与金属屋面的连接技术、缺乏光伏与金属屋面产品相结合的工程实施及验收管理标准等方面需要提升和发展。

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引言

光伏发电技术在建筑中的应用是建筑领域实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要手段。我国建筑运行碳排放占全国碳排放总量的五分之一,且随着城市化进程、经济持续发展和人们生活水平的提高,这一比例还在不断提高。2019年我国既有建筑面积约644亿m2,在施建筑项目约100亿m2[1]。如果按光伏发电可安装面积为建筑面积的15%测算,可用于光伏安装的面积约110亿m2。按照平均每平方米装机130W计算,光伏发电装机容量可达1 430GW,年发电量可达1.43万亿kWh。因此,我国建筑光伏的潜力巨大,应用前景广阔。

建筑光伏发电系统由三部分组成:太阳能电池及光伏组件、充放电控制逆变器组件及并网系统、放置光伏组件的建筑屋面和墙面。屋面是建筑光伏最常用、效率更高的安装载体,相对于外墙面,屋面的光伏发电组件受遮挡少,且易于施工和维护。

本文针对建筑光伏的发展现状,从建筑节能和绿色建筑的要求、市场商业模式和发展机遇出发,对国内外光伏电池、光伏组件技术与金属屋面相结合的建筑光伏一体化(building integrated photovoltaic,BIPV)的技术现状和要点进行调研和分析,结合金属屋面的技术要求,提出了建筑光伏一体化发展中存在的问题及发展方向。

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建筑光伏一体化发展机遇

1.1  建筑碳排放超过全国碳排放总量一半

工业、交通、建筑是能源消费的三大领域,因此,建筑部门是造成直接和间接碳排放的主要责任领域之一。根据中国建筑节能协会统计[2],2018年我国建筑全过程能耗总量占全国能源消费总量比重为46.5%,其中建筑运行阶段的能耗占全国能源消费总量比重为21.7%。在建筑建造中,我国在建材生产、运输和施工过程导致的二氧化碳排放量已达28.2亿t,占全国碳排放的29.4%;建筑运行的二氧化碳排放量21.1亿t,占全国碳排放的21.9%;两者之和达到我国碳排放总量的51.3%,建筑领域成为全社会二氧化碳排放占比最大的部门。建筑领域的减碳任务重、形势紧迫。

1.2 国家和地方政策利好

2019年,国家发展改革委员会发布了《绿色生活创建行动总体方案》,其中提出了加强技术创新和集成应用,推动可再生能源建筑应用,推广新型绿色建造方式,提高绿色建材应用比例,积极引导超低能耗建筑建设。

2020年7月,住建部、发改委等七部门联合发布《绿色建筑创建行动方案》,把提升建筑能效水平作为绿色建筑创建行动的重点任务之一,指出:推动超低能耗建筑、近零能耗建筑发展,推广可再生能源应用和再生水利用。

2020年11月,北京市发改委、北京市财政局、北京市住建委联合发布《光伏发电系统推广应用的通知》,给予利用工业、农业或学校等场所光伏发电的项目每千瓦时0.3~0.4元的补贴。上海市、广州市等地也陆续出台了补贴标准。

2021年6月,国家能源局正式下发《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》,拟在全国组织开展整县(市、区)推进屋顶分布式光伏开发试点工作。《通知》明确,党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%;学校、医院、村委会等公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于40%;工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%;农村居民屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于20%。

目前光伏组件的成本越来越低,光伏发电成本已低于煤电。发展光伏不会对建筑带来负面影响,应当尽早地在新建建筑中推广,在既有建筑中追加[3]。因此,发展建筑外围护表面的光伏发电是未来大势所趋。

