屋頂光伏項(xiàng)目特點(diǎn)與工程建設(shè)的探討

韓琪，王朝，張曉琪

(華電福新能源股份有限公司內(nèi)蒙古開發(fā)建設(shè)分公司，呼和浩特 012300)

0 引言

截止2016年底，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)新增容量3 454萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)容量7 742萬(wàn)kW，位居世界第一。年發(fā)電量662億kW·h，約占全年發(fā)電量1%，相當(dāng)于節(jié)約813.6萬(wàn)t標(biāo)煤、用水3.3億t，減少排放CO22 212萬(wàn)t、SO26.9萬(wàn)t、NOx6萬(wàn)t、粉塵顆粒物554萬(wàn)t，為我國(guó)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

光伏發(fā)電規(guī)模的飆升背后是對(duì)土地需求的不斷攀升，一個(gè)10 MWp容量光伏電站將集中占地約300畝，按照目前普通光伏發(fā)電裝機(jī)容量6 710萬(wàn)kW計(jì)算，占地約201.3萬(wàn)畝。特別是光伏發(fā)電項(xiàng)目逐步向人口集中的中東部轉(zhuǎn)移，可用土地選擇有限，用地難問題將更加凸顯。受光伏組件影射影響，光伏板下方土地受雨量小、照射少，土地沙化、鹽堿化影響嚴(yán)重。隨著光伏發(fā)電并網(wǎng)容量增多，限電情況嚴(yán)重，上網(wǎng)電價(jià)的連年下降，投資回報(bào)率逐年降低。光伏發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)難度不斷增大，建設(shè)成本進(jìn)一步提高。如何在減少用地、環(huán)境保護(hù)、降本增效的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是今后光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。

就在光伏發(fā)電項(xiàng)目發(fā)展遇到瓶頸之際，屋頂光伏項(xiàng)目作為一種新興光伏發(fā)電系統(tǒng)異軍突起，在3年的時(shí)間內(nèi)規(guī)模擴(kuò)大幾十倍，成為光伏產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向。

1 屋頂光伏的優(yōu)勢(shì)

1.1 政策支持

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》“到2020年，全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)容量要達(dá)到1.2億kW以上，繼續(xù)支持在已建成且具備條件的工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等用電集中區(qū)域規(guī)?；茝V屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)”截止2016年第一季度，全國(guó)屋頂光伏電站規(guī)模為70萬(wàn)kW，根據(jù)規(guī)劃，到2020年要達(dá)到700萬(wàn)kW，五年內(nèi)規(guī)模將擴(kuò)大10倍之多。

1.2 分布面廣推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

隨著城市化發(fā)展，市區(qū)大面積高層樓宇群增多，大跨度庫(kù)房、廠房逐步向城市外移且呈集中式建設(shè)，為屋頂光伏大規(guī)模發(fā)展提供了基礎(chǔ)。對(duì)企業(yè)來說，由于屋頂光伏不受建設(shè)規(guī)模限制，且多為直接接入用戶，限電少，電費(fèi)結(jié)算快，收益率高。對(duì)用戶來說，形成雙網(wǎng)接入，保證了供電的可靠，降低了用電成本。在農(nóng)村，屋頂光伏往往配套著扶貧、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、村鎮(zhèn)改造等指標(biāo)，推動(dòng)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。大規(guī)模發(fā)展屋頂光伏，必然會(huì)推動(dòng)建筑材料和建筑工藝的革新，衍生出各類新型產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.3 節(jié)能減排提高社會(huì)效益高

建筑物能為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的面積，不另占土地。在光伏板的遮擋下，頂樓避免直接照射，通風(fēng)、隔熱效果好、噪聲低[1]。系統(tǒng)直接接入用戶，減少了電力輸送過程的費(fèi)用和能耗，降低了輸電投資和維修成本。且日照強(qiáng)時(shí)恰好是用電高峰期，在保證自身建筑內(nèi)用電外，在一定條件下還能向電網(wǎng)供電，舒緩了高峰電力壓力。減少由一般化石燃料發(fā)電所帶來的污染，具有極大的社會(huì)效益。

1.4 接入簡(jiǎn)單

屋頂光伏一般直接接入用戶。該接入方式大致分為兩類，一是10 kV及以下電壓等級(jí)接入網(wǎng)點(diǎn)，總裝機(jī)容量不超過6 MWp的分布式電源。二是35 kV電壓等級(jí)接入網(wǎng)點(diǎn)，發(fā)電自用比大于50%的分布式電源。這種接入方式可直接利用現(xiàn)有城市電網(wǎng)直接接入，省去了長(zhǎng)距離的送出線路建設(shè)。同時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)公司要求35 kV及以下電壓等級(jí)系統(tǒng)，電網(wǎng)系統(tǒng)接入方案審批只需地市級(jí)電網(wǎng)公司出具即可，省去了上報(bào)省級(jí)電網(wǎng)公司評(píng)審的工作和步驟，節(jié)約了接入審批時(shí)間。

