某屋頂資源光伏建筑一體化改造實施分析

浙江浙能華光潭水力發電有限公司 李姚偉

2020年12月12日，國家主席習近平在氣候雄心峰會上通過視頻發表題為《繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程》的重要講話，宣布中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，即業內所稱的“3060”目標。

所謂“碳達峰”是指二氧化碳排放量達到歷史最高值，然后經歷平臺期進入持續下降的過程，是二氧化碳排放量由增轉降的歷史拐點。所謂“碳中和”是指一定時間內人為活動直接和間接排放的二氧化碳，其與通過植樹造林等吸收的二氧化碳相互抵消，實現二氧化碳“凈零排放”。為了實現“雙碳目標”，必須大力控制碳排放、增加碳吸收，其中大力發展光伏、風電等清潔能源是實現“3060”目標的重要舉措。在此背景下，新建建筑物在建造時便考慮和光伏有效結合以及老廠房進行光伏建筑結合改造，顯得非常必要。

光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated PV，PV 即Photo Voltaic）是一種將太陽能發電（光伏）產品集成到建筑上的技術。光伏建筑—體化(BIPV)不同于光伏系統附著在建筑上(BAPV：Building Attached PV)的形式，可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結合，另一類是光伏方陣與建筑的集成，如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂等。在這兩種方式中，光伏方陣與建筑的結合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結合[1]。

1 屋面改造方案分析

項目廠房位于浙江沿海地區，處于長江三角洲地區，交通便利，地理位置優勢明顯。項目所在地光資源條件較好，全年日照小時數接近2000h，因此具有較好的輻射量。浙江全省山區較多，山區人口密度小，有著“七山一水二分田”的稱號。由于山水較多，因此土地資源顯得十分珍貴，而建設地面光伏發電站普遍需要占用較多的土地資源，在土地資源稀缺的浙江省，通過利用屋頂資源建設分布式光伏電站，不僅可以減少地面土地的占用，更可以將閑置的屋面資源得到充分利用，從而有效緩解土地資源稀缺問題，并未工廠帶來可觀的發電效益。

項目廠房屋頂使用總面積近20萬平方米。屋面面積大，由于靠近沿海，氣候潮濕、腐蝕性大，臺風等惡劣天氣多發，導致廠房屋面新裝的彩鋼瓦銹蝕損壞嚴重，更換周期短導致更換費用消耗巨大。同時廠房業主為重型制造加工型企業，耗電量巨大、電費多。

鑒于上述屋面現狀，廠房業主擬通過原有屋面改造，一方面減少因彩鋼瓦需經常維護更換而產生的巨額費用，另一方面可以在白天解決很大一部分生產用電從而減少電量采購費用，產生較好的經濟效益。

屋面光伏電站因為光伏組件安裝方式不同，而產生不同的安裝模式。目前屋面光伏電站有BIPV和BAPV 兩種組件安裝模式，其中BIPV 模式為組件鋪裝后代替廠房原有屋面，承擔建筑物的基本使用功能；BAPV 是指在原有屋面基礎上鋪裝組件。經過多方調研和論證分析發現，如果本廠房選用BAPV，雖然施工難度小作業風險小、工程總投資少，但安裝后不能阻止原有彩鋼瓦的腐蝕。

通常沿海廠房新的彩鋼瓦屋面在6～7年后便需要更換，BAPV 模式下需要將組件全部拆除后才能更換彩鋼瓦，工程量以及投入巨大。因此確定本項目組件安裝采用BIPV 型式（光伏建筑一體化，即組件即為廠房屋面），組件安裝沿屋面平鋪，拆除原有屋面的彩鋼瓦，在屋面原有檁條上放置導水鋁軌，組件則直接放置在導水鋁軌上方，壓塊與導水鋁軌采用不銹鋼螺栓連接緊固，組件之間放置防水膠條。通過對既有建筑進行結構安全核算，本項目利用的建筑物均能夠滿足光伏電站的附加荷載，項目的實施具備有利的屋頂條件[2]。

