大型储料气承式膜仓的新能源一体化应用研究

大型储料气承式膜仓的新能源一体化应用研究

刘锋涛1，欧阳婷1，琚伯玉1，周蕴婵1，李思宁1，覃冬月1

柳州工学院，土木建筑工程学院，广西柳州，545005

摘要：本文梳理总结气承式膜仓的技术原理及分布式光伏组件应用的局限性，通过分析柔性光伏组件与柔性材料、弧形造型的气承式膜仓相结合的可行性进一步阐述大型储料气承式膜仓与新能源一体化的应用方向，为各类大型储料仓实现低成本、良好的环保效果并提供清洁能源的多重目标提供思路。

关键词:气承式膜仓；新能源；柔性光伏组件

1 引言

气膜是一种具有相对密闭性、能对产生粉尘、废气、毒气、细菌、病毒等污染源的环境进行环保封闭并净化处理的智能产品。近几年，环保气膜在电力行业、钢铁行业、化工行业、水泥行业、绿色港口、各类文体场馆、科学实验室等领域大范围普及应用。气膜能耗以及气膜屋面利用率问题成了行业的关注焦点。通过新能源与气承式膜结构相结合，不仅能够实现清洁能源发电，还大大提高了产品的环境适应性，丰富了应用领域。本文将通过新能源光伏与气膜结合的技术，阐述新能源与气承式膜结构一体化的研究探索。

2 气承式膜结构简介

气承式膜结构采用高强度PVDF难燃膜材为体系外壳，并搭载智能化送风加压系统，在体系内部提供微正压，从而支撑整个气膜体系。其特征包括无梁无柱、大跨度、大空间、自动运行、零排放、智能快装、低成本及低能耗，使用寿命长达25至30年。智能控制系统结合5G物联网技术，实现对空间环境和气膜料仓内部运行情况的实时监测，数据传输至集控室及远程客户终端，通过数据识别进行自动调节，实现无人值守、数字化管理。因此，气承式膜结构成为建造成本低廉、便利的新型大型储料仓的首选结构。

气承式膜结构堆料仓的应用优势主要体现在节能和环保方面。其采用高透光率膜材，白天能够充分利用日照光度，无需额外补光，夜晚则采用高效节能的二次漫反射照明方式，显著减少照明用电。在环保方面，气膜内部微正压设计使其成为相对密闭的空间，有效阻止室内粉尘等污染物扩散到室外。同时，气膜配备室外空气净化过滤装置，实现了粉尘的回收处理，达到了零排放标准，有效避免了对周围环境的二次污染。具体来说：

①自重轻。膜材料屋面的重量仅为常规钢屋面的1/30；

②造价低。自重轻从而减少了墙体与基础的造价，随着跨度的增大单位面积建造费用呈下降趋势。跨度越大，成本节约越高；

③施工周期快。膜工程采取工厂加工、现场安装的施工模式，有效地缩短工期，比传统施工快两倍；

④保温性能好。与玻璃和砖墙等材料相比，膜材料的热传导性较低，保温效果好；

⑤节能。由于膜材料的半透明性，在空间内部产生均匀的自然漫散射光。一方面，能有效减少白天电力照明，另一方面，空调和采暖能耗也得到缓解；

⑥自洁性。通过雨水的冲刷，可保持外观的自洁；

⑦空间自由。膜材本身具有轻自重、大覆盖面积的特性，内部空间可根据实际需求进行自由调整；

⑧条件成熟：气膜顶部30%以上的面积可安装光伏，且气膜高度比较高，四周无遮挡物，膜面承重可达60kg/㎡，全国除少数几个省份光照不足外，大部分省市都具备光照条件，以上几点说明气膜顶部具备光伏发电所需的所有条件。

传统气承式膜结构由于其主材应用柔性材料，并且利用空气压力差形成结构外形，因此在新能源的应用中存在一定的局限性。随着柔性光伏组件技术的成熟，其轻便及可轻微弯折的特性为光伏与大跨度气承式膜结构的结合提供了基础条件。通过与光伏相结合，不仅能为各类堆储场景解决了环保问题，还能提供清洁能源，达到有效的低碳减排，不仅给气膜供电，同时也能园区其他生产生活供电。

随着气承式膜结构材料、结构体系的不断发展，目前气承式膜结构的应用场景非常广泛，并且在极端地区都得到了项目实践论证，承受了风雪等极端天气的荷载并保持结构稳定，在此基础上，新能源气承式膜仓具有一定的技术与理论基础。

3 新能源气承式膜仓一体化应用

3.1 光伏发电技术

光伏发电技术利用半导体界面的光生伏特效应将太阳能直接转换为电能。其主要组成包括太阳电池板（组件）、控制器和逆变器，其中电子元器件构成了主要部件。太阳能电池串联后封装保护，形成大面积太阳电池组件，与功率控制器等配件结合形成光伏发电装置。这些装置通过光能吸收、电能转换和系统监测等功能，实现了太阳能资源的高效利用，为清洁能源领域提供了可靠的电力来源。

