屋顶光伏项目特点与工程建设的探讨

2018-04-28韩琪王朝张晓琪

综合智慧能源 2018年3期

韩琪，王朝，张晓琪

(华电福新能源股份有限公司内蒙古开发建设分公司，呼和浩特 012300)

0 引言

截止2016年底，我国光伏发电装机新增容量3 454万kW，累计装机容量7 742万kW，位居世界第一。年发电量662亿kW·h，约占全年发电量1%，相当于节约813.6万t标煤、用水3.3亿t，减少排放CO22 212万t、SO26.9万t、NOx6万t、粉尘颗粒物554万t，为我国环境保护、经济可持续发展做出了突出贡献。

光伏发电规模的飙升背后是对土地需求的不断攀升，一个10 MWp容量光伏电站将集中占地约300亩，按照目前普通光伏发电装机容量6 710万kW计算，占地约201.3万亩。特别是光伏发电项目逐步向人口集中的中东部转移，可用土地选择有限，用地难问题将更加凸显。受光伏组件影射影响，光伏板下方土地受雨量小、照射少，土地沙化、盐碱化影响严重。随着光伏发电并网容量增多，限电情况严重，上网电价的连年下降，投资回报率逐年降低。光伏发电项目开发难度不断增大，建设成本进一步提高。如何在减少用地、环境保护、降本增效的基础上实现光伏发电产业可持续发展，是今后光伏产业发展的重要课题。

就在光伏发电项目发展遇到瓶颈之际，屋顶光伏项目作为一种新兴光伏发电系统异军突起，在3年的时间内规模扩大几十倍，成为光伏产业新的发展方向。

1 屋顶光伏的优势

1.1 政策支持

根据国家发改委《可再生能源发展“十三五”规划》“到2020年，全国太阳能发电并网容量要达到1.2亿kW以上，继续支持在已建成且具备条件的工业园区、经济开发区等用电集中区域规模化推广屋顶光伏发电系统”截止2016年第一季度，全国屋顶光伏电站规模为70万kW，根据规划，到2020年要达到700万kW，五年内规模将扩大10倍之多。

1.2 分布面广推动经济发展

随着城市化发展，市区大面积高层楼宇群增多，大跨度库房、厂房逐步向城市外移且呈集中式建设，为屋顶光伏大规模发展提供了基础。对企业来说，由于屋顶光伏不受建设规模限制，且多为直接接入用户，限电少，电费结算快，收益率高。对用户来说，形成双网接入，保证了供电的可靠，降低了用电成本。在农村，屋顶光伏往往配套着扶贫、农业产业化、村镇改造等指标，推动了农村经济发展。大规模发展屋顶光伏，必然会推动建筑材料和建筑工艺的革新，衍生出各类新型产业，推动经济的发展。

1.3 节能减排提高社会效益高

建筑物能为光伏发电系统提供足够的面积，不另占土地。在光伏板的遮挡下，顶楼避免直接照射，通风、隔热效果好、噪声低[1]。系统直接接入用户，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电投资和维修成本。且日照强时恰好是用电高峰期，在保证自身建筑内用电外，在一定条件下还能向电网供电，舒缓了高峰电力压力。减少由一般化石燃料发电所带来的污染，具有极大的社会效益。

1.4 接入简单

屋顶光伏一般直接接入用户。该接入方式大致分为两类，一是10 kV及以下电压等级接入网点，总装机容量不超过6 MWp的分布式电源。二是35 kV电压等级接入网点，发电自用比大于50%的分布式电源。这种接入方式可直接利用现有城市电网直接接入，省去了长距离的送出线路建设。同时，根据电网公司要求35 kV及以下电压等级系统，电网系统接入方案审批只需地市级电网公司出具即可，省去了上报省级电网公司评审的工作和步骤，节约了接入审批时间。

表1 各类光伏板参数对比表

1.5 各项手续办理简便

由于屋顶光伏项目不直接占用土地，可免去土地审批、用地规划等手续的办理。同时，该类型项目开发所需的必要条件相对简单，它不需要建设指标，建成并网发电后即可获得政府给予的相关电价补贴，各项手续办理步骤、程序都得到了极大的简化。

1.6 建设灵活易于维护

屋顶光伏建设规模一般在10 MWp以下，建设工期较短，可同时开工若干项目，基本可实现当年投资、当年盈利的目标。屋顶光伏兼有普通光伏发电的特点，如光伏组件结构简单、体积小、重量轻、便于运输和安装，运行稳定可靠，使用寿命较长、备件储备少，少人或无人值守，维护成本大大降低，变相拓展了盈利空间[2]。

