既有大型商场屋顶分布式光伏发电项目施工技术研究

云南建投第二建设有限公司 邓中根

第75届联合国大会上中国向世界做出“2030碳达峰、2060碳中和”的庄严承诺，是面对“全球气候变暖”问题展示的大国担当[1]。党的二十大报告中再次强调加快规划建设新型能源体系，按照先立后破的原则确保能源安全，逐步实现“双碳”目标。电能作为清洁能源被广泛运用到生产生活中，根据国家能源局发布的数据2022年，全社会用电量累计86372亿kWh，同比增长3.6%；2022年全国累计发电装机容量约25.6亿kW，同比增长7.8%，其中太阳能发电装机容量约3.9亿kW，同比增长28.1%。

光伏发电作为太阳能发电的主要方式，其并网装机容量占太阳能发电装机容量的99%，近年来被广泛运用到电站的建设中[2]，我国光伏装机容量连续9年位居全球首位。2021年6月20日，国家能源局下发的《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》明确的5432目标，使分布式光伏项目得到快速发展[3]，在政策发布当年（2021年）国内分布式光伏年新增装机首次超过地面电站，占当年的53%。

2022年，由于工商业光伏的快速增长，国内分布式光伏年新增装机再次超过了地面电站。分布式光伏电站按照并网方式分为自发自用、全额上网和余电上网三种模式：自发自用需配套投入相关储能设备投入费用较高；全额上网则是将所发电全部卖给电网公司，该方式虽赚取了一部分售电收益，但对于高耗电企业来说不是最佳选择；余电上网模式则是将光伏电站所发的电优先用于自身生产经营，再将多余的电就近并入供电电网，该方式不但降低了对外电电网的依赖，还可获得买电收益[4]。

近年来，相关文献资料阐述光伏发电原理、光伏发电的发展前景的文献资料较多，部分文献资料虽阐述了光伏项目实施过程中安全管控重点，但缺乏对分布式光伏项目施工实施技术的研究。本文以昆明某大型商场为研究对象，对既有大型商场屋顶分布式光伏项目的施工技术、安全管控重点、项目收益等方面进行分析，为同类型项目的施工提供借鉴和参考。

1 项目概况

1.1 既有建筑情况

昆明某大型商场是大型城市综合体建筑，建筑结构类型为6层的混凝土框架结构，建筑外立面安装有玻璃幕墙和陶板，四周女儿墙最低位置高4m，建筑四周为商业步行街，不具备吊车吊装材料条件。室内安装有两部货运电梯可以到达上人屋面，非上人屋面仅设置有上人的垂直爬梯，无法进行货物转运。分布式电站位于非上人屋面，非上人屋面为正置式屋面，在屋面上安装有商场的通风、消防、供水设备，设备管道较多，给材料的运输和设备的安装都增加了不少困难。

1.2 工程概况

本项目拟使用昆明某大型建筑的非上人屋面建设光伏电站，其建设399.85kW分布式光伏电站，电站采用自发自用余电上网、400V接入的方案进行并网。参考SOLARGIS数据昆明太阳能水平面上的辐射量为1428kWh/m2。按照全年发电量最大的原则，电站采用固定倾角安装，结合既有屋面的情况不同位置采用不同的安装方式，空闲屋面采用落地式支架，有管道设备的采用2.2m的架高支架，花架梁位置采用滑轨支架（如图1所示）。

图1 项目整体图

1.3 光伏设计

光伏项目的发电量受装机容量、组件的光电转换效率和安装方式等因素的影响。项目装机容量主要受安装场地大小和组件的型号影响，安装容量越大所需要的场地也越大。组件的光电转换效率不同设备厂商制造的产品存在一定的差异，常规的晶硅太阳能电池组件的光电转换率在20%～26%，隆基的部分产品光电转换率达到26.5%，在安装场地一定的情况下，选择光电转换率更高的组件可以获得更大的发电量。

光伏组件是通过光生伏特效应将光能转换为电能，最大限度确保组件的光照时间是提高发电量的重要手段。我国地处北半球，冬至日组件受周围建筑、组件遮挡最严重，在设计时需考虑冬至日9:00至15:00时间段组件无阴影遮挡，即可获得最长光照时间。综合各种因素本项目按照相邻排组件间隔20mm安装倾角5°的方式进行安装。

2 施工安装

2.1 材料运输

受场地限制本工程材料只能采用室内电梯转运和人工搬运的方式进行运输，光伏组件运至地下室货运电梯口，在电梯位置进行拆箱验收后转运。卸车时采用叉车垂直叉住托盘缓慢放至地面进行拆箱，拆箱时至少2人同时操作，在成箱组件一侧设置抗倾覆支架，缓慢进行拆箱。搬运组件时应由2个人以上戴防滑手套同时手持组件搬运，禁止拉扯组件的导线、接线盒、用头顶组件。支架则通过楼梯和电梯配合转运，支架超长无法运输的对其进行先切割后焊接的方式运输。

