整县屋顶分布式光伏发电系统应用的技术要点分析

2021-11-30边萌萌张昕宇李博佳黄祝连王聪辉

太阳能 2021年11期

边萌萌，张昕宇，李博佳，何涛，黄祝连，王聪辉

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

2021年6月20日，国家能源局综合司发布了《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，要求党政机关建筑屋顶总面积中，可安装光伏发电系统的面积的比例不低于50%；学校、医院、村委会等公共建筑屋顶总面积中，可安装光伏发电系统的面积的比例不低于40%；工商业厂房屋顶总面积中，可安装光伏发电系统的面积的比例不低于30%；农村居住建筑屋顶总面积中，可安装光伏发电系统的面积的比例不低于20%。截至同年9月，已有31个省(自治区、直辖市)及新疆生产建设兵团申报了整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案，国家能源局公布了676个整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点，总装机容量将超过100 GW。与地面光伏电站的光伏发电系统不同，屋顶分布式光伏发电系统在大规模推广时应注意建筑的安全运行。本文从光电建筑的角度出发，分别从前期评估阶段、设计阶段、施工安装阶段、验收阶段及运行维护阶段等全过程对建筑安装屋顶分布式光伏发电系统提出了技术要求，以期对大规模安装于建筑上的屋顶分布式光伏发电系统的安全、可靠、高效运行起到保障作用。

1 前期评估阶段

在整县(市、区)推进屋顶分布式光伏发电系统的工作中，在建筑上安装屋顶分布式光伏发电系统前，应对项目进行前期评估，包括屋顶分布式光伏发电系统装机容量的测算、建筑结构的安全性评估，以及光伏发电系统的经济性评估。

1.1 屋顶分布式光伏发电系统装机容量的测算

屋顶分布式光伏发电系统安装前，应对其装机容量进行测算，测算时既要考虑屋顶中光伏组件的布置，又要考虑当地电网的消纳能力。

1)屋顶分布式光伏发电系统的光伏组件布置包括可安装的光伏组件面积和光伏组件的安装倾角。测算可安装的光伏组件面积时应注意去除屋顶中冷却塔、通风竖井、电梯间等的占地面积，并且避免在易产生阴影遮挡的部位布置光伏组件[1]；测算光伏组件的安装倾角时，除了需要考虑当地的太阳能资源情况以外[2]，还应根据周围建筑的宽度、高度和楼间距等参数来计算光伏组件的最佳安装倾角[3]。

2)屋顶分布式光伏发电系统的装机容量还应与当地电网的消纳能力相匹配。

1.2 建筑结构的安全性评估

整县(市、区)推进屋顶分布式光伏发电系统的应用时，应对建筑结构的安全性进行评估。新建建筑应将屋顶分布式光伏发电系统纳入建筑主体结构和围护结构的荷载计算中；既有建筑应考虑建筑的使用年限及功能要求，对此类建筑进行结构及电气安全复核[4]，并确认现有的建筑结构加装分布式光伏发电系统后是否会存在安全问题，对于不满足安全性要求的既有建筑应进行加固处理。

既有建筑的安全性评估的步骤主要为：

1)应根据施工设计资料或现场情况对既有建筑的结构强度进行复核，确定建筑的承载能力，在抗震设防地区的建筑还应进行抗震鉴定。

2)应计算屋顶分布式光伏发电系统的荷载情况，即计算分布式光伏发电系统的自身重力(包括光伏组件、光伏支架、支架基础等的重力)，风、雨、雪荷载，地震及温度作用等工况下的荷载；风、雨、雪荷载应根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》进行计算；然后应确认分布式光伏发电系统的安装位置与布局、荷载传递方式等内容。

3)应根据建筑类型选择采用GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》或采用GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》，对在当前建筑上安装屋顶分布式光伏发电系统的安全性和可靠性做出评估与鉴定。

1.3 光伏发电系统的经济性评估

在前期评估中，还应对屋顶分布式光伏发电系统进行经济性评估。屋顶分布式光伏发电系统的投资包括其自身的投资和建筑结构的加固费用，收益为该屋顶分布式光伏发电系统的发电量。

投资方面，屋顶分布式光伏发电系统的投资包括初投资和运行维护费用，对这2项进行投资概算；建筑结构的加固费用应根据建筑的具体情况和屋顶分布式光伏发电系统的荷载情况进行投资概算。收益方面，屋顶分布式光伏发电系统的全年发电量应根据其装机容量和当地的太阳能资源情况进行估算。最终，根据投资与收益的估算结果对该屋顶分布式光伏发电系统的经济性做出评估。