1.3  建筑光伏发展空间巨大

我国目前既有建筑面积约644亿m2,按光伏发电可安装的屋面面积为建筑面积的1/6测算,可用于光伏安装的屋面面积约110亿m2,按照安装光伏比例30%计算,则屋面光伏面积可达33亿m2,按照目前每瓦综合造价4.6元计算,全国存量建筑可提供建筑光伏市场规模约为2.0万亿元。同时,每年新增建筑约20亿m2,按照屋面面积3.4亿m2测算,若屋面BIPV安装比例达到50%,则每年新增屋面BIPV面积约1.7亿m2,市场空间将可达每年1 000亿元。此外,若考虑光伏立面以及遮阳棚等,市场容量将更大。综合来看,随着政策的催动以及建筑光伏一体化技术的成熟,未来这一领域的市场发展空间巨大。

另一方面,存量建筑改造实施比较困难。城市居住建筑以中高层现代建筑为主,建筑结构的设计使用寿命长,一般情况下的建筑可以承受的荷载富裕度不大,而且新颁布的建筑结构工程可靠性标准提高了安全可靠性的要求,因此可进行BIPV改造的既有建筑数量有限。相较而言,工业建筑、公共建筑、乡镇、农村地区有望成为主战场,尤其是金属屋面的工业厂房。金属屋面厂房具有单体面积大、自重轻、抗震性能好、设计工作年限与光伏产品相近等特点,但同时产权问题会成为制约工业厂房改造的拦路虎。

1.4 建筑光伏的收益及商业模式

光伏与建筑结合,发电的同时对降低建筑本身能耗也有贡献。比如光伏组件对阳光的遮挡有利于室内的温度调节,可减少空调的使用,减少建筑动力的负荷。经测算,在做遮阳或者建筑室内阳光控制的作用之后,BIPV所降低的空调使用的负荷、能耗,可能比产生的电力还要高[3]

近10年来,太阳能电池的转换效率不断改进、光伏系统的发电效率不断提升,发电成本大幅度降低。近10年光伏发电成本降低约90%。2019年11月,美国Lazard投资银行发布的全球光伏发电的平均度电成本已降至0.04美元/kWh [4] 。建筑光伏系统的造价由2015年的40元/W降到2020年5元/W,预计到2025年将再降至2.5元/W[5]。根据欧洲太阳能协会的报告[6],太阳能光伏已经成为与煤电、风电、核电等相比成本最低的电能,光伏合同竞标加已经低至1.85~3.20美分/kWh。因此,投资建筑光伏取得收益已经成为合理的商业模式。但是在现有体制下,建设者、投资者、受益者可能是不同的企业,还存在并网难、收费难和融资难的问题。在并网方面,电网在失去市场的同时还要免费服务,积极性不高;对用户而言,不并网意味着所发电能必须全额消纳自用,可能造成浪费且无法保障用电稳定;在融资方面,分布式建筑光伏系统附着在别人的固定资产上,资产归属模糊。

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建筑光伏一体化发展状况

2.1 光伏技术的发展

光伏组件是由太阳能电池连接并严密封装而成,通过串、并联构成光伏组串和光伏阵列。太阳能电池是光伏组件的核心元件[7],近年来太阳能电池技术快速发展,使其光电转换效率不断提升,同时光伏发电系统的发电成本也在迅速下降。截至2020年,各种太阳能电池的产业化光电转换效率[4]及现行的国家标准《建筑光伏系统应用技术标准》(GB/T 51368—2019)[8](简称GB/T 51368)对建筑光伏效率的规定如表1所示。

国家工信部发布的《光伏制造行业规范条件(2021年版)》(以下简称《条件》)文件中,对光伏产品提出了具体要求(表1):单晶硅电池和多晶硅电池的平均光电转换效率分别不低于22.5%和19%,单晶硅组件和多晶硅组件的平均光电转换效率分别不低于19.6%和17%,铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件、硅基光伏组件、碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件及其他薄膜光伏组件的平均光电转换效率分别不低于15%、12%、14%、14%。GB/T 51368中规定了应用于建筑光伏的各种电池组件自项目投产运行首年的最大衰减率为2.5%~5%,且之后每年的衰减率均不应高于0.7%。《条件》和GB/T 51368的实施,将引导太阳能电池技术向更高光电转换效率方向发展。

