廠房建筑光伏項目開發(fā)、設(shè)計與施工探討

摘 要：

以某廠房項目為例，詳盡對比分析了廠房建筑光伏發(fā)電的不同開發(fā)設(shè)計形式、系統(tǒng)構(gòu)成、安裝工藝以及關(guān)鍵節(jié)點控制，對光伏發(fā)電量進行仿真計算并與實測數(shù)據(jù)對比分析，為廠房建筑光伏發(fā)電項目應(yīng)用和研究提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：

光伏發(fā)電; 光伏建筑一體化; 光伏組件; 并網(wǎng)

中圖分類號： TU852

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）04-0051-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.04.009

0 引 言

據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織預(yù)計，到2060年我國光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的比重將達到47.4%，集中式和分布式光伏發(fā)電協(xié)同發(fā)展，分布式光伏發(fā)電量占光伏總發(fā)電量的比重將超過30%［1］。分布式光伏將在能源、電力、交通、建筑、工業(yè)等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如何科學(xué)有效地推進分布式光伏發(fā)電的實施成為從業(yè)者必須去深入研究的命題。本文以某廠房為例，對廠房建筑光伏發(fā)電項目開發(fā)、設(shè)計和施工進行詳細介紹，為光伏技術(shù)在廠房建筑的應(yīng)用提供參考。

1 廠房建筑光伏發(fā)電不同開發(fā)設(shè)計形式的對比

1.1 區(qū)域氣象條件

該項目位于陜西省咸陽市，北臨渭河和黃土高原，南鄰秦嶺，屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、冬季寒冷、風(fēng)小、多霧、少雨雪;年平均氣溫13.0～13.7 ℃。太陽總輻射量為5 500～6 000 MJ/m2，年日照小時數(shù)為1 646.1～2 114.9 h。年均水平面輻射量1 219.5 kWh/m2，根據(jù)GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》，該地區(qū)太陽能資源屬于較豐富地區(qū)。

1.2 項目概況

該廠房建筑主要功能為PC預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)車間，廠房結(jié)構(gòu)類型為鋼結(jié)構(gòu)。建筑高度為22.50 m;屋面總面積為17 580 m2，屋面為彩鋼瓦屋面，四周無大的遮擋物。

1.3 項目光伏發(fā)電系統(tǒng)概況

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏方陣、光伏匯流設(shè)備（包括光伏匯流箱、直流配電箱和直流電纜等）、逆變器、交流配電箱、儲能及控制裝置（適用于帶儲能裝置系統(tǒng)）、布線系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)等組成。

該項目裝機容量為1 269 kWp，光伏組件沿彩鋼瓦屋面鋪設(shè)，傾斜角為3°～4°。布置2 820塊光伏組件，逆變器采用50 kW或30 kW兩種規(guī)格，并網(wǎng)柜以4回0.4 kV線路接入廠區(qū)室外箱式變電站，共4個并網(wǎng)發(fā)電單元。并網(wǎng)發(fā)電單元一系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)形式對比分析

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)分類如表1所示［2］。

（1） 自有投資+EPC建設(shè)的商業(yè)運營模式是產(chǎn)權(quán)方自有資金投資或融資貸款，運用EPC建設(shè)模式完成光伏項目的建設(shè)。優(yōu)點如下：建設(shè)單位擁有光伏項目的全部產(chǎn)權(quán)和享有發(fā)電收益，一方面減少建設(shè)單位的電費，另一方面也可以增加建設(shè)單位收益來源;缺點如下：需要占用建設(shè)單位大量資金，或負擔(dān)一定的貸款和利息;還需要負責(zé)后期的運營管理。

（2） 場地租賃+第三方建設(shè)運管的商業(yè)運營模式是產(chǎn)權(quán)方僅收取租金，第三方投資建設(shè)并負責(zé)后期的運營管理。優(yōu)點如下：產(chǎn)權(quán)方有穩(wěn)定的租金收益，第三方通過向國家電網(wǎng)售賣電能獲得收益;缺點如下：只適合場地面積較大的廠區(qū)。