表1 各類光伏板參數(shù)對(duì)比表

1.5 各項(xiàng)手續(xù)辦理簡(jiǎn)便

由于屋頂光伏項(xiàng)目不直接占用土地，可免去土地審批、用地規(guī)劃等手續(xù)的辦理。同時(shí)，該類型項(xiàng)目開發(fā)所需的必要條件相對(duì)簡(jiǎn)單，它不需要建設(shè)指標(biāo)，建成并網(wǎng)發(fā)電后即可獲得政府給予的相關(guān)電價(jià)補(bǔ)貼，各項(xiàng)手續(xù)辦理步驟、程序都得到了極大的簡(jiǎn)化。

1.6 建設(shè)靈活易于維護(hù)

屋頂光伏建設(shè)規(guī)模一般在10 MWp以下，建設(shè)工期較短，可同時(shí)開工若干項(xiàng)目，基本可實(shí)現(xiàn)當(dāng)年投資、當(dāng)年盈利的目標(biāo)。屋頂光伏兼有普通光伏發(fā)電的特點(diǎn)，如光伏組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和安裝，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命較長(zhǎng)、備件儲(chǔ)備少，少人或無人值守，維護(hù)成本大大降低，變相拓展了盈利空間[2]。

2 屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目存在的問題及對(duì)策

相對(duì)于普通光伏，屋頂光伏又主要存在以下問題：一是設(shè)備選型困難，如何在有限的空間內(nèi)保證設(shè)備運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)效益最大化，是關(guān)系到屋頂光伏投資、建設(shè)的首要難題。二是大部分企業(yè)未進(jìn)行過屋頂光伏的建設(shè)，對(duì)其工程特點(diǎn)不了解，無相關(guān)管理經(jīng)驗(yàn)，工程管理難度大。三是在施工過程為高處作業(yè)，觸電、高空墜落、高空落物、火災(zāi)事故隱患增多。四是由于屋頂面積小，無法進(jìn)行大規(guī)模施工，又是在原有建筑物基礎(chǔ)上進(jìn)行二次施工，施工工藝如不規(guī)范，將造成建筑物結(jié)構(gòu)、發(fā)電系統(tǒng)的嚴(yán)重隱患。

2.1 建設(shè)地點(diǎn)的選擇

目前，國(guó)內(nèi)建筑物屋頂可分為坡面屋頂、平屋頂和不規(guī)則屋頂3類。光伏電站在選擇屋頂過程中要考慮施工簡(jiǎn)單、防水好、承載力大、頂面較為平坦的平屋頂或大面積規(guī)則坡面屋頂。在建設(shè)地點(diǎn)方面，要選擇建筑物頂層房間無人居住、不受航線管制、屋頂面積大的寫字樓群、倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房、大跨度工業(yè)廠房、規(guī)?；F(xiàn)代養(yǎng)殖基地牲畜間等。在建筑物的選擇中還應(yīng)注意了解建筑物產(chǎn)權(quán)是否明晰，建筑竣工時(shí)間、使用時(shí)間以及所在區(qū)域中長(zhǎng)期城市規(guī)劃，充分論證項(xiàng)目開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 設(shè)備選型

2.2.1 光伏組件的選型

目前，技術(shù)相對(duì)成熟的光伏組件主要為晶體硅光伏組件、薄膜光伏組件以及高倍聚光型光伏組件3種。晶體硅光伏組件的代表性產(chǎn)品主要有單晶硅光伏組件(Mono-Si)和多晶硅光伏組件(Poly-Si)。薄膜光伏組件的代表性產(chǎn)品主要有非晶硅光伏組件(a-Si)、碲化鎘光伏組件(CdTe)和銅銦鎵硒光伏組件(CIGS)。高倍聚光型光伏組件的代表性產(chǎn)品主要為砷化鎵光伏組件(AsGa)，各類光伏組件主要指標(biāo)為轉(zhuǎn)換效率、投資成本及衰減度見表1。

根據(jù)屋頂光伏位于城市中心或周邊人口較密集，建設(shè)規(guī)模小(一般不超過10 MWp)，環(huán)保要求高等特點(diǎn)，結(jié)合光伏項(xiàng)目組件選擇基本原則，宜選用制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高、體積小、重量輕的晶體硅光伏組件。從目前價(jià)格來說，多晶硅光伏組件每瓦約2.8元，單晶硅光伏組件每瓦約3.1元，按照效益最大化的目標(biāo)，宜選用單晶硅光伏組件。