本工程非上人屋面仅有垂直爬梯，不具备材料转运条件，经过沟通商场不同意搭设专用的材料转运通道，采用传统的桅杆吊或人工吊运的方式安全风险较高，且容易造成组件磕碰碎裂。经市场调查研究，决定采用辅助垂直运输设备配合运输，运输时将光伏斜靠安放在运输设备上，相邻组件间设置防磕碰装置，防止运输过程中发生磕碰。采用辅助举升装置，每次运输的组件数量不宜超过5片。

2.2 基础预制

依据设计图纸本项目常规混凝土屋面的光伏支架基础为直径400mm、高400mm的混凝土基础；2.2m高支架的基础为1200×400×400mm的混凝土基础；花架梁上则直接采用螺栓固定在既有现浇结构梁上。考虑到工程实施期间商场还需继续营业，且城区施工扬尘控制较严格，若采用传统的现浇工艺，不但影响到商场的营业，还有较大的安全风险，且基础量小、混凝土浇筑位置零散，现浇的施工成本也必然增加。综合各方面原因，最终决定考虑采用工厂预制，进场安装的方式制作基础。基础预制时将“U”型螺栓预埋在基础中，螺栓埋入混凝土深度为200mm，外露100mm用于以支架系统连接。考虑到1200×400×400mm的基础整体预制后重量较大搬运困难，基础采用分块预制再整体连接的方式进行组装。预制时将基础分为400×400×400mm的三块，同时在基础内设置4组穿心孔，安装时采用Ф14的对拉螺杆通过穿心孔组装完成后，再对穿心孔进行C40灌浆料灌浆，使之成为一个整体。

2.3 支架安装

支架安装前根据设计图纸和既有屋面设备情况对支架基础定位放样，放样时按照不挪动既有管道设备的原则进行定位，支架与既有管道设备冲突时可适当调整支架位置。

混凝土常规支架安装时先将立柱底板固定在“U”型螺栓上，在立柱顶部安装三角连接件，再将斜梁安装到三角连接件上，通过调整前后立柱的高度和三角连接件的角度确保安装倾角满足要求。为确保混凝土支架的整体稳定性，后立柱不超过15m在相邻立柱间设置一道斜支撑。常规混凝土支架采用导梁法安装组件，斜梁上的同组导梁的安装间距为1400mm，相邻导梁安装间距为900mm。

2.2m加高支架相邻立柱间应设置斜撑，斜撑角度宜为45°，支撑点距离柱顶距离宜为800mm。当柱间距小于4200mm时，斜撑可用Φ10圆钢；当立柱间距大于4200mm时，斜撑需采用L75×5的角钢。加高支架组件的安装角度通过采用定做的高低连接件实现5°的安装倾角安装要求，为避免前后排组件相互遮挡其间距应控制为200mm。

花架梁位置沿花架找坡方向安装HN250×125×6×9的型钢主梁，型钢梁与混凝土梁连接位置采用水钻在原有结构梁上打孔，采用贯穿螺杆固定的方式进行固定，檩条直接焊接在型钢梁上，同组檩条间距为1400mm，相邻组檩条间距为900mm。

2.4 组件安装

光伏组件安装的主流方式为夹具安装和压块安装，两种方式均是通过固定光伏组件边框的方式实现。夹具安装时安装檩条可以为方管，不需要对檩条进行打孔加工，且组件间的缝隙为通缝，适用于搭设有防水要求的光伏棚；压块安装则檩条为特制导轨，通过光伏特制压块实现光伏组件固定。本工程采用压块安装的方式进行安装，安装时先安装第一块板的边压块，再安装中压块。组件安装时应从长方向开始安装，安装时应严控组件间隙，并确保安装顺直。安装时禁止工人对组件表面进行踩踏，禁止将安装工具安放到组件表面，组件安装时应注意相邻组件的正负极应相邻，以便直接进行电气连接。

2.5 清洗系统安装

光伏组件表面附着的灰尘污渍，将影响到光伏组件的发电效率。组件边框通常都高出组件面板，小倾角安装的组件，使用一段时间后在雨水的冲刷下，组件表面的灰尘会积聚在组件下边缘形成泥带，严重影响组件发电量和使用寿命。在组件下边缘安装亲水材料制作的排水导泥器，可快速排走积水减少此类情况发生。

光伏组件安装后，灰尘会降落到组件表面，仅靠自然降雨无法彻底清除组件表面的尘埃。为了方便光伏系统的清洗工作，同时降低清洗系统的费用投入，本工程通过在运用原本商场的供水系统对清洗系统供水，在屋面设置1.5kW的管道增压泵，清洗主管采用DN32供水，屋面冲洗水管道水平间隔50m安装一个球阀和快接头用于清洗系统取水。

2.6 电气安装

本项目为屋顶分布式光伏发电项目规模较小，主要由光伏阵列、逆变器、并网箱及配套的数据采集器和并网计量电气组成（如图2所示）。逆变器采用组串型逆变器，通过多路MPPT（最大功率点）跟踪，实现匹配不同的朝向、不同电压的组件串联，以实现最大限度的发电量。