表1 各种太阳能电池的转换效率

晶硅类太阳能电池发展较早,技术成熟度高、光电转换率高;二代太阳能电池包含硅基、碲化镉、铜铟镓硒等薄膜太阳能电池的弱光性好、温度系数低、可弯折,在建筑光伏上具备了易与建筑一体化结合等优势,但光电转换率较低、稳定性较差[7]。太阳能电池类型的选择应综合考虑安装场景、光照资源、电网条件和运行方式等因素。目前,我国市场份额占比较大的仍然是晶硅类太阳能电池。

国内许多光伏产品生产企业也推出了与建筑结合的光伏产品,即建筑用光伏组件。生产建筑用晶体硅光伏组件的企业有西安隆基硅材料股份有限公司(简称“隆基”)、杭州福斯特应用材料股份有限公司(简称“杭州福斯特”)、上迈新能源科技有限公司(简称“上迈”)和英利集团保定嘉盛光电科技有限公司(简称“英利嘉盛”)、协鑫集成等,这些生产企业开发了基于晶体硅光伏组件技术的屋顶光伏构件,实现了光伏组件与建筑屋面及外墙的结合;CdTe薄膜光伏组件的生产企业有中山瑞科新能源有限公司(简称“中山瑞科”)、龙焱能源科技(杭州)有限公司(简称“龙焱”)等;钙钛矿薄膜光伏组件的生产企业有杭州纤纳光电科技有限公司(简称“纤纳光电”)等;CIGS薄膜光伏组件的生产企业有汉能集团(简称“汉能”)和凯盛光伏材料有限公司(简称“凯盛”)等。这些生产企业推出的建筑屋面、外墙的光伏组件,可以基本满足建筑外立面及室内的采光需求。

2.2 建筑光伏一体化技术的发展

建筑与光伏结合(图1)可分为两种形式,即BAPV和BIPV:(1) BAPV(building attached photovoltaic,BAPV)即附着式光伏[7],是将光伏发电设备附加在建筑物上。以现有的建筑物作为基础,在建筑物表面上增设光伏发电设备。这是在建筑光伏一体化技术的早期阶段较常见的形式。其优点是改造容易、且投资较小、施工方便,而其缺点是改造后建筑物的外貌与原建筑设计风格不协调,视觉上与理想的建筑效果可能有较大的差距。(2) BIPV即建筑光伏一体化,是将原有建筑和太阳能发电装置组合在一起,实现太阳能光伏发电的功能。这种形式的光伏组件作为建筑物的一部分,在工程建设的整个过程中,光伏组件与建筑物同时设计、同时施工和安装,实现光伏发电与建筑有机结合,并利用光伏组件的表面纹理。BIPV不是光伏发电系统与建筑物简单的相加,而是两者有机的结合。

▲  图1   金属屋面光伏一体化组成

建筑光伏系统的工作模式可以分为独立和并网两种模式。独立型的建筑光伏通常用于地理位置偏远、电网难以接入的地区。此外,可通过利用专门的储能设备,把太阳日晒状况较好时建筑光伏生产的富余电量进行电能的存储,以备在没有光照或光照较差时使用,实现自给自足。并网使用时,发电量超过本地负载需要时可以将多余的电能送入电网;反之,当光伏发电量不足时,则可使用电网中的电能,实现用电稳定。

基于建筑金属屋面技术与光伏技术的结合,目前已经涌现了一批两个行业先进企业强强联合、携手进军建筑光伏一体化(BIPV)市场的合资或合作实体,见表2。

表2 金属屋面光伏一体化合作实体

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技术要点及问题

建筑光伏的结合需要同时满足建筑围护系统和光伏发电系统的技术和功能要求,包括承载性能(抗风、抗震、防冰雪)、建筑功能(防火、防水、保温隔热、防雷)、耐久性能(防腐蚀、连接可靠),还需要解决建筑光伏一体构件的新问题(光伏组件背板过热、卡具对金属屋面的约束等)。