（3） 電能分銷+第三方建設(shè)運管的商業(yè)運營模式是指第三方利用產(chǎn)權(quán)方的場地建設(shè)光伏發(fā)電項目，將發(fā)電量以一定的優(yōu)惠電價銷售給產(chǎn)權(quán)方，剩余部分發(fā)電量出售給國家電網(wǎng)。優(yōu)點如

下：產(chǎn)權(quán)方不用投資就可以享受優(yōu)惠的電價，獲得一定的收益;缺點如下：第三方的收益受到光伏發(fā)電量和電能消納比例的影響，需要項目光伏發(fā)電量有一定的規(guī)模且用電負荷與光伏發(fā)電的曲線相適應(yīng)。

該項目用電為工業(yè)用電，商業(yè)運營模式采用電能分銷+第三方建設(shè)運管的商業(yè)運營模式，自消納電價為原電價的7折、光伏發(fā)電上網(wǎng)電價采用陜西省標(biāo)桿上網(wǎng)電價。

1.5 光伏組件對比分析

（1） 常見光伏組件組成。

常見光伏組件組成如圖2所示。

鋼化玻璃：透光性好、高硬度，保護電池的作用。

EVA薄膜：粘接電池片、鋼化玻璃和背板，透光性好、接觸空氣后影響發(fā)電效率，封裝工藝要求高。

導(dǎo)電銅帶：聚電導(dǎo)電。

太陽能電池片：核心部件，電池片尺寸常見125 mm和156 mm，通過串聯(lián)的方式把電池片緊密排列起來。通常一塊電池板有72片或64片電池。

光伏背板：具有密封、絕緣和防水功能，保護電池。

鋁合金框：有一定的強度和耐腐蝕性，支撐和保護電池。

接線盒：起到連接和保護電池的作用。

（2） 按照電池片材料分類。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，光伏電池材料的種類呈現(xiàn)多樣化，大致可按其材料結(jié)構(gòu)分為硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和新概念電池。主要太陽能電池性能對比如表2所示［3］。

目前，單晶硅以及多晶硅電池因其較高性價比仍然占據(jù)市場主體地位，在屋頂、室外雨棚等場所一般考慮采用這種材料;薄膜光伏電池可以與光伏幕墻結(jié)合，在立面展示效果好，在建筑光伏一體化設(shè)計中，常采用不同材料的薄膜電池配合達到更好的立面效果;新型光伏電池由于有較高的理論轉(zhuǎn)化效率和較低的制造成本在建筑光伏市場的發(fā)展?jié)摿σ埠艽蟆Ｐ枰⒁獾氖牵∧る姵卦诹⒚姘惭b中，需要配合建筑立面效果和透光率要求來確定實際薄膜電池的轉(zhuǎn)換率，透光率越高，其單位面積轉(zhuǎn)化效率越低。

（3） 建筑光伏的結(jié)構(gòu)形式。

目前市場上常用的光伏板系統(tǒng)主要有兩種：BAPV系統(tǒng)和BIPV系統(tǒng)。BAPV是指附著在建筑物上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，也稱為“安裝型”太陽能光伏建筑。它的主要功能是發(fā)電，與建筑物功能不發(fā)生沖突，不破壞或削弱原有建筑物的功能，僅考慮發(fā)電、利用閑置空間、簡單附著、較適用既有建筑。BIPV即光伏建筑一體化，是與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝并與建筑物形

成完美結(jié)合的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，也稱為“構(gòu)建型”和“建材型”太陽能光伏建筑。它作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能。如光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮陽板、光伏天棚、光伏陽臺、光伏雨棚、光伏車棚等，在建筑領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展空間巨大。

2 光伏發(fā)電量仿真計算與實測對比

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計期間，要確定系統(tǒng)裝機容量和年發(fā)電總量。建筑光伏系統(tǒng)發(fā)電量采用以下公式計算［4］：

EP=HA×PAZ×K

式中： EP——建筑光伏發(fā)電量;

PAZ——光伏組件安裝容量;

HA——水平面太陽能總輻照量（峰值小時數(shù)）;