2 項目開發模式

屋面光伏項目采用建設、運營能源服務模式，總體模式為屋頂資源所有方（“甲方”）將屋面資源提供給光伏項目實施方（“乙方”），甲方應優先消納利用乙方光伏電站所產生電能，甲方在消納該部分電能的時候享受電價優惠。甲方應確保屋面資源安全可靠，乙方對屋面載荷進行校核，乙方以光伏建筑一體化的模式建設屋頂光伏電站，并負責所使用屋面的維修、保養，避免因屋面損壞導致漏水漏風，從而對屋內設備、產品產生影響。

鑒于甲方將屋面資源提供給乙方建設光伏項目，甲方在使用屋面光伏電站所發電量時，乙方在向甲方收取電費時，在當地常規工商業電價的基礎上打折。通過該種能源合作開發模式，實現雙方利益雙贏。甲方的屋面資產得到妥善維護保養，同時采購電量電價取得優惠，乙方免費獲得屋面資源用于光伏項目的開發建設，通過“自發自用、余電上網”的模式，取得電費收入和投資收益。

3 方案設計和實施

確定采用光伏建筑一體化方案（BIPV 型式）后，目前市場主流采用的方案為：拆除屋頂原有彩鋼瓦，露出廠房鋼結構主梁→在主梁上安裝光伏檁條→使用不銹鋼自攻螺釘在檁條上安裝W 型水槽，該水槽方向為與檁條90°夾角→W 型水槽上安裝橫向水槽→光伏組件邊框卡于橫向水槽內，通過壓條固定[3-4]。具體實施步驟如下（圖1）。

圖1 BIPV 結構示意圖

屋面定位放線。按圖紙要求和現場測量放線，確定屋面屋脊中心線，再確定第一塊W 水槽放線位置，并且要與屋脊中心線成90°；組件吊裝和搬運。光伏組件吊裝到屋面時要先墊木板，而且要放在承重梁的位置，放置平穩；拆除舊彩鋼瓦。舊彩鋼瓦拆除后集中放置，再用吊機吊下屋面；安裝W 型水槽。使用不銹鋼自攻螺絲，將該水槽固定在鋼結構橫梁或者檁條上。

橫向水槽和組件安裝。安裝過程中防止腳踩組件造成電池片隱裂，作業人員需采用施工架進行施工。采用不銹鋼自攻螺釘將相關壓條、水槽及組件緊固在一起；組件線纜連接、包邊安裝、防水蓋安裝、女兒墻防水安裝、電氣設備安裝、電纜橋架安裝、電纜敷設和接線、接地施工、設備調試啟動（圖2）。

圖2 屋面安裝后效果圖

根據廠區內光伏各單元的實際分布情況，結合廠區配電變壓器情況，擬定相關的電力設計方案。該項目采用“各電氣單元相組合，匯總后集中送出”的10kV 高壓并網接入方式，光伏電站所發電能優先被工廠自行消納，在工廠中午工人休息期間產生富裕電量，該富裕電量送入電網進行消納。本項目屋頂資源豐富，各屋頂距離較近，每個屋頂都通過逆變升壓系統，以10kV 電壓等級接入配電網，供給項目場區。為了確保電氣安全，該種“自發自用，余電上網”的光伏發電系統，在與配電網聯接時需特別關注電氣隔離，形成與配電網之間明顯的分界點；同時實現直流隔離，使逆變器向自身配電網饋送的直流電流分量與其交流額定值的比例符合規范要求。主要電氣設備選擇如下：

逆變器：選擇50kW 組串式逆變器，型號SG50KTL。光伏組件：選用國內一流品牌，其組件出貨量大，型號為TSM-330PD14；匯流箱：選擇200kW 匯流箱；箱式變壓器：為了節能，擬選用干式變壓器數臺，型號為SCB11系列；光伏發電監控：依托廠房原有建筑物房間或新建預裝式開關站內設置主控制室，布置于其內的綜合自動化監控系統，負責光伏電站的電力監控、調度、故障報警等功能。集中監控系統的監控監測對象包括光伏陣列組件信號檢測、逆變器及其附助設備狀態是否正常等；過電壓保護防雷及接地：為保證光伏電站本體的安全運行和光伏發電及附屬設施的安全，光伏電站需要設有良好的避雷、防雷及接地保護裝置，相關裝置應通過有效檢測。