2 屋顶光伏发电项目存在的问题及对策

相对于普通光伏，屋顶光伏又主要存在以下问题：一是设备选型困难，如何在有限的空间内保证设备运行可靠，实现效益最大化，是关系到屋顶光伏投资、建设的首要难题。二是大部分企业未进行过屋顶光伏的建设，对其工程特点不了解，无相关管理经验，工程管理难度大。三是在施工过程为高处作业，触电、高空坠落、高空落物、火灾事故隐患增多。四是由于屋顶面积小，无法进行大规模施工，又是在原有建筑物基础上进行二次施工，施工工艺如不规范，将造成建筑物结构、发电系统的严重隐患。

2.1 建设地点的选择

目前，国内建筑物屋顶可分为坡面屋顶、平屋顶和不规则屋顶3类。光伏电站在选择屋顶过程中要考虑施工简单、防水好、承载力大、顶面较为平坦的平屋顶或大面积规则坡面屋顶。在建设地点方面，要选择建筑物顶层房间无人居住、不受航线管制、屋顶面积大的写字楼群、仓储库房、大跨度工业厂房、规模化现代养殖基地牲畜间等。在建筑物的选择中还应注意了解建筑物产权是否明晰，建筑竣工时间、使用时间以及所在区域中长期城市规划，充分论证项目开发风险。

2.2 设备选型

2.2.1 光伏组件的选型

目前，技术相对成熟的光伏组件主要为晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件以及高倍聚光型光伏组件3种。晶体硅光伏组件的代表性产品主要有单晶硅光伏组件(Mono-Si)和多晶硅光伏组件(Poly-Si)。薄膜光伏组件的代表性产品主要有非晶硅光伏组件(a-Si)、碲化镉光伏组件(CdTe)和铜铟镓硒光伏组件(CIGS)。高倍聚光型光伏组件的代表性产品主要为砷化镓光伏组件(AsGa)，各类光伏组件主要指标为转换效率、投资成本及衰减度见表1。

根据屋顶光伏位于城市中心或周边人口较密集，建设规模小(一般不超过10 MWp)，环保要求高等特点，结合光伏项目组件选择基本原则，宜选用制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高、体积小、重量轻的晶体硅光伏组件。从目前价格来说，多晶硅光伏组件每瓦约2.8元，单晶硅光伏组件每瓦约3.1元，按照效益最大化的目标，宜选用单晶硅光伏组件。

2.2.2 逆变器的选型

光伏发电系统逆变器主要分为集中式和组串式两种，其主要特点见表2。

逆变器选型技术考虑的因素为：发电效率、电网友好性、设备可靠性、可维护性、经济性。组串式逆变器是基于模块化设计概念，将光伏方阵中的每个光伏组串连接至指定逆变器的直流输入端，各自完成将直流电转换为交流电，直流侧无需配置直流汇流箱和直流配电柜，直流电缆使用较少，工程减少，无占地问题，运行过程中发生故障可直接更换，减少故障损失时间，提高设备利用率。拥有更多的“最大功率点跟踪”太阳能控制器(MPPT)追踪模块可实现对每一路组串电流电压等信息的高精度采集，精确定位组件的故障和其他电气故障。其转换效率高，发电效率高，且自耗电低，防护等级高，可直接户外安装，设备运行可靠。组串式逆变器较集中式逆变器每瓦价格约高0.15元，考虑到屋顶光伏项目容量较小，因此，组串式逆变器综合效益优于集中式逆变。

表2 组串式逆变器与集中式逆变器对比表

2.2.3 其他设备及材料选型

受占地面积、建筑物防火安全要求、城市热岛效应和上层空气流速大等问题制约，电气一/二次设备、材料应选用技术成熟、防护等级高、作业温度范围大、设备体积小、运行噪音低、易维护、耐火程度高的设备和材料。除此之外，还应安装设备绝缘监测系统、热成像监控、火自报系统及自动灭火系统。

2.3 工程建设管理

2.3.1 施工管理

建设单位要专门针对屋顶光伏的特殊情况建立健全工程管理体系，加快人才培养，完善相关组织机构，明确项目工程任务。根据建筑物承载力，结合建筑物图纸制定详细的施工组织方案，明确各单位责任，规范开工流程。

做好工程质量管控。各项工作严格按照相关规程进行，杜绝野蛮施工，严把隐蔽工程质量关，切实做到全过程监督。施工竣工后，做好验收工作，特别是屋顶排水、防水、耐风压、现场文明治理等，不满足要求的及时进行整改。

在保证质量的前提下，做好进度管理。各施工单位要按照既定工作方案，有序进行，切忌盲目抢工。设备、物资厂家必须按照合同要求保质、保量按时到货。设置专人盯办催货、验收工作，保证各类设备、物资到货及时，质量满足现场工程要求。

