新能源光伏工厂设计要点解析.pdf

2112023.11/Building Technology and Application 建筑技术应用光伏发电成本持续下降背景下，全球光伏装机规模有望持续增长。中国光伏行业协会预计，20222030 年全球每年新增光伏装机量保守估计为 195315GW，乐观估计为 240366GW2。光伏行业迎来新一轮爆发，经过二十年的高速发展，我国的光伏制造业已经达到了全球领先地位，光伏生产过程对建筑、环境及配套动力设施的要求已经相当成熟，设计合理的厂房可有效提高产品的生产效率和优良率，并缩短建设周期，节约建设成本。通过对已完工的项目进行分析研究后，对光伏类厂的典型设计特点进行归纳总结，目的在于助力行业快速发展，提高国家高端制造能力。2 新能源光伏工厂概述光伏工厂通常具有以下特点：厂区用地面积大，以异质结工艺电池工厂为例，年产能 68GW 电池组件的建设项目，用地面积需要约 20 万 m2，总建筑面积在 15 万 m2以上，单体厂房的占地面积在 5 万 6 万 m2，主要厂房檐口高度为 10m 左右。厂区建设内容通常包括：电池厂房、组件厂房、库房、动力中心、废水站、化学品库、氢气站、硅烷站、特气站、大宗气站、固废库，以及办公楼、食堂、倒班宿舍等配套设施。厂房内涉及的系统主要有空调及净化系统、空压系统、纯水系统、废水处理系统、废气处理系统、工艺冷却水系统、排风系统、供气供液系统、FMCS系统、MES 系统、消防系统、通信系统、供配电系统等。综上所述，光伏工厂是一种规模庞大、系统复杂的现代化工厂，这类工厂具有独特的使用需求，在设计过程中需要加以分析和研究。3 新能源光伏工厂设计要点3.1 结构选型要点厂房结构宜采用门式刚架结构或混凝土柱配合轻钢屋顶结构。摘要随着我国“双碳”目标的提出，新能源光伏产业又一次迎来了巨大的发展期，经过多年的技术探索、生产革新，光伏发电工艺经历了几次大的产品迭代，生产厂房的通用建造要求也基本成形。光伏工厂通常建筑体量大、建造周期短、厂务系统复杂，通过对此类工厂设计要点的整理和研究，可以帮助设计者快速了解生产的特殊需求，找到解决问题的正确方式，从而提高设计成果的合理性，为工厂平稳生产提供有效的技术保障，最终助力我国“双碳”目标早日达成。关键词新能源；光伏工厂；设计要点中图分类号TU279文献标识码ADOI10.19892/ki.csjz.2023.11.45Abstract With the proposal of Chinas“dual carbon”goal,the new energy photovoltaic industry has once again entered a huge period of development.After years of technological exploration and production innovation,the photovoltaic power generation process has undergone several major product iterations,and the general construction requirements for production plants have also been basically formed.Photovoltaic factories usually have large building volumes,short construction cycles,and complex factory management systems.By organizing and studying the key design points of such factories,it helps the designers quickly understand the special needs of production,find the correct way to solve problems,improve the rationality of design results,and provide effective technical support for steady production of factories,and ultimately help achieve Chinas“dual carbon”goal as soon as possible.Key words new energy;PV plant;key design points1 引言目前我国能源碳排放结构中，电力碳排放占比达到40%以上，钢铁冶炼及加工碳排放占比约 18%，电力碳排放量最大，因此，低碳发电是实现“双碳”目标的重要路径之一，也是向光伏、风电等清洁能源转型的必由之路1。