3.2 分布式光伏发电技术

分布式光伏发电作为新型能源利用方式，强调就近发电、并网、转换和使用原则，具有广阔的发展前景，结构包括柔性光伏组件，逆变器，配电箱（图1），它不仅提高了同等规模光伏电站的发电效率，还能够解决电力在升压和长途输送中的损耗问题。对于优化能源结构、推动节能减排和实现经济可持续发展具有重要意义，并为实现“3060”目标提供支持。分布式光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优势，成为发达国家主流的并网光伏发电形式。本文探讨的新能源气承式膜结构属于分布式光伏发电类型之一，为光伏发电领域带来新的技术路径和发展思路。

图1 新能源气承式膜仓一体化结构体系

分布式光伏发电系统是在我国今后亟待政策配套大力推广的绿色新能源发展方向。随着经济与技术环境的不断成熟，许多国内外专家开展了关于分布式光伏发电系统的相关研究。光伏气膜一体化应用技术得到充分的应用和开拓，尤其是对分布式光伏发电及储能的研究。分布式发电系统依赖公共电网协同供电，确保自产自用的电能质量与可靠性。缺乏公共电网支持将威胁系统稳定性。光伏发电系统根据接入电网的电压等级分为小型、中型、大型，其中分布式系统通常建立在负荷侧，属于中小型光伏发电系统。

气承式膜结构与新能源相结合的应用形式分离网发电和并网发电两种：

（1）离网发电

离网发电属于自发自用（含储能自用），其应用场景包括气承式膜结构自身用电设备，具体表现为维持气承式膜结构正常运行的用电设备、维持堆场运转的用电设备等。其次，自发自用可供给园区内其他的用电设备，通过这种方式减少对煤炭、生物质能源的消耗，从而达到绿色可持续发展的目的。最后，从成本的角度考虑，利用气膜光伏发电的成本相较于市电具有显著的成本优势。

（2）并网发电

并网发电的方式为余电上网，充分利用绿色太阳能资源，电网的电量来源是光伏气膜供给气膜堆场内部用电负荷以及其他用电设备以外的余电。根据每个地区的光照辐射条件，装机总容量的不同，可在一定期限内得到客观的投资回报效益。

目前能满足符合气膜承载力要求的光伏面板主要以柔性单晶硅和双结硅基薄膜为主，柔性单晶硅面板在气膜屋顶上应用的标准尺寸采用2000*1000mm，可以进行微量弯曲以适应气膜屋顶弧度；面板自重轻，重量约为2.5-3kg/m2，转换率一般在20%，性价比较高，应用范围广，目前常见于轻质屋面的分布式光伏发电敷设使用。轻质光伏组件实现了无玻璃、轻量化、薄片化和柔性化的新型晶体硅光伏组件，带边框的轻质光伏组件重量可轻至4.8kg/m2，只有传统光伏组件的40%。轻质光伏组件通过应用复合材料，确保了组件透光性、防水性、耐紫外及耐老化的能力。

普通建筑高矮不一，也是阻碍建筑体利用太阳能的一个因素，而工业仓储气膜建筑一般高度较高，且四周开阔、无遮挡，气膜顶部表面可以做到全天侯地利用太阳光。在屋顶荷载能力不变的情况下，轻质组件相较于传统光伏组件重量优势明显，这变相提高了光伏电站的整体荷载能力：在屋顶荷载能力相同的情况下，安装轻质光伏组件的屋顶无疑可以承担更大重量的荷载。轻质组件可以实现无边框和有边框两种方式，无边框轻质组件具有最低的重量和最佳的柔性，适用于各种创新性的应用领域。有边框轻质组件适用于各种承重不足的分布式屋顶。新能源气承式膜仓一体化开发应用流程如图所示。

图2新能源气承式膜仓一体化开发应用流程

根据中国有关火电厂的耗煤发电数据数据及测算，新能源气承式膜仓一体化减排效益如表1所示：

表 1节能减排数据

以项目实际测算，若一个新能源气膜储料仓日发电量达1000kw·h，则25年发电量为9.125×106kw·h，则节约标准煤3.65×106t，粉尘2.482×106t，二氧化碳9.1×106t，二氧化硫0.27×106t，NOx减排136875t。据此数据可分析，通过对大跨度的气膜储粮仓进行新能源一体化改造，可以充分利用丰富的气膜仓屋面资源，完成对气膜储料仓自行供能的同时，还能带来巨大的节能减排效应，有利于绿色可持续社会目标的实现。

4 结语

本文主要针对大型储料气承式膜仓与清洁能源相结合开展了研究探索与应用实践，光伏气膜产品作为一种具备可再生特性的绿色能源解决方案，在解决了传统气承式膜结构柔性材料及弧形外形与传统光伏组件安装的矛盾问题，不仅探讨了柔性组件与气承式膜结构相结合的可行性，也为未来开发更多柔性建筑或异形建筑与新能源组件相结合提供了探索思路，在实现环境保护和碳减排目标，对推动可持续发展具有重要的意义和现实价值。

参考文献：

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致谢

本项目获得以下基金项目支持：

2023年度柳州工学院专创融合示范课建设项目（2023SFK01）；

2023年度柳州工学院专创融合示范课程建设（2023SFK02）；

2021年度柳州工学院“课程思政”专项项目（2021JGK049）；

柳州工学院2022年度校级一流本科课程建设项目（2022YLKC010）；

柳州工学2022年度校级一流本科专业建设项目（2022YLZY01）；

2019年广西科技大学鹿山学院“课程思政”专项项目（2019JGSZ014），

2023 年度大学生创新创业训练计划项目（202313639006，S202313639034），

2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2021KY1711）