3.1 既有金属屋面加装光伏的结构安全

在既有建筑屋面上附加建筑光伏系统时(图2),应对既有建筑的结构安全和耐久性及电气安全进行复核。增加的光伏组件的自重荷载(约15~20kg/m2)新增加在结构上,光伏组件与既有建筑屋面一般采用点式卡具连接,使原来的屋面均布风荷载变为由卡具点传递的集中荷载,而且光伏组件与金属屋面之间形成非密闭的空气层,对于既有建筑金属屋面的结构安全造成不利影响。

▲  图2   既有建筑上附加光伏的构造连接

由于既有建筑的建造时间不同,以往的建筑对于抗震设计等结构安全方面的要求相对较低,由于围护结构表面加装光伏组件后会增加结构荷载,因此必须对建筑结构安全进行校核。在工程实施前,首先需要对建筑的场地及环境条件进行现场查勘,检查已有建筑结构的安全性,并对增设光伏系统进行可行性评估。要全面考虑结构构件、连接节点、地基基础的安全性以及结构材料的耐久性等。可根据原设计、竣工文件及现场勘查的情况进行复核,并委托法定检测机构进行检测,确认不存在结构安全问题,否则应进行结构加固改造,以确保满足建筑结构安全性要求。

3.2 设计风荷载

位于屋面外侧的光伏组件改变了原来屋面的局部形状和表面粗糙度,将导致屋面风荷载的变化,其荷载效应与金属屋面上覆盖装饰板类似。

光伏组件对屋面风荷载的影响主要有三个因素:1)屋面及光伏组件的形状和尺寸。当光伏组件与屋面呈一定角度,而非平行放置时(图3),在屋面上形成附加的风荷载比较大。2)屋面与光伏组件之间是否有空腔及空腔的大小。当空腔高度较大时,会对屋面形成较大的风吸力。3)光伏组件之间间隔尺寸的大小。光伏组件之间设置的间隔有利于屋面均匀排水,但是间隔过大会形成进风口,对屋面的抗风不利。光伏组件的固定方式和细部做法对屋面风荷载的影响在欧洲有较多的研究[9],而在我国现行的标准中仍是空白。

▲  图3   光伏组件在屋面的固定方式

当光伏板与金属屋面之间采用扣件连接时,屋面负风压荷载由均布载荷转变为扣件处的集中荷载,且光伏板与压型钢板之间的空隙层使BIPV组件的抗风揭更为复杂和不利。应按照实际工程做法进行足尺抗风揭测试,对于风荷载频繁的强风地区还应进行抗风揭动态测试,以保证抗风安全。

3.3 电气安全

光伏组件串并联后的电压可达1 000V以上,远大于直接接触电压安全限值,当光伏组件与建筑屋面及外墙等结合时,组件的有些部位是可被安装人员及居住者直接接触到的,因此在其安装及运行过程中均存在电击隐患,应引起足够重视。建筑光伏发电系统中应设置可紧急断开所有直流电路和交流电路的快速关断装置及电弧故障保护装置等,以提高光伏发电系统的电气安全性能。

3.4 防火安全

美国太阳能规范和标准委员 (Solar America Board for Codes and Standards)曾对屋顶架空安装光伏阵列对屋面防火等级的影响进行了试验研究[10]。燃烧试验发现,架空层导致“烟囱效应”,火焰蔓延速度快,不满足建筑防火的要求。架空安装时,光伏组件与屋面间的安装间距及光伏组件边缘与屋面边缘的距离是影响火灾的蔓延速度和火灾严重性的因素[11]。其原因是光伏发电系统的直流电压较高,其应用于建筑时存在高压直流电弧等火灾风险。光伏组件中采用的EVA胶膜属于快速易燃物,在高温下会释放含烃类的气体[12] ,因此,采用EVA胶膜的光伏组件在遇到火灾时会释放可燃气体,不利于建筑防火。