2020 年 9 月，中国提出“碳达峰、碳中和”目标，即我国通过发展新能源技术、碳移除技术，以及节能减排技术，来抵消人类活动产生的碳排放量，最终达到相对“零排放”状态。在“碳达峰、碳中和”不断推进及作者简介：王昱（1979-），男，高级工程师。研究方向：建筑设计。作者单位：中国电子系统工程第二建设有限公司新能源光伏工厂设计要点解析Analysis on Key Design Points for New Energy Photovoltaic Plants王昱Wang Yu212城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.11门式刚架（见图 1）属于平面受力体系，非常适宜于跨度在 1836m、柱距 79m、平面尺寸狭长的建筑，这使其成为国内外大规模现代化工业厂房首选结构形式3。门式刚架结构可明显加快施工进度，降低工程造价，但需考虑柱间支撑的合理布置，在满足抗震要求的前提下，避免和工艺设备管道发生相碰，同时减少对人物流通道产生的干扰。当在柱间支撑处开设门洞时，或管道和十字斜撑发生碰撞时，可将斜撑设置为门式支撑（见图 2），改更斜撑后由于斜撑的刚度不同，需结构专业对门式支撑进行复核，以满足结构整体计算的要求。混凝土柱结构可增加厂房的纵向刚度，不需设置柱间支撑，不会对工艺设备、管道布置及生产造成干扰，但施工速度较慢。混凝土柱可分为现浇和预制两种形式。预制柱可加快施工进度，预制又分为工厂预制和现场预制，工厂预制混凝土柱（见图 3）养护时间短（采用蒸汽养护 2天以内），施工进度较快，同时便于质量控制，应优先采用。常规混凝土工程的预制率普遍在 50%60%，虽然采用模块化设计可以达到 70%80%，却不适用于大跨度工程，工程中不可避免仍存在一定工程量的现浇工程，加之节点也是采用现浇节点，导致工期对比钢结构厂房大幅加长，施工措施成本直线上升4。现场预制则对场地要求和养护要求难度大，且养护时间长，不建议采用。现浇柱施工速度慢，脚手架用量大，需注意拆模时间。为保证施工安全，常温施工时，混凝土柱拆模强度不应低于 1.5MPa（养护时间一般应保证 7 天）。3.2 屋面设计要点为保证防水效果厂房屋面通常不设置采光带，屋顶应避免开洞。屋面宜采用直立锁缝的钢结构屋面系统（见图4），直立锁边系统具有固定方式先进、温度变形自由伸缩、抗风压性能好、耐腐蚀性好及灵活的现场生产方式，保证了其致密防水的功能，并且由于板肋直立，其排水截面比普通板大，更能保证屋面板在横向倾斜情况下的防水性能5。屋面防水等级为级，防水耐久不少于 15 年。排水应首选有组织外檐沟重力式排水，减少内天沟产生的渗漏隐患。屋面可为后续安装光伏电池预留荷载，屋面雪荷载建议按照百年重现期的雪压取值设计。3.3 外墙设计要点单层厂房外墙下部宜采用高度 1m 以上的砌体裙墙，防止碰撞破坏；上部外墙可采用符合复合钢板外墙或成品图 1 门式刚架示意图（图片来源：作者自摄）图 2 门式支撑示意图（图片来源：作者自摄）图 3 预制柱吊装示意图（图片来源：作者自摄）图 4 钢结构屋面示意图（图片来源：作者自摄）2132023.11/Building Technology and Application 建筑技术应用夹芯板外墙。外墙洞口尽量采用横向线性布置，在不影响使用功能的情况下，宜跨中整齐排布，做好外立面洞口的综合，保证立面管线的整齐性。办公室、会议室等无洁净要求的房间，外窗宜采用可开启式平开外窗；工艺设备区域，有洁净要求，为防止尘土进入不宜设置外窗；为保证卫生间的清洁，卫生间宜靠外墙布置且设置外窗，并应有排臭、防蝇措施；其他房间可根据使用需求设置密闭式外窗或可开启式平开外窗。外窗各项技术指标：铝合金窗，抗风压性能、气密性、水密性均按照当地标准执行且满足建筑设计要求。