整縣屋頂分布式光伏發電系統應用的技術要點分析

邊萌萌，張昕宇，李博佳，何 濤，黃祝連，王聰輝

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

2021年6月20日，國家能源局綜合司發布了《關于報送整縣(市、區)屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》，要求黨政機關建筑屋頂總面積中，可安裝光伏發電系統的面積的比例不低于50%；學校、醫院、村委會等公共建筑屋頂總面積中，可安裝光伏發電系統的面積的比例不低于40%；工商業廠房屋頂總面積中，可安裝光伏發電系統的面積的比例不低于30%；農村居住建筑屋頂總面積中，可安裝光伏發電系統的面積的比例不低于20%。截至同年9月，已有31個省(自治區、直轄市)及新疆生產建設兵團申報了整縣(市、區)屋頂分布式光伏開發試點方案，國家能源局公布了676個整縣(市、區)屋頂分布式光伏開發試點，總裝機容量將超過100 GW。與地面光伏電站的光伏發電系統不同，屋頂分布式光伏發電系統在大規模推廣時應注意建筑的安全運行。本文從光電建筑的角度出發，分別從前期評估階段、設計階段、施工安裝階段、驗收階段及運行維護階段等全過程對建筑安裝屋頂分布式光伏發電系統提出了技術要求，以期對大規模安裝于建筑上的屋頂分布式光伏發電系統的安全、可靠、高效運行起到保障作用。

1 前期評估階段

在整縣(市、區)推進屋頂分布式光伏發電系統的工作中，在建筑上安裝屋頂分布式光伏發電系統前，應對項目進行前期評估，包括屋頂分布式光伏發電系統裝機容量的測算、建筑結構的安全性評估，以及光伏發電系統的經濟性評估。

1.1 屋頂分布式光伏發電系統裝機容量的測算

屋頂分布式光伏發電系統安裝前，應對其裝機容量進行測算，測算時既要考慮屋頂中光伏組件的布置，又要考慮當地電網的消納能力。

1)屋頂分布式光伏發電系統的光伏組件布置包括可安裝的光伏組件面積和光伏組件的安裝傾角。測算可安裝的光伏組件面積時應注意去除屋頂中冷卻塔、通風豎井、電梯間等的占地面積，并且避免在易產生陰影遮擋的部位布置光伏組件[1]；測算光伏組件的安裝傾角時，除了需要考慮當地的太陽能資源情況以外[2]，還應根據周圍建筑的寬度、高度和樓間距等參數來計算光伏組件的最佳安裝傾角[3]。

2)屋頂分布式光伏發電系統的裝機容量還應與當地電網的消納能力相匹配。

1.2 建筑結構的安全性評估

整縣(市、區)推進屋頂分布式光伏發電系統的應用時，應對建筑結構的安全性進行評估。新建建筑應將屋頂分布式光伏發電系統納入建筑主體結構和圍護結構的荷載計算中；既有建筑應考慮建筑的使用年限及功能要求，對此類建筑進行結構及電氣安全復核[4]，并確認現有的建筑結構加裝分布式光伏發電系統后是否會存在安全問題，對于不滿足安全性要求的既有建筑應進行加固處理。

既有建筑的安全性評估的步驟主要為：

1)應根據施工設計資料或現場情況對既有建筑的結構強度進行復核，確定建筑的承載能力，在抗震設防地區的建筑還應進行抗震鑒定。

2)應計算屋頂分布式光伏發電系統的荷載情況，即計算分布式光伏發電系統的自身重力(包括光伏組件、光伏支架、支架基礎等的重力)，風、雨、雪荷載，地震及溫度作用等工況下的荷載；風、雨、雪荷載應根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》進行計算；然后應確認分布式光伏發電系統的安裝位置與布局、荷載傳遞方式等內容。

3)應根據建筑類型選擇采用GB 50144—2019《工業建筑可靠性鑒定標準》或采用GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》，對在當前建筑上安裝屋頂分布式光伏發電系統的安全性和可靠性做出評估與鑒定。