现有的火灾性能研究多侧重于光伏组件等自身的燃烧,与建筑结合后的防火性能研究很少,BIPV的防火验收尚缺乏规定。建筑光伏组件要特别注意燃烧性能、耐火极限等防火性能要求,尤其对于BIPV中作为建筑构件的光伏组件,应选用双玻光伏组件,并应达到“A级”的燃烧性能等级要求。

3.5 屋面防排水

光伏组件都是以成形封装的矩阵板块加在金属压型板的上面,光伏板上的雨水沿下坡和两侧流动。光伏板之间沿排水坡度纵向应有足够大的间隔能使本组件的汇集雨水全部流入压型金属板,避免水流跨过间隔汇集;往两侧汇集的水流高度不应溢流翻过板肋。因此,与光伏组件配套的压型金属板型一般在光伏组件侧边与板肋之间加设纵向集水槽(图4)。

▲  图4   光伏组件侧边处设置集水槽

对降雪量较大的地区,降雪在光伏组件上堆积,雪更容易覆盖金属板肋边。需要在金属板的锁边缝打胶以避免虹吸渗水进入面板内。

3.6   屋面防雷

由于光伏组件安装在建筑屋顶或其他外围的结构上易被雷击,应按照《光伏建筑一体化系统防雷技术规范》(GB/T 36963—2018)[13] 对光伏系统、组件支架、外边框的接地和防雷进行设计、施工、检测和维护。

光伏组件可分为无金属边框和有金属边框的两种。无金属边框的光伏组件,需在光伏组件上沿等易受雷击部位敷设接闪带,利用金属维护通道或金属桥架等作为接闪器。如果压型金属板肋高出光伏组件,也可将金属板肋作为接闪器。

有金属边框的光伏组件,可利用其金属边框作为接闪器,金属边框与光伏支架或压型金属板电气连接,并与屋面的雷电防护装置和金属栏杆等做好电气连接。屋面连接间距不应大于18m,墙面上宜每隔5m连接一处。

3.7 耐久性及材料

金属屋面光伏一体化系统的耐久性包括金属板的耐久性、光伏组件的耐久性以及其二者连接的耐久性。光伏组件的耐久性一般不小于25年,要求总体的耐久性应不小于25年。因此,在选用涂镀钢板时宜选用耐腐蚀性能较好的镀铝锌基板、镀铝锌镁基板,PVDF或HDP涂层;或采用不锈钢板。

建筑光伏系统用连接件、紧固件宜选用不锈钢或铝合金材质。系统中使用的不同金属材料的接触部位应设置绝缘垫片其它防腐蚀措施以防止电化学腐蚀。

压型金属板与光伏组件的连接方式有两种:结构胶粘结(图5)和扣件连接(图6)。结构胶一般采用硅酮结构胶,除了应具备高强度、耐老化、耐疲劳、耐腐蚀、在预期寿命内的性能稳定和伸缩位移能力外,还应满足其与金属板面层涂镀材料的匹配性。

▲  图5   不带金属边框的光伏组件及结构胶粘结

▲  图6   带金属边框的光伏组件及扣件连接

3.8 金属屋面的温度伸缩

由于金属屋面的温度与其下部支承结构有温度差,而且屋面材料与支承结构的材料也可能不同,因此存在温度变形不同步问题。当屋面板的长度较大时,累积位移差被约束将导致屋面板较大的温度应力。金属屋面常采用滑轨(⊥形支座,直立卷边屋面板滑移)或滑槽(带槽的支座连接板滑动)释放温度变形。如果金属屋面与光伏组件的连接采用夹具连接,夹具使屋面板肋与支座紧固,导致滑轨的滑移功能失效。因此,以夹具作为连接光伏组件时,应采用滑槽形支座释放温度变形。