外钢门均做保温处理，卷帘门宜采用保温卷帘门，避免产生冷桥现象。3.4 地面构造要求厂房地面可根据使用场景选用混凝土耐磨地面（见图5）或环氧自流平地面（见图 6），混凝土耐磨地面通常用于无洁净要求或低洁净要求的环境，环氧自流平地面用于洁净环境。由于光伏工厂工艺设备自动化程度高，流水线长，不同工序之间设备衔接要求精度高，对地面平整度要求高，一般在 2m 范围内，起伏不超过 4mm。当厂房未设计地下室的情况下，由于地基承载力不足导致地面换填厚度太深时，可以设置结构地坪，换填深度一般控制在 0.53m。当遇到湿陷性黄土、可液化土、欠固结土、淤泥及淤泥质土、盐渍土，以及其他软弱土等特殊性土时，会造成沉降不均或者沉降量过大，也应考虑设置结构地坪。当结构地坪承载能力不能满足工艺要求时，可设置地坪桩。如产线需要安装机械手时，需要保证楼地面厚度不应小于 300mm。3.5 二次钢构层设计要点钢结构主体构件下一般应设置二次钢结构层，不宜将全部管道吊挂在屋面檩条下。吊挂荷载大部分区域可按均布荷载设计，但特别注意在管道密集处应适当增加设计荷载余量，防止二次钢构檩条承载力不足，发生安全事故。吊挂层受力主梁宜选用高频焊接 H 型钢或工字钢，吊挂层次梁宜选用冷弯薄壁 C 型钢（双 C），不建议采用冷弯薄壁 Z 型钢。3.6 动力中心设计要点动力中心的结构形式宜采用现浇混凝土框架结构；墙面宜采用砌体墙。不同的品牌、型号的设备，重量和基础形式要求会有所变化，当对框架梁、框架柱及基础设计时，在设备所在区域，应选取各品牌较大重量的设备，按设备总重量进行倒算所在区域面荷载。当对次梁、屋面板设计时，应按设备的最大面荷载进行设计，避免由于设备位置变动，导致次梁、屋面板配筋不足的情况。设备安装时，为避免设备无法安装，应考虑设备搬入条件及顺序。3.7 室外工程设计要点厂房室内外高差建议大于 0.45m；若建筑物位于可能排水条件不良地段应适当加大室内外高差；厂区主干道宽度宜为 1012m，其余一般道路宽度宜为 69m；施工期间主要道路需硬化，建议采用临时及永久相结合的路做法。3.8 挡墙设计要求当项目地点位于山地或有高差的地段时，规划道路处的高差宜优先考虑放坡处理；当没有足够的余地放坡时，宜沿挖方或填方边沿设置挡墙；当墙面较长时，可采用分段施工以减少收缩影响；挡墙最终设置的形式还应根据项目工期、挡墙的数量、经济性进行综合考虑，选用适合的类型（见表 1）。3.9 纯水系统设计要点纯水预处理系统前处理优先使用碟片过滤加超滤膜的组合前处理方式，TDS 超过 400mg/L 时需在一级 RO 膜前设置脱碳塔。当自来水水质有（超过 30 天）较大波动的情况下，以最不利状况考虑。超滤膜按 50%设计流量，三组两用一备设计，配备自动清洗装置。表 1 各类型挡墙的适用高度见序号挡墙类型适宜高度伸缩缝设置间距1悬臂式挡墙不宜大于 6m每隔 1015m2重力式（混凝土）挡墙不宜大于 10m每隔 1015m3扶壁式挡墙不宜大于 10m每隔 1015m4悬臂式桩板挡墙不宜大于 12m间距不宜大于 25m5锚拉式桩板挡墙不宜大于 25m间距不宜大于 25m图 5 混凝土耐磨地面示意图（图片来源：作者自摄）图 6 环氧自流平地面示意图（图片来源：作者自摄）214城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.11补水系统采用两级 RO 系统，中间设置一级 RO 产水水箱，一级 RO 水箱设置单独供水回路用于空调加湿、锅炉热水、冰机冷冻水等动力配套系统补水及工艺冷却水补水。一级 RO 需设置浓水回收装置，回收率不低于 50%。RO 需设置备用系统，推荐采用两用一备的形式，单组采用 50%负荷设计，配备清洗系统。精处理系统中 EDI 应保持全时开启，宜用两组设计，不设备机，每组设计流量为全流量 60%，并可根据实际生产状况同时运行或单组运行，组内各膜组亦可单独运行。终端采用精密过滤器，过滤精度小于 0.2m。终端抛光混床宜采用两级抛光设置，按EDIPMBDITankTOCUV ColdExchanger PMB 的顺序设置。3.10 冷冻水系统设计要点集中冷冻站原则上只设一套系统，工艺冷却水系统使用该冷冻水系统。设计时考虑最低负荷及最高负荷的季节变化，充分考虑冷冻机的负载变化并合理组合和配置数量，至少应设置一台变频制冷机进行负荷调节。