2 设计阶段

由于当前针对屋顶分布式光伏发电系统的设计标准还较为欠缺，因此在屋顶分布式光伏发电系统的设计阶段，可参考团体标准T/CBDA 39—2020《光电建筑技术应用规程》进行设计。此外，还需从屋顶分布式光伏发电系统的设计、电气设计、防雷设计、防火设计这几个方面进行考虑。

2.1 屋顶分布式光伏发电系统的设计

屋顶分布式光伏发电系统的设计主要包括光伏组件的选型、逆变器的选型、光伏组件的安装方式、光伏组串的设计、屋顶分布式光伏发电系统结构的设计、屋顶分布式光伏发电系统与其他形式结合的能量综合利用系统的设计、并网方式的选择、远程监测系统的设计这几部分。

2.1.1 光伏组件的选型

屋顶分布式光伏发电系统中，光伏组件的选型应从外观、性能、防火等角度考虑。

1)从外观角度出发，屋顶分布式光伏发电系统选用的光伏组件应与建筑的外观协调统一。根据类别不同，光伏组件可分为晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件和新型光伏组件，各类光伏组件的外观也不相同，如图1所示。

图1 不同类型光伏组件的外观图Fig. 1 Appearances of different types of PV modules

2)从性能角度出发，应用于屋顶分布式光伏发电系统的光伏组件应满足T/CECS 10093—2020《建筑光伏组件》的要求；此类光伏发电系统应尽量采用无边框的光伏组件，以避免雨、雪在光伏组件边框位置的堆积[5]。

3)从防火角度出发，应用于屋顶分布式光伏发电系统的光伏组件应尽量采用双玻光伏组件，从而降低火灾风险。

2.1.2 逆变器的选型

屋顶分布式光伏发电系统应优先选用微型逆变器，并进行光伏组件的最大功率点跟踪，同时降低遮挡等不利因素对此类光伏发电系统发电性能的影响。逆变器的技术要求应满足能源行业标准NB/T 42142—2018《光伏并网微型逆变器技术规范》的要求，也可参考地方标准DB 65/T 3568—2014《分布式光伏逆变器技术条件》。逆变器的功率和数量应综合考虑屋顶分布式光伏发电系统的输出功率、并网方式、电网电力要求等因素后再确定。

2.1.3 光伏组件的安装方式

由于建筑屋顶所处环境较为复杂，因此屋顶分布式光伏发电系统中光伏组件的安装方式除了需要考虑太阳辐照度这一因素外，还应考虑阴影遮挡情况和建筑美观要求等。

平屋面安装光伏组件时，建议倾斜安装，采用光伏组件最佳安装倾角，以获得最大发电量。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，光伏组件安装倾角可设置为当地纬度，或根据全年动态模拟确定[6]。光伏组件需要水平安装时，应在光伏组件下方设置通风腔，通风腔的高度建议根据建筑的冷、热负荷特性和光伏发电特性进行综合考虑后确定[7]。

坡屋面安装光伏组件时，可采用架空安装方式。但需要注意的是，在布局时，光伏组件不宜超出屋檐范围，以避免光伏组件的掉落风险，并满足建筑的消防规范要求。

2.1.4 光伏组串的设计

在进行屋顶分布式光伏发电系统中光伏组串的设计时，应对分布式光伏发电系统通常采用的串联连接和直流连接方式进行改进，并设置快速关断装置，以满足建筑的安全要求。

1)应尽量减少光伏组串中的光伏组件数量，使光伏发电系统直流侧电压不超过120 V[8]，以降低分布式光伏发电系统的高压直流风险；同时将易被局部阴影遮挡的光伏组件串联在一起，可避免因某块光伏组件受阴影遮挡后影响整个分布式光伏发电系统的发电效率。

2)光伏组串在设计时还应设置快速关断装置，用于紧急关闭安装在建筑上的屋顶分布式光伏发电系统，快速断开光伏组件与光伏组件之间、光伏组件与逆变器之间、逆变器与并网点之间的电气连接，以满足建筑的消防安全要求。