3.9 金属屋面维护

光伏组件表面的积灰会导致光电转换效率降低,因此必须定期清扫,需要设置相关的清扫设备和通道。多雪地区的建筑屋面光伏,还应设置便于人工融雪、清扫的安全通道。

3.10 建筑的保温隔热及节能要求

光伏屋顶太阳能电池在将光能转换成电能的过程中,转换效率范围在15%~25%之间。换言之,太阳能电池只能将15%~25% 的光能转换成电能,其余的85%~75%是热能。由于热能的增加,电池温度升高,又会导致发电效率下降,并缩短太阳能电池的使用寿命。

光伏组件作为建筑表面构件,其在发电过程中产生的热量会对建筑隔热和防火造成一定的不利影响,如何保持光伏电池较低的工作温度以提高发电效率,是光伏屋顶系统应用的另一个关键问题[14]。可以合理设置和利用金属屋面压型板与太阳能电池板的背面间的空隙形成冷却通道,光伏电池的热量由通道带走,同时还可以把这部分热量加以利用,这种系统就是光电光热综合利用系统。在保证电力输出的同时,降低了由于生活用热增加的建筑能耗,减小室内暖通负荷,达到既建筑节能又推广光伏应用。

3.11 建筑与光伏行业缺少沟通

传统的光伏产品立足于提高转换效率、降低成本,缺乏对建筑行业及建材产品性能的了解,对建筑要求的防水、采光、通风、耐久性等欠缺考虑。

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建筑光伏相关标准

4.1 国外标准

与建筑光伏相关的国际标准主要有欧洲标准EN、国际电工委员会标准IEC、以及美国和英国标准(表3),这些标准分为三类:光伏组件或材料、建筑光伏发电系统、建筑的性能和安全。其中欧洲标准比较系统和全面。

表3 建筑光伏相关的国际标准

建筑用光伏组件或材料的标准主要有IEC 63092-1∶2020[15]、EN 50583-1∶2016[16]。IEC 63092-1和EN 50583-1给出了建筑用光伏组件的定义和分类,同时要求光伏组件应满足建筑材料的要求,如力学性能、水密性、气密性、光学性能等。

建筑用光伏发电系统的标准主要有IEC 63092-2∶2020[17] 和EN 50583-2∶2016[18]。其中,IEC 63092-2和EN 50583-2均在光伏行业标准的基础上,针对建筑的应用特点提出了建筑用光伏发电系统抗风、雪荷载及节能保温性能方面的要求,EN 50583-2∶2016 还提出了根据光伏组件的安装位置及材料确定测试防火等级的方法。

建筑光伏对建筑性能和安全的实施标准有EN 61730[19]、EN 61215[20]、PD CEN/TR 16999∶2019[21]等。其中EN 61730是对光伏组件的防雷、防火、人员伤害等安全合格鉴定的及试验方法要求。EN 61215是关于地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型的规定。PD CEN/TR 16999∶2019是标准编制的技术报告文件,是关于太阳能光伏组件和光热组件与屋面和墙面的固定相关的结构设计和正常使用安全规定(不含防水、保温、防火等)。

4.2 国内标准

与建筑光伏相关的国内标准从层次上分为国家标准、行业标准、地方标准和团体标准,从类别上又分为建筑光伏材料和产品标准、建筑光伏工程标准两大类,见表4。

表4   建筑光伏相关的现行国内标准

建筑光伏相关产品标准主要包括三个方面[7]:光伏组件及材料(如GB 29551、GB/T 29759、GB/T 37268、JG/T 465、JG/T 492等);光伏发电系统(如GB/T 16 895.32、GB/T 19064、JGJ/T 365、DB 13/T 2826和T/CECS 10094等);光伏组件测试方法(如GB/T 37052、GB/T 38344和 GB/T 38388等),这些测试方法标准都是近3年才推出的新标准。