1.3 光伏發電系統的經濟性評估

在前期評估中，還應對屋頂分布式光伏發電系統進行經濟性評估。屋頂分布式光伏發電系統的投資包括其自身的投資和建筑結構的加固費用，收益為該屋頂分布式光伏發電系統的發電量。

投資方面，屋頂分布式光伏發電系統的投資包括初投資和運行維護費用，對這2項進行投資概算；建筑結構的加固費用應根據建筑的具體情況和屋頂分布式光伏發電系統的荷載情況進行投資概算。收益方面，屋頂分布式光伏發電系統的全年發電量應根據其裝機容量和當地的太陽能資源情況進行估算。最終，根據投資與收益的估算結果對該屋頂分布式光伏發電系統的經濟性做出評估。

2 設計階段

由于當前針對屋頂分布式光伏發電系統的設計標準還較為欠缺，因此在屋頂分布式光伏發電系統的設計階段，可參考團體標準T/CBDA 39—2020《光電建筑技術應用規程》進行設計。此外，還需從屋頂分布式光伏發電系統的設計、電氣設計、防雷設計、防火設計這幾個方面進行考慮。

2.1 屋頂分布式光伏發電系統的設計

屋頂分布式光伏發電系統的設計主要包括光伏組件的選型、逆變器的選型、光伏組件的安裝方式、光伏組串的設計、屋頂分布式光伏發電系統結構的設計、屋頂分布式光伏發電系統與其他形式結合的能量綜合利用系統的設計、并網方式的選擇、遠程監測系統的設計這幾部分。

2.1.1 光伏組件的選型

屋頂分布式光伏發電系統中，光伏組件的選型應從外觀、性能、防火等角度考慮。

1)從外觀角度出發，屋頂分布式光伏發電系統選用的光伏組件應與建筑的外觀協調統一。根據類別不同，光伏組件可分為晶體硅光伏組件、薄膜光伏組件和新型光伏組件，各類光伏組件的外觀也不相同，如圖1所示。

圖1 不同類型光伏組件的外觀圖Fig. 1 Appearances of different types of PV modules

2)從性能角度出發，應用于屋頂分布式光伏發電系統的光伏組件應滿足T/CECS 10093—2020《建筑光伏組件》的要求；此類光伏發電系統應盡量采用無邊框的光伏組件，以避免雨、雪在光伏組件邊框位置的堆積[5]。

3)從防火角度出發，應用于屋頂分布式光伏發電系統的光伏組件應盡量采用雙玻光伏組件，從而降低火災風險。

2.1.2 逆變器的選型

屋頂分布式光伏發電系統應優先選用微型逆變器，并進行光伏組件的最大功率點跟蹤，同時降低遮擋等不利因素對此類光伏發電系統發電性能的影響。逆變器的技術要求應滿足能源行業標準NB/T 42142—2018《光伏并網微型逆變器技術規范》的要求，也可參考地方標準DB 65/T 3568—2014《分布式光伏逆變器技術條件》。逆變器的功率和數量應綜合考慮屋頂分布式光伏發電系統的輸出功率、并網方式、電網電力要求等因素后再確定。

2.1.3 光伏組件的安裝方式

由于建筑屋頂所處環境較為復雜，因此屋頂分布式光伏發電系統中光伏組件的安裝方式除了需要考慮太陽輻照度這一因素外，還應考慮陰影遮擋情況和建筑美觀要求等。

平屋面安裝光伏組件時，建議傾斜安裝，采用光伏組件最佳安裝傾角，以獲得最大發電量。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，光伏組件安裝傾角可設置為當地緯度，或根據全年動態模擬確定[6]。光伏組件需要水平安裝時，應在光伏組件下方設置通風腔，通風腔的高度建議根據建筑的冷、熱負荷特性和光伏發電特性進行綜合考慮后確定[7]。