2.3.2 安全管理

建立健全项目安全管理体系，严格履行工程安全工作要求，明确各级人员安全责任，认真开展各项安全例行工作，定期进行安全大检查及隐患排查[3]。

由于屋顶光伏一般在已建成建筑物屋顶进行施工，开工前对所有施工人员进行安全交底，分析本工程危险点，并制定详细的预控措施，施工过程中必须做好防火、防触电、防高空坠落、防高空落物等防护。在施工现场设置可靠牢固的防护设施，配齐施工人员个人安全防护用具，加高屋顶防护栏，在建筑物周围安装防落物护网，建筑物入口处搭设安全通道，建筑物下方封闭，禁止停车及行人。施工用料、设备进场应走专用通道。临时用电要核算用电负荷，禁止私拉乱接或超负荷用电。特殊天气下禁止施工，保证人身及设备安全。

2.4 施工及安装工艺

2.4.1支架安装工艺

平顶屋顶一般选择混凝土基础，其施工工艺与普通光伏相同，但应注意屋顶光伏在混凝土基础浇筑时必须将屋顶防水层或瓷砖清理，与屋顶浇筑为一体，确保基础牢固如图1所示。

图1 混凝土基础支架

斜坡屋顶又分为主结构斜坡和平顶后彩钢顶斜坡，一般采取连接屋顶主结构法、专用夹具固定法、双组分胶连接法。连接屋顶主结构法主要是指通过螺栓，直接将金属底座与主结构连接如图2所示。

图2 连接屋顶主结构式支架

专用夹具固定法是指支架通过锁边卡具直接固定在瓦棱上，彩钢顶斜坡多用此种方法如图3所示。

图3 专用夹具光伏支架

双组分胶连接法是指通过专用胶如图4所示，直接将支架底座与屋顶粘连，该种方法可靠性较差，一般在风速低、面积小的别墅、老式住宅楼上使用。

图4 双组分胶式支架

无论任何形式的屋顶和任何施工方法，必须做好防水处理。支架底座与结构连接处、打孔处、混凝土与结构连接处必须填实处理，再用密封胶密实，然后进行防水涂料涂刷，最后进行防水材料铺设，每一阶段完工后都应进行水密试验。主要设备接地应与建筑物防雷接地连接，如建筑物接地过小，设备应单独引下接地，并设足够面积的接地网。

2.4.2 支架排布

支架各部安装必须要保证垂直度及水平度，各部连接螺栓紧固度及方向应符合设计图纸、规范及厂家提供的安装指导书等要求，确保安装可靠与美观。

在正南北向大面积规则坡面屋顶或斜面彩钢屋顶光伏板安装施工，应注意屋面的坡度与组件阵列最佳安装倾角相匹配以及前后矩阵距离，避免前光伏板阴影遮挡，确保接受辐射量最大化，倾角计算公式为：

Rβ=S[sin(α+β)/sinα]+D。

式中：Rβ为倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量；S为水平面上太阳直接辐射量；D为散射辐射量；α为中午时分太阳高度角；β为光伏阵列倾角。

前后阵列高度差应为：H=Lsinθ+Di；代入阵列间距计算公式D2=RN-Sh，整理得

D=Lcosθ+[(Lsinθ+Lcosθi)R]/1-iR。

式中：i为建筑屋面坡度系数为屋面最低与最高点的高度差(相对于水平面)与最低点、最高点之间水平距离之比，南坡i为正值，北坡i为负值；RN-S为当地阴影系数；θ为组件相对于水平面夹角。

2.4.3 组件安装及串接工艺

光伏组件安装与串接工艺与普通光伏发电项目相同，严格按照有关标准及厂家提供的作业指导书进行施工。受上层气流扰动影响，易发生组件压块松动，造成组件掉落。光伏项目组件安装过程中特别要注意光伏组件安装的牢固度，还可建议组件、支架生产厂家增加压块安装孔，提高牢固度。组件接串接线满足容量要求、接头干净无异物、接头插接牢固无虚接现象，连接线在线槽内敷设平整并安装线槽盖。线缆穿孔处除用防火泥封堵外，还增加防火隔板，涂刷防火涂料。

2.4.4 电气设备安装工艺

电气设备、材料安装除严格按照《电气装置安装工程施工及验收规范》执行外，电力电缆必须走独立通道，接入设备口处防火封堵，并根据建筑物结构进行分段防火隔离。另做好防盗、防小动物及通风措施。设备安装完成后必须进行交接试验，保证电气设备运行可靠。