建筑光伏相关的工程建设标准大部分是近3年发布实施的,整体性的标准有GB/T 51368—2019、CECS 418—2015、T/CBDA 39—2020,专项标准有GB/T 36963—2018、GB/T 37655—2019等。其中《建筑光伏系统应用技术标准》(GB/T 51368—2019)对新建、改扩建建筑光伏系统的设计、施工、验收和运行围护进行了较全面的规定,内容包括了光伏发电系统和建筑结构,对材料、设备、发电、储能、防雷、安全、测试等。与金属屋面相关的《采光顶与金属屋面技术规程》(JGJ 203—2012)标准中虽然对光伏金属屋面的材料、设计、连接等有一些一般规定,但对于工程实践尚需细化,且因光伏技术发展迅速,其中的一些条文已不适用。

我国近几年正在进行标准体系改革,以上工程标准中关于设计使用年限及结构荷载等方面的部分规定还与新近颁布的通用规范不尽协调,需要完善;光伏组件在屋面不同的安置方式对应的风荷载、雪荷载的设计方法还是空白;针对金属屋面、卷材屋面、瓦屋面等不同情况的连接计算、构造和节点要求有待补充。

光伏行业虽然是新兴行业,但其发展速度很快,而建筑行业标准编制需要相对比较漫长的过程,因此导致工程标准和图集的更新相对滞后,需要加强对于工程的指导作用和建筑光伏健康发展的支持力度。

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结语

通过对建筑光伏的发展现状及应用市场调研,结合光伏在金属屋面工程应用及相关标准的发展分析,得出以下结论:

(1)光伏发电技术在建筑中的应用是建筑领域实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要的有效的手段。当前光伏发电的成本已经大幅度降低、发电效率持续提高,投资分离式建筑光伏取得效益已经成为合理的商业模式。切合国家的“双碳”发展战略和鼓励政策,光伏建筑将迎来大发展的机遇。既有建筑的光伏改造存量市场达到2万亿元,每年新建建筑光伏产值超过1000亿元,其前景广阔。

(2)建筑金属屋面与光伏的结合尚处于起步阶段。在既有建筑加装光伏的BAPV及新建建筑的BIPV的设计风荷载取值和抗风揭性能、既有金属屋面的结构安全检测评定、防排水、耐久性、防火性能、光伏组件与金属屋面的连接、光电光热综合利用等关键技术性能和节点构造方面有待深入研究和补充完善。

(3)现有的光伏建筑屋面相关标准侧重于光伏组件和光伏发电系统,与建筑产品相结合的标准缺乏或实操性差,特别是对结构安全性、耐久性、防火性能及验收和管理的标准亟需编制,以利于建筑光伏行业的健康发展。

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[14] 龙文志.光伏屋面将进入大发展的时代[J].建筑技术,2014,45(1):6-14.

[15] Photovoltaics in buildings—part 1:requirements for building-integrated photovoltaic modules:IEC 63092-1:2020[S].Geneva,Switzerland:IEC,2020.

[16] Photovoltaics in buildings—part 1:BIPV modules:EN 50583-1:2016[S].Brussels:British Standards Institution,2016.

[17] Photovoltaics in buildings—part 2:requirements for building-integrated photovoltaic systems:IEC 63092-2:2020[S].Geneva,Switzerland:IEC,2020.

[18] Photovoltaics in buildings—part 2:BIPV systems:EN 50583-2:2016[S].Brussels:British Standards Institution,2016.

[19] European Committee for Electronical Standardization.Photovoltaic (PV)module safety qualification:EN 61730-1-2[S].Brussels:British Standards Institution,2018.

[20] Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules-design qualification and type approval:BS EN IEC 61215-1-2.2021[S].Brussels:British Standards Institution,2021.

[21] Solar energy systems for roofs-Requirements for structural connections to solar panels:PD CEN/TR 16999:2019[S].Brussels:British Standards Institution,2019.


责任编辑:时娇娇


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本文刊登于《建筑结构》2023年第2期,题为《金属屋面光伏一体化发展现状与技术提升》,作者:吴耀华 (中冶建筑研究总院有限公司,中国钢结构协会围护系统分会),教授级高级工程师,主要从事钢结构、金属围护、不锈钢结构研究。欢迎订阅!

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