冷水机组的单机容量选型要考虑工艺产线部分运行低负荷工况下的运行条件。冷却水泵与制冷机一对一运行，可切换至备用泵运行，至少有一组冷冻水水泵可变频工作。冷冻水供水应设置二次泵系统，二次供水泵应全部为变频水泵，根据流量及现场情况优先使用双吸泵。3.11 工艺冷却水系统设计要点在没有材质差异、没有严格的压力差异、没有严格的温度差异的工艺条件下，宜采用一套工艺冷却水系统，以节约设备及管路成本。工艺冷却水系统应设置过滤器，设备出水主管道设置过滤器罐过滤精度不低于 50m，根据系统容量以及压力确定系统形式，通常采用开式系统。板式换热器总换热量按工艺设备总热负荷。一次侧总流量根据设计总换热量及所在项目冷冻水设计供回水温差计算确定。二次侧出水及供回水温差参数根据厂务需求的换热量及流量计算确定。并至少预留 10%热负荷板片安装空间。板式换热机组循环水泵数量按换热器数量 N+1 台设置，其中 N 台为工作泵，1 台为备用泵。各泵技术参数一致，水泵变频控制，由 PLC 程序控制启停机自动切换及时序切换功能，避免水质污染。设计中应明确支吊架的位置、形式；管道系统应尽量利用自然补偿，当自然补偿不满足时，应设置管道补偿装置。管道与工艺冷却水系统设备及工艺设备连接时，应采用专门的管道固定措施，不得让板式换热机组、断流水箱及工艺设备等设备承受额外应力。工艺冷却水系统保温（冷）、防结露应根据设备、管道所处环境特征设置。若有管道安装于室外明露区域，应根据项目所在地的气候特征采取加强保温（冷）或电伴热措施。3.12 机房隔音设计要点厂房内部的空调机房和动力中心是噪声污染严重的场所，噪声来源于机组运行时发出的噪声、风机运转的噪声及机械振动产生的噪声等，为降低对周围环境的噪声污染，提供工作环境的舒适性，宜从以下方面进行噪声控制。地面需要做隔音减振措施，基座处应设置减振垫，减少与楼板或设备基础发生振动或共振现象。空调机房内宜采用防火隔音门、内墙贴吸声材料，外窗选用隔音玻璃或真空玻璃。所有的管道支架与墙壁接触点均宜用隔音阻尼材料做软连接，防止声桥现象。穿墙管道处应做好密封处理；对设备管道包裹保温降噪材料；在进排风处增加消声器。4 结论本文对光伏厂房的设计要点进行了简单的整理和分析，虽然从建筑、结构、机电和装修等多专业、多系统进行了阐述，但涵盖的范围还是十分有限，更多的要点需要继续补充和归纳。而且光伏电池的技术迭代速度可谓日新月异，材料的种类也越来越多，按材料结构可分为三类。硅基光伏电池：单晶硅、多晶硅光伏电池等；薄膜光伏电池：砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒薄膜光伏电池等；新型光伏电池：具有理论高转化效率，以及低成本优势的新概念电池，主要有染料敏化光伏电池、钙钛矿光伏电池、有机太阳电池及量子点太阳电池等6。使用不同技术路线的工厂也都存在特有的设计要求。在众多的材料中，作为第三代光伏电池优秀代表的钙钛矿光伏电池和有机太阳能电池由于其独特的优势，如柔性、半透明化及低成本和卷对卷处理大面积制造等，在光伏电站、光伏建筑一体化集成、便携式电子设备等领域有着广泛的潜在应用，获得广泛关注与快速发展7。当新技术产业化后，会带来对现有工艺设备的升级换代和生产厂房的技术改造，对于新建工厂的设计也将出现新的要求。我国“双碳”战略是一项需要付出长期努力的目标，而对高效工厂的建造研究，也将随着光伏行业的不断发展一直持续下去。参考文献1张芳，邹俊“双碳”目标下我国光伏产业高质量发展的难点与对策 J西昌学院学报（社会科学版），2022，34（02）：53-572陈金晟，张勇“双碳”目标下金刚线发展机遇分析 J金属制品，2023，49（01）：1-43王元清，石永久，陈宏，等现代轻钢结构建筑及其在我国的应用J建筑结构学报，2002（01）：2-84杨尚荣，鲁长海 高效装配预制预应力构件工厂建设技术与应用J建筑技术开发，2023，50（02）：71-745王彦刚，查恩明，李树娜，等直立锁边屋面与柔性防水屋面的性能比较 J门窗，2011（06）：6-106曹邵文，周国庆，蔡琦琳，等太阳能电池综述：材料、政策驱动机制及应用前景 J复合材料学报，2022，39（05）：1847-18587孟婧，高博文新型高效率和高稳定性钙钛矿/有机集成太阳电池光伏性能研究 J物理学报，2023，72（01）：352-360