2.2.2 逆變器的選型

光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器主要分為集中式和組串式兩種，其主要特點(diǎn)見表2。

逆變器選型技術(shù)考慮的因素為：發(fā)電效率、電網(wǎng)友好性、設(shè)備可靠性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性。組串式逆變器是基于模塊化設(shè)計(jì)概念，將光伏方陣中的每個(gè)光伏組串連接至指定逆變器的直流輸入端，各自完成將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，直流側(cè)無需配置直流匯流箱和直流配電柜，直流電纜使用較少，工程減少，無占地問題，運(yùn)行過程中發(fā)生故障可直接更換，減少故障損失時(shí)間，提高設(shè)備利用率。擁有更多的“最大功率點(diǎn)跟蹤”太陽(yáng)能控制器(MPPT)追蹤模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一路組串電流電壓等信息的高精度采集，精確定位組件的故障和其他電氣故障。其轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)電效率高，且自耗電低，防護(hù)等級(jí)高，可直接戶外安裝，設(shè)備運(yùn)行可靠。組串式逆變器較集中式逆變器每瓦價(jià)格約高0.15元，考慮到屋頂光伏項(xiàng)目容量較小，因此，組串式逆變器綜合效益優(yōu)于集中式逆變。

表2 組串式逆變器與集中式逆變器對(duì)比表

2.2.3 其他設(shè)備及材料選型

受占地面積、建筑物防火安全要求、城市熱島效應(yīng)和上層空氣流速大等問題制約，電氣一/二次設(shè)備、材料應(yīng)選用技術(shù)成熟、防護(hù)等級(jí)高、作業(yè)溫度范圍大、設(shè)備體積小、運(yùn)行噪音低、易維護(hù)、耐火程度高的設(shè)備和材料。除此之外，還應(yīng)安裝設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、熱成像監(jiān)控、火自報(bào)系統(tǒng)及自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

2.3 工程建設(shè)管理

2.3.1 施工管理

建設(shè)單位要專門針對(duì)屋頂光伏的特殊情況建立健全工程管理體系，加快人才培養(yǎng)，完善相關(guān)組織機(jī)構(gòu)，明確項(xiàng)目工程任務(wù)。根據(jù)建筑物承載力，結(jié)合建筑物圖紙制定詳細(xì)的施工組織方案，明確各單位責(zé)任，規(guī)范開工流程。

做好工程質(zhì)量管控。各項(xiàng)工作嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行，杜絕野蠻施工，嚴(yán)把隱蔽工程質(zhì)量關(guān)，切實(shí)做到全過程監(jiān)督。施工竣工后，做好驗(yàn)收工作，特別是屋頂排水、防水、耐風(fēng)壓、現(xiàn)場(chǎng)文明治理等，不滿足要求的及時(shí)進(jìn)行整改。

在保證質(zhì)量的前提下，做好進(jìn)度管理。各施工單位要按照既定工作方案，有序進(jìn)行，切忌盲目搶工。設(shè)備、物資廠家必須按照合同要求保質(zhì)、保量按時(shí)到貨。設(shè)置專人盯辦催貨、驗(yàn)收工作，保證各類設(shè)備、物資到貨及時(shí)，質(zhì)量滿足現(xiàn)場(chǎng)工程要求。

2.3.2 安全管理

建立健全項(xiàng)目安全管理體系，嚴(yán)格履行工程安全工作要求，明確各級(jí)人員安全責(zé)任，認(rèn)真開展各項(xiàng)安全例行工作，定期進(jìn)行安全大檢查及隱患排查[3]。

由于屋頂光伏一般在已建成建筑物屋頂進(jìn)行施工，開工前對(duì)所有施工人員進(jìn)行安全交底，分析本工程危險(xiǎn)點(diǎn)，并制定詳細(xì)的預(yù)控措施，施工過程中必須做好防火、防觸電、防高空墜落、防高空落物等防護(hù)。在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置可靠牢固的防護(hù)設(shè)施，配齊施工人員個(gè)人安全防護(hù)用具，加高屋頂防護(hù)欄，在建筑物周圍安裝防落物護(hù)網(wǎng)，建筑物入口處搭設(shè)安全通道，建筑物下方封閉，禁止停車及行人。施工用料、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)應(yīng)走專用通道。臨時(shí)用電要核算用電負(fù)荷，禁止私拉亂接或超負(fù)荷用電。特殊天氣下禁止施工，保證人身及設(shè)備安全。

2.4 施工及安裝工藝

2.4.1支架安裝工藝

平頂屋頂一般選擇混凝土基礎(chǔ)，其施工工藝與普通光伏相同，但應(yīng)注意屋頂光伏在混凝土基礎(chǔ)澆筑時(shí)必須將屋頂防水層或瓷磚清理，與屋頂澆筑為一體，確?；A(chǔ)牢固如圖1所示。