坡屋面安裝光伏組件時，可采用架空安裝方式。但需要注意的是，在布局時，光伏組件不宜超出屋檐范圍，以避免光伏組件的掉落風險，并滿足建筑的消防規范要求。

2.1.4 光伏組串的設計

在進行屋頂分布式光伏發電系統中光伏組串的設計時，應對分布式光伏發電系統通常采用的串聯連接和直流連接方式進行改進，并設置快速關斷裝置，以滿足建筑的安全要求。

1)應盡量減少光伏組串中的光伏組件數量，使光伏發電系統直流側電壓不超過120 V[8]，以降低分布式光伏發電系統的高壓直流風險；同時將易被局部陰影遮擋的光伏組件串聯在一起，可避免因某塊光伏組件受陰影遮擋后影響整個分布式光伏發電系統的發電效率。

2)光伏組串在設計時還應設置快速關斷裝置，用于緊急關閉安裝在建筑上的屋頂分布式光伏發電系統，快速斷開光伏組件與光伏組件之間、光伏組件與逆變器之間、逆變器與并網點之間的電氣連接，以滿足建筑的消防安全要求。

3)光伏組件之間的直流連接方式應通過專用工具進行連接和斷開，避免人員直接接觸。2.1.5 屋頂分布式光伏發電系統結構的設計

建筑屋頂易堆積雨、雪，且多層/高層建筑屋頂位置的風速較大，因此屋頂分布式光伏發電系統應能承受風、雨、雪等荷載。

首先，光伏組件應能在風、雨、雪等天氣狀況下保證不變形、不脫落，且不降低屋頂分布式光伏發電系統的使用壽命。有研究表明，非晶硅薄膜太陽電池在215 MPa的最大壓應力下，其開路電壓下降了80%，同時用于連接太陽電池與蓋板和背板的結構膠發生了明顯脫落[9]，導致屋頂分布式光伏發電系統的安全性及發電性能均受到了嚴重影響。因此，在系統設計時應注意校核光伏組件的強度及剛度。

其次，光伏支架與支架基礎(即屋頂分布式光伏發電系統的支撐與主體結構)應能承受光伏陣列傳來的應力(包括光伏陣列的自身重力、風荷載、雪荷載、地震荷載產生的力等)，并有效傳遞至建筑主體承重結構[4]，從而保障屋頂分布式光伏發電系統的安全運行，避免因光伏組件掉落造成人身傷害。

2.1.6 屋頂分布式光伏發電系統與其他形式結合的能量綜合利用系統的設計

屋頂分布式光伏發電系統中光伏組件水平安裝時，其下方的通風腔內的熱空氣可直接與空氣源熱泵結合，以提升空氣源熱泵的供暖能效和屋頂分布式光伏發電系統的發電效率。在光伏組件背板后面還可以集成液體流道，以水或制冷劑作為其傳熱介質，將光伏組件的伴生熱量儲存在儲熱水箱中，用于建筑供暖或生活熱水。光伏組件伴生熱量利用的原理圖如圖2所示。以水或制冷劑作為供熱介質且配置了熱泵的能量綜合利用系統的設計及施工安裝應滿足T/CECS 830—2021《太陽能光伏光熱熱泵系統技術規程》的要求。

圖2 光伏組件伴生熱量利用的原理圖Fig. 2 Schematic diagram of associated heat utilization of PV module

2.1.7 并網方式的選擇

按照并網方式的不同，光伏發電系統可分為離網光伏發電系統、并網光伏發電系統和混合光伏發電系統。屋頂分布式光伏發電系統以并網光伏發電系統為主，大規模應用時應注意屋頂分布式光伏發電系統的輸出功率波動對電網的沖擊，建議以單體建筑/建筑群為主體，綜合考慮建筑用電負荷曲線與光伏發電特性，優先采用就地消納、多余光伏發電量上網的方案。屋頂分布式光伏發電系統并網方式的選擇應根據單體建筑/建筑群的用電負荷和電網的電壓特性來確定。

