屋頂光伏項目特點與工程建設的探討

韓琪，王朝，張曉琪

(華電福新能源股份有限公司內蒙古開發建設分公司，呼和浩特 012300)

0 引言

截止2016年底，我國光伏發電裝機新增容量3 454萬kW，累計裝機容量7 742萬kW，位居世界第一。年發電量662億kW·h，約占全年發電量1%，相當于節約813.6萬t標煤、用水3.3億t，減少排放CO22 212萬t、SO26.9萬t、NOx6萬t、粉塵顆粒物554萬t，為我國環境保護、經濟可持續發展做出了突出貢獻。

光伏發電規模的飆升背后是對土地需求的不斷攀升，一個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電裝機容量6 710萬kW計算，占地約201.3萬畝。特別是光伏發電項目逐步向人口集中的中東部轉移，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、鹽堿化影響嚴重。隨著光伏發電并網容量增多，限電情況嚴重，上網電價的連年下降，投資回報率逐年降低。光伏發電項目開發難度不斷增大，建設成本進一步提高。如何在減少用地、環境保護、降本增效的基礎上實現光伏發電產業可持續發展，是今后光伏產業發展的重要課題。

就在光伏發電項目發展遇到瓶頸之際，屋頂光伏項目作為一種新興光伏發電系統異軍突起，在3年的時間內規模擴大幾十倍，成為光伏產業新的發展方向。

1 屋頂光伏的優勢

1.1 政策支持

根據國家發改委《可再生能源發展“十三五”規劃》“到2020年，全國太陽能發電并網容量要達到1.2億kW以上，繼續支持在已建成且具備條件的工業園區、經濟開發區等用電集中區域規模化推廣屋頂光伏發電系統”截止2016年第一季度，全國屋頂光伏電站規模為70萬kW，根據規劃，到2020年要達到700萬kW，五年內規模將擴大10倍之多。

1.2 分布面廣推動經濟發展

隨著城市化發展，市區大面積高層樓宇群增多，大跨度庫房、廠房逐步向城市外移且呈集中式建設，為屋頂光伏大規模發展提供了基礎。對企業來說，由于屋頂光伏不受建設規模限制，且多為直接接入用戶，限電少，電費結算快，收益率高。對用戶來說，形成雙網接入，保證了供電的可靠，降低了用電成本。在農村，屋頂光伏往往配套著扶貧、農業產業化、村鎮改造等指標，推動了農村經濟發展。大規模發展屋頂光伏，必然會推動建筑材料和建筑工藝的革新，衍生出各類新型產業，推動經濟的發展。

1.3 節能減排提高社會效益高

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

1.4 接入簡單

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及以下電壓等級接入網點，總裝機容量不超過6 MWp的分布式電源。二是35 kV電壓等級接入網點，發電自用比大于50%的分布式電源。這種接入方式可直接利用現有城市電網直接接入，省去了長距離的送出線路建設。同時，根據電網公司要求35 kV及以下電壓等級系統，電網系統接入方案審批只需地市級電網公司出具即可，省去了上報省級電網公司評審的工作和步驟，節約了接入審批時間。

表1 各類光伏板參數對比表

1.5 各項手續辦理簡便

由于屋頂光伏項目不直接占用土地，可免去土地審批、用地規劃等手續的辦理。同時，該類型項目開發所需的必要條件相對簡單，它不需要建設指標，建成并網發電后即可獲得政府給予的相關電價補貼，各項手續辦理步驟、程序都得到了極大的簡化。

1.6 建設靈活易于維護

屋頂光伏建設規模一般在10 MWp以下，建設工期較短，可同時開工若干項目，基本可實現當年投資、當年盈利的目標。屋頂光伏兼有普通光伏發電的特點，如光伏組件結構簡單、體積小、重量輕、便于運輸和安裝，運行穩定可靠，使用壽命較長、備件儲備少，少人或無人值守，維護成本大大降低，變相拓展了盈利空間[2]。