3)光伏组件之间的直流连接方式应通过专用工具进行连接和断开，避免人员直接接触。2.1.5 屋顶分布式光伏发电系统结构的设计

建筑屋顶易堆积雨、雪，且多层/高层建筑屋顶位置的风速较大，因此屋顶分布式光伏发电系统应能承受风、雨、雪等荷载。

首先，光伏组件应能在风、雨、雪等天气状况下保证不变形、不脱落，且不降低屋顶分布式光伏发电系统的使用寿命。有研究表明，非晶硅薄膜太阳电池在215 MPa的最大压应力下，其开路电压下降了80%，同时用于连接太阳电池与盖板和背板的结构胶发生了明显脱落[9]，导致屋顶分布式光伏发电系统的安全性及发电性能均受到了严重影响。因此，在系统设计时应注意校核光伏组件的强度及刚度。

其次，光伏支架与支架基础(即屋顶分布式光伏发电系统的支撑与主体结构)应能承受光伏阵列传来的应力(包括光伏阵列的自身重力、风荷载、雪荷载、地震荷载产生的力等)，并有效传递至建筑主体承重结构[4]，从而保障屋顶分布式光伏发电系统的安全运行，避免因光伏组件掉落造成人身伤害。

2.1.6 屋顶分布式光伏发电系统与其他形式结合的能量综合利用系统的设计

屋顶分布式光伏发电系统中光伏组件水平安装时，其下方的通风腔内的热空气可直接与空气源热泵结合，以提升空气源热泵的供暖能效和屋顶分布式光伏发电系统的发电效率。在光伏组件背板后面还可以集成液体流道，以水或制冷剂作为其传热介质，将光伏组件的伴生热量储存在储热水箱中，用于建筑供暖或生活热水。光伏组件伴生热量利用的原理图如图2所示。以水或制冷剂作为供热介质且配置了热泵的能量综合利用系统的设计及施工安装应满足T/CECS 830—2021《太阳能光伏光热热泵系统技术规程》的要求。

图2 光伏组件伴生热量利用的原理图Fig. 2 Schematic diagram of associated heat utilization of PV module

2.1.7 并网方式的选择

按照并网方式的不同，光伏发电系统可分为离网光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。屋顶分布式光伏发电系统以并网光伏发电系统为主，大规模应用时应注意屋顶分布式光伏发电系统的输出功率波动对电网的冲击，建议以单体建筑/建筑群为主体，综合考虑建筑用电负荷曲线与光伏发电特性，优先采用就地消纳、多余光伏发电量上网的方案。屋顶分布式光伏发电系统并网方式的选择应根据单体建筑/建筑群的用电负荷和电网的电压特性来确定。

2.1.8 远程监测系统的设计

屋顶分布式光伏发电系统的远程监测系统由计量监测设备、数据采集装置和数据中心软件组成。

为了实现屋顶分布式光伏发电系统的高效运行，监测数据应包括气象参数(太阳辐照度、环境温度和风速)、屋顶分布式光伏发电系统的输出参数(输出电压、输出电流和输出功率等)、光伏组件的工作温度、并网电压等参数，若配置有蓄电池，还需要监测蓄电池的输入、输出电流及功率。监测方法及数据处理应满足GB/T 20513—2006《光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则》的规定，远程监控的配置架构等技术要求应满足GB/T 34932—2017《分布式光伏发电系统远程监控技术规范》的规定。

2.2 电气设计

屋顶分布式光伏发电系统的电气设计应首先满足GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》的规定。在进行屋顶分布式光伏发电系统的电气设计时，系统的直流侧电压不宜超过120 V[10]，并需要安装直流电弧故障保护装置。当直流侧电压超过120 V时，必须采用直流高压警示标志，并安装具备直流侧快速关断功能的直流开关，且直流电缆需加装金属外套；当直流侧电压超过600 V时，直流侧和人员活动区域之间应进行绝对有效的区域隔离。

电缆的直流连接器除需要满足GB/T 33765—2017《地面光伏系统用直流连接器》的规定外，还应采用保护措施，防止人员直接接触带电体。

2.3 防雷设计

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[11]，建筑物易受雷击的部位为女儿墙、屋檐及其檐角、屋脊等，建筑上安装屋顶分布式光伏发电系统后，光伏阵列的高度可能会超过原有防雷系统的保护范围，增加了其遭受雷击的概率，而其一旦遭受雷击，光伏组件的金属边框和金属支架均会成为导电通路，雷击电流会在光伏电缆和建筑物内的电缆中产生强电磁脉冲，从而危害建筑物中的电气、电子系统，甚至引起火灾[12]。