該光伏電站選址位于建筑物屋頂，整個廠區由于范圍較大，廠區開闊，因此可供使用的臨時用地較多。施工用地考慮為1000平方米，主要用于設備臨時堆放，設備的加工和預裝等。由于場址位于鬧市區，因此施工過程不安排建設臨時生活設施。該光伏電站項目主體工程施工主要為電池板安裝、支架吊裝、臨時施工平臺吊裝和大件安裝、起吊等。電池板單件重量約19kg 左右，重量較輕，起吊、安裝較為方便。安裝前應先按電池板出廠前標定的性能參數，將性能較為接近的電池板成串安裝，以保證電池板盡量在最佳工作參數下運行。

本項目利用汽車吊將箱變和其他設備吊至已經澆筑完成的基礎平臺上。電池板安裝支架以散件供貨，先在臨時用地上將其組裝成模塊，然后整體逐件起吊就位安裝。現場拼裝時對組合模塊的尺寸、高度，根據現場調整。施工所需的水、電等均利用項目地原廠區接引，通訊可利用善及率較高的移動通訊等方法解決。

4 實施中安全防護措施

BIPV 模式采用光伏組件代替原有屋面，在舊彩鋼瓦拆除及新安裝組件過程中，屋頂四周有女兒墻，無安全操作平臺，因此在施工過程中存在重大安全隱患，必須采取必要的安全防護措施。本節就BIPV實施過程中的難點和安全防護措施進行分析[5]。

施工安全防護措施。施工作業時四周無防護欄桿，施工人員在屋面上進行水槽和光伏組件安裝時，存在重大的安全隱患。為此，在施工作業前，需在屋面作業區域拉設安全鋼絲繩用于系掛安全帶。安全鋼絲繩系統主要包括：制作槽鋼立柱。通過螺栓與屋面主梁緊固，槽鋼立柱橫向距離為15m，豎向距離為20m；拉設鋼絲繩。在槽鋼立柱上轉兩個孔，懸拉兩條鋼絲繩，用于施工人員懸掛安全帶，后期用于運維人員屋面巡檢消缺時懸掛安全帶。

安全操作平臺。施工作業面為鋼屋架，無密實的安全操作平臺，施工人員在屋架上施工時很容易踩空，發生高空墜落。因此在施工前，要求各個施工點必須采用木板、腳手板鋪設臨時通道和安全操作平臺，鋪設通道時必須用鋼絲將其與鋼架固定好。

防高空墜落措施。由于彩鋼瓦拆除后屋面直接暴露，當有零部件掉落時容易對廠房內作業人員造成嚴重傷害。因此在施工作業面下張設兩道安全網作為防護，一道防墜網、一道密目網。屋面施工區域下的地面應用警戒線圍住，安排專職人員監護，嚴禁無關人員進入（圖3）。

圖3 安全網布設

5 結語

本項目廠房屋面完成光伏建筑一體化改造后，目前已經順利并網發電，期間經歷多次強臺風的正面考驗，屋面結構穩定正常，未出現結構受損的情況。目前屋頂電站由專業運維隊伍負責運行維護，減少了廠房業主的屋面維修工作量和費用投入，同時電站源源不斷發出的清潔電力，有效緩解了廠房業主的用電荒問題。

本項目將光伏發電與企業屋頂有效結合，充分利用已有屋面資源進行開發建設，有效地節省了地面土地資源，大大提高了土地綜合利用效益，并能為當地解決民工就業、推進社會和諧，帶來較好的經濟和社會效益，從而有助于當地產業結構調整，促進當地的經濟發展，為“3060”和“雙碳”目標的實現做出貢獻。