2 屋頂光伏發電項目存在的問題及對策

相對于普通光伏，屋頂光伏又主要存在以下問題：一是設備選型困難，如何在有限的空間內保證設備運行可靠，實現效益最大化，是關系到屋頂光伏投資、建設的首要難題。二是大部分企業未進行過屋頂光伏的建設，對其工程特點不了解，無相關管理經驗，工程管理難度大。三是在施工過程為高處作業，觸電、高空墜落、高空落物、火災事故隱患增多。四是由于屋頂面積小，無法進行大規模施工，又是在原有建筑物基礎上進行二次施工，施工工藝如不規范，將造成建筑物結構、發電系統的嚴重隱患。

2.1 建設地點的選擇

目前，國內建筑物屋頂可分為坡面屋頂、平屋頂和不規則屋頂3類。光伏電站在選擇屋頂過程中要考慮施工簡單、防水好、承載力大、頂面較為平坦的平屋頂或大面積規則坡面屋頂。在建設地點方面，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、倉儲庫房、大跨度工業廠房、規模化現代養殖基地牲畜間等。在建筑物的選擇中還應注意了解建筑物產權是否明晰，建筑竣工時間、使用時間以及所在區域中長期城市規劃，充分論證項目開發風險。

2.2 設備選型

2.2.1 光伏組件的選型

目前，技術相對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品主要為砷化鎵光伏組件(AsGa)，各類光伏組件主要指標為轉換效率、投資成本及衰減度見表1。

根據屋頂光伏位于城市中心或周邊人口較密集，建設規模小(一般不超過10 MWp)，環保要求高等特點，結合光伏項目組件選擇基本原則，宜選用制造技術成熟、產品性能穩定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高、體積小、重量輕的晶體硅光伏組件。從目前價格來說，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，宜選用單晶硅光伏組件。

2.2.2 逆變器的選型

光伏發電系統逆變器主要分為集中式和組串式兩種，其主要特點見表2。

逆變器選型技術考慮的因素為：發電效率、電網友好性、設備可靠性、可維護性、經濟性。組串式逆變器是基于模塊化設計概念，將光伏方陣中的每個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換為交流電，直流側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，運行過程中發生故障可直接更換，減少故障損失時間，提高設備利用率。擁有更多的“最大功率點跟蹤”太陽能控制器(MPPT)追蹤模塊可實現對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。其轉換效率高，發電效率高，且自耗電低，防護等級高，可直接戶外安裝，設備運行可靠。組串式逆變器較集中式逆變器每瓦價格約高0.15元，考慮到屋頂光伏項目容量較小，因此，組串式逆變器綜合效益優于集中式逆變。

表2 組串式逆變器與集中式逆變器對比表

2.2.3 其他設備及材料選型

受占地面積、建筑物防火安全要求、城市熱島效應和上層空氣流速大等問題制約，電氣一/二次設備、材料應選用技術成熟、防護等級高、作業溫度范圍大、設備體積小、運行噪音低、易維護、耐火程度高的設備和材料。除此之外，還應安裝設備絕緣監測系統、熱成像監控、火自報系統及自動滅火系統。

2.3 工程建設管理

2.3.1 施工管理

建設單位要專門針對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，完善相關組織機構，明確項目工程任務。根據建筑物承載力，結合建筑物圖紙制定詳細的施工組織方案，明確各單位責任，規范開工流程。

做好工程質量管控。各項工作嚴格按照相關規程進行，杜絕野蠻施工，嚴把隱蔽工程質量關，切實做到全過程監督。施工竣工后，做好驗收工作，特別是屋頂排水、防水、耐風壓、現場文明治理等，不滿足要求的及時進行整改。

在保證質量的前提下，做好進度管理。各施工單位要按照既定工作方案，有序進行，切忌盲目搶工。設備、物資廠家必須按照合同要求保質、保量按時到貨。設置專人盯辦催貨、驗收工作，保證各類設備、物資到貨及時，質量滿足現場工程要求。