2.1.8 遠程監測系統的設計

屋頂分布式光伏發電系統的遠程監測系統由計量監測設備、數據采集裝置和數據中心軟件組成。

為了實現屋頂分布式光伏發電系統的高效運行，監測數據應包括氣象參數(太陽輻照度、環境溫度和風速)、屋頂分布式光伏發電系統的輸出參數(輸出電壓、輸出電流和輸出功率等)、光伏組件的工作溫度、并網電壓等參數，若配置有蓄電池，還需要監測蓄電池的輸入、輸出電流及功率。監測方法及數據處理應滿足GB/T 20513—2006《光伏系統性能監測測量、數據交換和分析導則》的規定，遠程監控的配置架構等技術要求應滿足GB/T 34932—2017《分布式光伏發電系統遠程監控技術規范》的規定。

2.2 電氣設計

屋頂分布式光伏發電系統的電氣設計應首先滿足GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》的規定。在進行屋頂分布式光伏發電系統的電氣設計時，系統的直流側電壓不宜超過120 V[10]，并需要安裝直流電弧故障保護裝置。當直流側電壓超過120 V時，必須采用直流高壓警示標志，并安裝具備直流側快速關斷功能的直流開關，且直流電纜需加裝金屬外套；當直流側電壓超過600 V時，直流側和人員活動區域之間應進行絕對有效的區域隔離。

電纜的直流連接器除需要滿足GB/T 33765—2017《地面光伏系統用直流連接器》的規定外，還應采用保護措施，防止人員直接接觸帶電體。

2.3 防雷設計

根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[11]，建筑物易受雷擊的部位為女兒墻、屋檐及其檐角、屋脊等，建筑上安裝屋頂分布式光伏發電系統后，光伏陣列的高度可能會超過原有防雷系統的保護范圍，增加了其遭受雷擊的概率，而其一旦遭受雷擊，光伏組件的金屬邊框和金屬支架均會成為導電通路，雷擊電流會在光伏電纜和建筑物內的電纜中產生強電磁脈沖，從而危害建筑物中的電氣、電子系統，甚至引起火災[12]。

因此，在進行屋頂分布式光伏發電系統的設計時，應首先復核其是否處于原有防雷系統的保護范圍內，若超出該保護范圍，則需重新進行設計；同時，屋頂分布式光伏發電系統中的光伏組件金屬邊框和光伏支架均應接地，可連接到建筑物原有的接地系統或通過引下線和接地極連接[13]。

2.4 防火設計

屋頂分布式光伏發電系統的防火設計包括單個部件的防火設計和整個系統的防火設計。屋頂分布式光伏發電系統所有外露于空氣中的材料均應為難燃或不燃材料，所有未暴露在空氣中的材料燃燒后不得釋放有毒、有害氣體，光伏組件的燃燒性能和防護等級應根據建筑的耐火等級來確定，同時避免采用有機物背板和EVA膠膜[14]。

屋頂分布式光伏發電系統應設置快速關斷裝置，為消防救援提供條件。國際上對于屋頂分布式光伏發電系統的快速關斷裝置的規定主要有：美國電工規范2017 NEC 690.12《Rapid Shutdown—— Important Changes》要求所有屋頂分布式光伏發電系統均安裝快速關斷開關；德國率先執行VDE防火安全標準，該標準明確規定在屋頂分布式光伏發電系統中逆變器與光伏組件之間需要增加直流關斷裝置。

中國建筑科學研究院有限公司主編的團體標準T/CECS 10137—2021《建筑光伏控制及變配電設備技術要求》[15]引用了2017 NEC 690.12中關于快速關斷裝置的規定，要求屋頂分布式光伏發電系統能實現“光伏組件級關斷”，有效提高了我國屋頂分布式光伏發電系統的電氣安全性能。

