新能源光伏气膜一体化集成技术的革新与突破

一、研究背景

太阳能是非常具有发展潜力的传统能源替代品。我国的太阳能资源相当丰富，年可供开发利用的太阳能相当于1.3万亿吨原油当量。同时，我国在能源战略方面颁布了《能源生产和消费革命战略(2016-2060)》、《“十四五”现代能源体系规划》等相关政策。这种资源优势和政策导向使得我国太阳能光伏产业具有非常广阔的发展前景。

工业、农业领域的气膜仓具有体量大、高度高、上部光照资源丰富等优势，非常适合安装太阳能光伏组件，且气膜运行需要消耗电能，为解决气膜运行对传统供电能源的依赖，基于此背景，中成空间通过攻克一系列技术难题，创新研发光伏气膜一体化集成技术，对解决气膜运行能耗及低碳运行问题，以及助力我国双碳目标的实现，具有重大战略意义。

二、技术原理

气膜是靠内部微正压支撑的空间结构体系，内部无需梁、柱支撑(如图1所示)，而光伏气膜一体化集成技术是通过将利用太阳能发电的柔性光伏组件与气膜进行集成结合应用的“光伏气膜”创新技术，打造气膜“自发自用、余电上网”的新模式(Building Attached Photovoltaic,简称BAPV)。(如图2所示)。

图1 气膜结构产品系统图

图2 光伏气膜发电模式图

三、技术创新点及技术实现关键点

1、光伏组件与气膜集成应用的创新

因传统硬质晶硅光伏组件重量大，不能产生形变，与气膜集成后膜面荷载大幅度增加，气膜需要通过加压保持正常运行，增加了运行能耗，气膜外表面为弧面结构，集成后随气膜形变有扭曲损坏的风险，不利于安全运行且运维成本较高。

另外气膜属于柔性体系，对风荷载、雪等可变荷载等较为敏感，结构在外部荷载作用下存在一定的变形和位移，传统硬质光伏组件不能弯曲及变形，可变荷载作用下气膜产生空间动态形变时，会破坏气膜顶部及侧面的光伏组件，不仅会影响气膜的结构安全性，还会影响整个光伏系统的正常使用。

中成空间通过攻克光伏组件轻质化、柔性化、封装工艺及与气膜一体化应用的套组研制、系统和谐设计等技术难题，并通过构建模型进行系统的受力计算、安全性验算、风洞试验、仿真模拟等技术手段解决了技术集成和谐应用的难题。

2、光伏组件与充气膜集成应用结构稳定性验证

连接套组的稳定性及光伏气膜集成系统在面对飓风、台风等恶劣天气能否保持安全运行是技术实现的关键，基于结构体系的特点，中成空间开发了一种基于专用柔性组件边框和卡扣件等的气膜光伏系统构造和安装技术，解决了气承式膜结构与光伏组件的协同变形和承载问题。

通过风洞模拟及风洞实验研究光伏气膜在强风作用下的风压分布及对结构形变的影响，通过构建缩小等效模型，调节风洞风速和模型方位，模拟不同方向和数度的风场，收集模型表面的风速、气体流速、气压力等参数，得到模型在不同环境下分压分布及气动力参数，进而判定光伏气膜的结构稳定性、外观完整度、组件破损情况及不可逆的塑性变形等情况，为光伏气膜一体化集成技术的落地应用提供了科学依据。

3、连接套组及同排列光伏阵列变形控制

气膜外表面为曲面形，需解决光伏组件在气膜曲面集成后阵列形变过大的问题。通过套组连接件在空间曲面的形变补偿、同排列组串间的轨道连接补偿以及同排列组串间的空间方位精度控制解决了光伏阵列在外部可变荷载作用下，组件在曲面集成后稳定性的问题。

4、能源和安全的信息化系统

光伏气膜一体化集成技术是打造气膜“自发自用、余电上网”的新模式，光伏气膜智能化运行及管理、能源智能调配及信息化管理、安全监控及智能化响应是光伏气膜安全和智能化运行的关键，基于此中成空间研发了一套远程终端实时监控能源和安全的信息化系统，实现了光伏气承式气膜结构能源能效和安全的智慧化管理。

2021年中成空间在自建的湖南产研基地气膜车间顶部实施光伏气膜一体化集成技术的试产，现已并网发电近3年，项目整体运行稳定良好。2022年经过技术迭代和装备设计的优化，光伏气膜的整套装备结构更加轻质、安全和稳定。2023年，全球首套大规模绿色太阳能光伏气膜在江苏常州港录安洲码头落地(如图3所示)，系统运行稳定，整套装备无故障、损坏、宕机等情况。无论是技术端、工艺端还是产业链配套，中成空间均有完善的服务体系，新能源光伏气膜技术已完全实现市场化运作。

图3 全球首套“光伏+气膜”电站项目