2.3.2 安全管理

建立健全項目安全管理體系，嚴格履行工程安全工作要求，明確各級人員安全責任，認真開展各項安全例行工作，定期進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行施工，開工前對所有施工人員進行安全交底，分析本工程危險點，并制定詳細的預控措施，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。在施工現場設置可靠牢固的防護設施，配齊施工人員個人安全防護用具，加高屋頂防護欄，在建筑物周圍安裝防落物護網，建筑物入口處搭設安全通道，建筑物下方封閉，禁止停車及行人。施工用料、設備進場應走專用通道。臨時用電要核算用電負荷，禁止私拉亂接或超負荷用電。特殊天氣下禁止施工，保證人身及設備安全。

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，其施工工藝與普通光伏相同，但應注意屋頂光伏在混凝土基礎澆筑時必須將屋頂防水層或瓷磚清理，與屋頂澆筑為一體，確保基礎牢固如圖1所示。

圖1 混凝土基礎支架

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

圖2 連接屋頂主結構式支架

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。支架底座與結構連接處、打孔處、混凝土與結構連接處必須填實處理，再用密封膠密實，然后進行防水涂料涂刷，最后進行防水材料鋪設，每一階段完工后都應進行水密試驗。主要設備接地應與建筑物防雷接地連接，如建筑物接地過小，設備應單獨引下接地，并設足夠面積的接地網。

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符合設計圖紙、規范及廠家提供的安裝指導書等要求，確保安裝可靠與美觀。

在正南北向大面積規則坡面屋頂或斜面彩鋼屋頂光伏板安裝施工，應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能總輻射量；S為水平面上太陽直接輻射量；D為散射輻射量；α為中午時分太陽高度角；β為光伏陣列傾角。

前后陣列高度差應為：H=Lsinθ+Di；代入陣列間距計算公式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為屋面最低與最高點的高度差(相對于水平面)與最低點、最高點之間水平距離之比，南坡i為正值，北坡i為負值；RN-S為當地陰影系數；θ為組件相對于水平面夾角。

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電項目相同，嚴格按照有關標準及廠家提供的作業指導書進行施工。受上層氣流擾動影響，易發生組件壓塊松動，造成組件掉落。光伏項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象，連接線在線槽內敷設平整并安裝線槽蓋。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 電氣設備安裝工藝

電氣設備、材料安裝除嚴格按照《電氣裝置安裝工程施工及驗收規范》執行外，電力電纜必須走獨立通道，接入設備口處防火封堵，并根據建筑物結構進行分段防火隔離。另做好防盜、防小動物及通風措施。設備安裝完成后必須進行交接試驗，保證電氣設備運行可靠。

3 結束語

屋頂光伏目前仍處于發展初期，各項管理制度、技術標準仍不完善，就其政策扶持、不占用土地、結構簡單、效益高、手續簡潔等特點來說，仍具有較強的投資意義，也是未來光伏發電產業發展方向。相信在不久的將來，將會出現可靠性更強、投資更少、效率更高的新型屋頂光伏項目，不斷推動光伏產業可持續發展。

參考文獻：

[1]柴玉梅,王峰.某15 MW太陽能屋頂光伏發電工程的應用分析[J].節能,2010,29(9):24-26.

[2]李世民,花亞萍.屋頂光伏發電系統的設計和安裝指南[J].陽光能源,2010(2):54-58.

[3]吳煒,鄧勝祥,李勇.屋頂光伏系統陣列布局研究[J].太陽能,2016(7):58-63.

[4]張臻宇，楊國華，車超，等.屋頂光伏發電系統的經濟及環境效益研究[J].電力科技與環保.2016，32(4)：53-55.

[5]白明德.光伏集中式逆變器與組串式逆變器.現代國企研究[J].2015(18)：161.