因此，在进行屋顶分布式光伏发电系统的设计时，应首先复核其是否处于原有防雷系统的保护范围内，若超出该保护范围，则需重新进行设计；同时，屋顶分布式光伏发电系统中的光伏组件金属边框和光伏支架均应接地，可连接到建筑物原有的接地系统或通过引下线和接地极连接[13]。

2.4 防火设计

屋顶分布式光伏发电系统的防火设计包括单个部件的防火设计和整个系统的防火设计。屋顶分布式光伏发电系统所有外露于空气中的材料均应为难燃或不燃材料，所有未暴露在空气中的材料燃烧后不得释放有毒、有害气体，光伏组件的燃烧性能和防护等级应根据建筑的耐火等级来确定，同时避免采用有机物背板和EVA胶膜[14]。

屋顶分布式光伏发电系统应设置快速关断装置，为消防救援提供条件。国际上对于屋顶分布式光伏发电系统的快速关断装置的规定主要有：美国电工规范2017 NEC 690.12《Rapid Shutdown—— Important Changes》要求所有屋顶分布式光伏发电系统均安装快速关断开关；德国率先执行VDE防火安全标准，该标准明确规定在屋顶分布式光伏发电系统中逆变器与光伏组件之间需要增加直流关断装置。

中国建筑科学研究院有限公司主编的团体标准T/CECS 10137—2021《建筑光伏控制及变配电设备技术要求》[15]引用了2017 NEC 690.12中关于快速关断装置的规定，要求屋顶分布式光伏发电系统能实现“光伏组件级关断”，有效提高了我国屋顶分布式光伏发电系统的电气安全性能。

3 施工安装

目前，针对在建筑上安装屋顶分布式光伏发电系统的施工规定尚无相应的国标，因此可按照GB/T 51368—2019《建筑光伏系统应用技术标准》进行施工，也可参考新疆维吾尔自治区发布的地方标准DB 65/T 3552—2013《安装在既有建筑物上的光伏发电系统施工规范》进行施工。

在屋顶分布式光伏发电系统施工前，应制定专项施工组织设计方案，严禁在无设计方案的情况下施工。对于新建建筑而言，屋顶分布式光伏发电系统的施工应在建筑主体结构完成验收后进行。

屋顶分布式光伏发电系统的支架连接部件在施工时应注意不破坏屋顶结构和屋顶防水层的密封性[16]，对既有建筑来说，应对施工中损坏的屋面原有的防水层进行修复或重新进行防水处理，防水处理应符合GB 50345—2012《屋面工程技术规范》的有关规定。

屋顶分布式光伏发电系统的调试应包括光伏组件串、汇流箱、逆变器、配电柜、二次系统、蓄电池等设备的调试，以及屋顶分布式光伏发电系统的联合调试。

4 验收阶段

屋顶分布式光伏发电系统的验收应根据GB/T 37655—2019《光伏与建筑一体化发电系统验收规范》[17]进行验收，包括与结构相关工程的验收、电气工程的验收、光伏及建筑一体化系统的整体验收。

屋顶分布式光伏发电系统的性能应满足T/CECS 10094—2020《户用光伏发电系统》的要求。

既有建筑安装屋顶分布式光伏发电系统后，若安装的光伏组件对原有屋顶结构产生了影响，则应根据GB 50207—2012《屋面工程质量验收规范》对屋面的防水、保温性能等进行验收。

5 运行维护阶段

5.1 定期清洁

在屋顶分布式光伏发电系统的运行阶段，长期灰尘沉积会导致光伏组件表面被腐蚀，降低光伏组件表面的太阳辐射直接透过率，进而会影响屋顶分布式光伏发电系统的发电效率，可使屋顶分布式光伏发电系统的年发电量降低约5%～25%[18-20]。因此，在屋顶分布式光伏发电系统的运行维护阶段，应注意对光伏组件进行定期清洁，清洁频率应根据具体情况确定。常用的光伏组件清洁方式有干洗、水洗和智能清扫机器人清洁。

建议整县推广屋顶分布式光伏发电系统配备专业的运行维护机构，定期对光伏组件进行清洁和维护，以提高屋顶分布式光伏发电系统的发电量。