圖1 混凝土基礎(chǔ)支架

斜坡屋頂又分為主結(jié)構(gòu)斜坡和平頂后彩鋼頂斜坡，一般采取連接屋頂主結(jié)構(gòu)法、專用夾具固定法、雙組分膠連接法。連接屋頂主結(jié)構(gòu)法主要是指通過螺栓，直接將金屬底座與主結(jié)構(gòu)連接如圖2所示。

圖2 連接屋頂主結(jié)構(gòu)式支架

專用夾具固定法是指支架通過鎖邊卡具直接固定在瓦棱上，彩鋼頂斜坡多用此種方法如圖3所示。

圖3 專用夾具光伏支架

雙組分膠連接法是指通過專用膠如圖4所示，直接將支架底座與屋頂粘連，該種方法可靠性較差，一般在風(fēng)速低、面積小的別墅、老式住宅樓上使用。

圖4 雙組分膠式支架

無論任何形式的屋頂和任何施工方法，必須做好防水處理。支架底座與結(jié)構(gòu)連接處、打孔處、混凝土與結(jié)構(gòu)連接處必須填實(shí)處理，再用密封膠密實(shí)，然后進(jìn)行防水涂料涂刷，最后進(jìn)行防水材料鋪設(shè)，每一階段完工后都應(yīng)進(jìn)行水密試驗(yàn)。主要設(shè)備接地應(yīng)與建筑物防雷接地連接，如建筑物接地過小，設(shè)備應(yīng)單獨(dú)引下接地，并設(shè)足夠面積的接地網(wǎng)。

2.4.2 支架排布

支架各部安裝必須要保證垂直度及水平度，各部連接螺栓緊固度及方向應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖紙、規(guī)范及廠家提供的安裝指導(dǎo)書等要求，確保安裝可靠與美觀。

在正南北向大面積規(guī)則坡面屋頂或斜面彩鋼屋頂光伏板安裝施工，應(yīng)注意屋面的坡度與組件陣列最佳安裝傾角相匹配以及前后矩陣距離，避免前光伏板陰影遮擋，確保接受輻射量最大化，傾角計(jì)算公式為：

Rβ=S[sin(α+β)/sinα]+D。

式中：Rβ為傾斜光伏陣列面上的太陽(yáng)能總輻射量；S為水平面上太陽(yáng)直接輻射量；D為散射輻射量；α為中午時(shí)分太陽(yáng)高度角；β為光伏陣列傾角。

前后陣列高度差應(yīng)為：H=Lsinθ+Di；代入陣列間距計(jì)算公式D2=RN-Sh，整理得

D=Lcosθ+[(Lsinθ+Lcosθi)R]/1-iR。

式中：i為建筑屋面坡度系數(shù)為屋面最低與最高點(diǎn)的高度差(相對(duì)于水平面)與最低點(diǎn)、最高點(diǎn)之間水平距離之比，南坡i為正值，北坡i為負(fù)值；RN-S為當(dāng)?shù)仃幱跋禂?shù)；θ為組件相對(duì)于水平面夾角。

2.4.3 組件安裝及串接工藝

光伏組件安裝與串接工藝與普通光伏發(fā)電項(xiàng)目相同，嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及廠家提供的作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行施工。受上層氣流擾動(dòng)影響，易發(fā)生組件壓塊松動(dòng)，造成組件掉落。光伏項(xiàng)目組件安裝過程中特別要注意光伏組件安裝的牢固度，還可建議組件、支架生產(chǎn)廠家增加壓塊安裝孔，提高牢固度。組件接串接線滿足容量要求、接頭干凈無異物、接頭插接牢固無虛接現(xiàn)象，連接線在線槽內(nèi)敷設(shè)平整并安裝線槽蓋。線纜穿孔處除用防火泥封堵外，還增加防火隔板，涂刷防火涂料。

2.4.4 電氣設(shè)備安裝工藝

電氣設(shè)備、材料安裝除嚴(yán)格按照《電氣裝置安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》執(zhí)行外，電力電纜必須走獨(dú)立通道，接入設(shè)備口處防火封堵，并根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段防火隔離。另做好防盜、防小動(dòng)物及通風(fēng)措施。設(shè)備安裝完成后必須進(jìn)行交接試驗(yàn)，保證電氣設(shè)備運(yùn)行可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

屋頂光伏目前仍處于發(fā)展初期，各項(xiàng)管理制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍不完善，就其政策扶持、不占用土地、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效益高、手續(xù)簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)來說，仍具有較強(qiáng)的投資意義，也是未來光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。相信在不久的將來，將會(huì)出現(xiàn)可靠性更強(qiáng)、投資更少、效率更高的新型屋頂光伏項(xiàng)目，不斷推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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