3 施工安裝

目前，針對在建筑上安裝屋頂分布式光伏發電系統的施工規定尚無相應的國標，因此可按照GB/T 51368—2019《建筑光伏系統應用技術標準》進行施工，也可參考新疆維吾爾自治區發布的地方標準DB 65/T 3552—2013《安裝在既有建筑物上的光伏發電系統施工規范》進行施工。

在屋頂分布式光伏發電系統施工前，應制定專項施工組織設計方案，嚴禁在無設計方案的情況下施工。對于新建建筑而言，屋頂分布式光伏發電系統的施工應在建筑主體結構完成驗收后進行。

屋頂分布式光伏發電系統的支架連接部件在施工時應注意不破壞屋頂結構和屋頂防水層的密封性[16]，對既有建筑來說，應對施工中損壞的屋面原有的防水層進行修復或重新進行防水處理，防水處理應符合GB 50345—2012《屋面工程技術規范》的有關規定。

屋頂分布式光伏發電系統的調試應包括光伏組件串、匯流箱、逆變器、配電柜、二次系統、蓄電池等設備的調試，以及屋頂分布式光伏發電系統的聯合調試。

4 驗收階段

屋頂分布式光伏發電系統的驗收應根據GB/T 37655—2019《光伏與建筑一體化發電系統驗收規范》[17]進行驗收，包括與結構相關工程的驗收、電氣工程的驗收、光伏及建筑一體化系統的整體驗收。

屋頂分布式光伏發電系統的性能應滿足T/CECS 10094—2020《戶用光伏發電系統》的要求。

既有建筑安裝屋頂分布式光伏發電系統后，若安裝的光伏組件對原有屋頂結構產生了影響，則應根據GB 50207—2012《屋面工程質量驗收規范》對屋面的防水、保溫性能等進行驗收。

5 運行維護階段

5.1 定期清潔

在屋頂分布式光伏發電系統的運行階段，長期灰塵沉積會導致光伏組件表面被腐蝕，降低光伏組件表面的太陽輻射直接透過率，進而會影響屋頂分布式光伏發電系統的發電效率，可使屋頂分布式光伏發電系統的年發電量降低約5%～25%[18-20]。因此，在屋頂分布式光伏發電系統的運行維護階段，應注意對光伏組件進行定期清潔，清潔頻率應根據具體情況確定。常用的光伏組件清潔方式有干洗、水洗和智能清掃機器人清潔。

建議整縣推廣屋頂分布式光伏發電系統配備專業的運行維護機構，定期對光伏組件進行清潔和維護，以提高屋頂分布式光伏發電系統的發電量。

5.2 監測與維護

在屋頂分布式光伏發電系統的運行階段，應對系統所在地的氣象參數，系統的直流輸出參數、并網電壓參數等進行實時監測，以推測設備的運行狀態，從而可及時對異常設備進行檢修與維護。

6 結論與建議

本文分析了在建筑上安裝的屋頂分布式光伏發電系統在前期評估、設計、施工安裝、驗收及運行維護等各個階段應注意的要點問題，以保障屋頂分布式光伏發電系統的安全、可靠與高效運行，得出的結論及給予的建議如下：

1)為保障屋頂分布式光伏發電系統的安全性和經濟效益，在建筑上安裝屋頂分布式光伏發電系統時，應對其安全性和技術經濟性進行評估；

2)屋頂分布式光伏發電系統的設計應包含光伏發電系統、電氣、防雷、防火等的設計，并應同時滿足建筑相關標準要求及光伏發電系統的相關標準要求；

3)目前，針對屋頂分布式光伏發電系統的前期評估、設計、施工安裝、驗收與運行維護全過程的標準體系尚不完善，應盡快開展標準編制工作，以支撐光伏與建筑一體化市場的發展；

4)屋頂分布式光伏發電系統應從試點示范項目到整縣(市、區)大面積穩步推進，并確保建筑上安裝的屋頂分布式光伏發電系統的安全可靠與高效運行，充分發揮分布式光伏發電系統在碳中和進程中的節能潛力。