图2 项目发电系统示意图

光伏组件不能无限串联，串联数需根据拟选光伏组件、逆变器的主要技术参数，结合工程所在地极限工作温度计算确定。本工程共选用550Wp单晶硅组件727块，合计装机量约399.85kW，采用自发自用余电上网模式进行并网。通过结合设备组件、选择的逆变器型号，计算得组件串联数N≤20.5，为方便安装N取20。根据各屋面组件排布情况进行组串后，分别接入逆变器转换为0.4kV的交流电，接入交流并网柜，从并网柜接入商场原有的0.4KV供电线路，从而实现并网。

电气连接前根据计算串联组数，将相邻组件间的MC4接头插接起来，每串组件间留出一组正负接头，待逆变器和并网箱安装完成后再进行插接。同组组件串联后采用直流电缆PV1-F-1X4mm2光伏直流电缆接入逆变器。接头位置采用MC4专用接头进行连接，从组串到逆变器的直流电缆应尽量减少接头。

2.7 光伏阵列区接地及防雷

屋面光伏电站建设完成后高出既有建筑，为避免雷击对光伏电站造成破坏需要建设避雷系统。光伏组件边框是良好的导电结构，安装时采用不低于4mm2的铜芯电线对组件进行串联，组件与支架固定位置采用刺破片进行固定，确保支架和组件间形成有效的电气连接。采用40×4mm扁铁将支架和既有避雷网相连，利用原建筑屋顶避雷网作为光伏电站的引下线，并利用建筑的基础接地，连接完成后对接地电阻进行检测，确保接地电阻不大于4Ω。

2.8 质量控制要点

分布式光伏项目安装质量会直接影响到电站的发电量和后期的运营维护，施工全过程中应严把质量关，确保电站优质高效运行。组件在采用叉车进行卸货时，叉车应从长方向一侧卸货，卸货时专人进行指挥防止叉车碰撞组件。组件在搬运过程中不但需要防止碰撞到组件表面的钢化玻璃，还需注意保护背面不被刮伤。本工程支架主要连接方式为螺栓连接，在施工过程中应确保螺栓扭矩的满足设计要求，施工时应对每道工序进行验收，上道工序不合格下道工序不施工。

支架施工完成后应对支架系统进行检查，对材料镀层被破坏的位置重新涂刷防锈漆，确保材料的防腐满足要求。光伏组件间采用MC4接头进行电气连接，接头间连接不牢会影响到发电效率，严重的会造成电站发生火灾。MC4插头制作时应确保插销和插针以PV1-F-1X4mm2光伏直流电缆连接牢固，MC4接头串接时应确保扣紧，插接过程中应确保听到“啪”的连接声响。组件安装完成后应对面板进行检查，对存在污渍的位置应及时进行清理干净，以免产生热斑效应。

2.9 安全控制要点

现阶段，光伏项目呈现爆发式的增长，不同行业的人参与到光伏项目的建设中来，项目管理人员、操作工人水平参差不齐，给光伏项目实施带来了较大的安全隐患。基于行业现状在光伏项目的实施过程中，一是管理人员要提升自己的业务技能，学习掌握光伏项目安全管控重难点，明确采取的安全防护方案，严抓措施落实和过程整改；二是做实做细操作工人的安全交底，使其明白哪些操作是违规的，正确的方式应如何操作[5]。

在既有建筑上施工光伏项目，施工实施的过程中既有建筑需要保持原来的运行机制，无法实现完全的封闭化管理，也无法搭设大量的临边防护架。在实施过程中操作人员易发生高处坠落事故，人员到操作屋面后可采用差速坠落器和安全带配合使用，在牢固位置安装固定差速坠落器，一旦人员坠落其可有效确保人员安全。

施工中可能由于物体掉落对第三人造成伤害，实施过程中禁止在临边位置堆放材料工具，操作人员禁止到临边走动。光伏项目施工用电多采用既有供电电网进行供电，施工前应对用电负荷进行复核，确保施工用电负荷不超过供电线路的承载能力，实施过程中需配备专用开关箱，确保现场用电不会对既有电路造成影响，具体的电箱内安装剩余电流保护器的动作时间不应大于0.1s，动作电流小于30mA，同时确保两者的灵敏度高于上级配电箱。

3 结语

光伏发电是绿色能源的重要组成部分，在国家政策的推动下得到了快速的发展，该电站建成后本期光伏发电系统25年内预计发电10771kWh，平均年发电量约为430.85Wh，每年减轻排放温室效应性气体二氧化碳350.7t。投资单位利用闲置屋面建设分布式光伏电站，电站所发电能采用余电上网方式并网，降低了既有建筑对外电的依赖，符合当今绿色建筑的发展趋势。在既有建筑上建设分布式光伏电站时，需结合既有建筑特点和周边建筑情况，避开已经安装好的设备管道，量身定制最优的建设方案，本文结合工程实例阐述了根据屋面情况，选择不同支架形式和组件安装方式确保获得最大的投资收益，为避免破坏既有防水和降低基础施工难度创造性的提出基础预制，同时提出项目建设的全过程的安全质量管控重点，为后续项目提供借鉴实例。