K——綜合效率系數(shù)。

建筑光伏系統(tǒng)實際運行中，影響發(fā)電量的因素很多，包括建筑物間的遮擋、光伏組件的傾角、光伏組件類型轉(zhuǎn)化效率修正、方位角修正、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損失、變壓器損失、光伏表面污染修正等，K值是受多重因素影響且隨時間變化的量，在實際工程項目中多采用軟件仿真計算，常用軟件有PVsyst、RETScreen等仿真軟件。

該項目裝機容量為1 269 kWp，年峰值日照小時數(shù)為2 109.5 h，系統(tǒng)效率經(jīng)PVsyst軟件模擬，K值取80.4%。PVsyst軟件測算系統(tǒng)效率報告如圖3所示。

據(jù)該項目所在地的太陽能資源情況，在25 a的使用壽命期內(nèi)，單晶硅電池板在使用過程中光電轉(zhuǎn)化效率會降低，首年衰減率不大于2%，以后每年衰減率不大于0.55%。該項目光伏系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測如表3所示。該項目光伏系統(tǒng)首年發(fā)電量逐月實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表如表4所示。

首年月發(fā)電量為127.72萬kWh，首年發(fā)電量略高于預(yù)測值。

3 光伏組件安裝

根據(jù)廠房屋面結(jié)構(gòu)形式的不同，光伏組件支座及安裝形式主要有以下兩種形式。

3.1 鋼筋混凝土屋面安裝

受屋面坡度的限制，一般均需要設(shè)置光伏支架來調(diào)整光伏板的布置角度來提高光伏板布置數(shù)量和發(fā)電效率。施工時一般先在屋面上制作混凝土支墩，支墩上安裝光伏支架及光伏板。支墩一方面把光伏支架和組件荷載傳遞給屋面結(jié)構(gòu)，另一方面保證光伏支架在風(fēng)荷載作用下安全穩(wěn)固。對于新建鋼筋混凝土屋面而言，支墩與屋面結(jié)構(gòu)建議一次性整體施工，可達到較好的整體穩(wěn)定性;對于既有屋面而言，可根據(jù)光伏支架的高度、傾角、風(fēng)荷載大小進行計算確定支墩的尺寸，在工廠進行預(yù)制，現(xiàn)場吊裝施工。支墩高度一般高出屋面不小于0.5 m，此種做法構(gòu)造簡單，不破壞原有屋面防水、保溫等構(gòu)造。

由于在光伏板的基礎(chǔ)上增加了混凝土支墩和光伏支架，此種結(jié)構(gòu)形式給屋面增加的荷載較多，一般為0.5～2.0 kN/m2，需要對屋面結(jié)構(gòu)進行安全復(fù)核。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)彩鋼板屋面安裝

彩鋼板屋面坡度一般為5%，光伏板可沿坡屋面鋪設(shè)，光伏板通過導(dǎo)軌和鋁合金夾具直接固定在屋面壓型鋼板上。目前常見的彩鋼板連接形式有直立鎖邊型、角馳型和梯形。直立鎖邊型安裝簡單、施工質(zhì)量可靠，不破壞原有屋面的防水［5］，且對原有屋面增加的荷載較小，一般為0.15～0.2 kN/m2，在工程中應(yīng)用較廣泛。

該項目彩鋼板連接形式為直立鎖邊型，光伏組件施工順序為：放線定位—夾具和導(dǎo)軌安裝—光伏板鋪設(shè)—光伏板線路連接。

（1） 放線定位：放線應(yīng)以屋面周邊女兒墻為參照，以周邊雨水天溝邊緣為基準(zhǔn)，按照設(shè)計圖紙定位尺寸在屋面上進行放線。放線分為橫向和縱向，橫向線平行于屋脊線布置，用于控制光伏組件導(dǎo)軌的位置;縱向線垂直于屋脊線，用于控制導(dǎo)軌端部和導(dǎo)軌夾具的位置。實際施工放線時應(yīng)注意避開屋面風(fēng)機、采光窗等設(shè)施。

（2） 夾具和導(dǎo)軌安裝：光伏板導(dǎo)軌采用50 mm×52 mm×6 000 mm鋁合金導(dǎo)軌，由于該項目光伏板尺寸為1 038 mm×2 094 mm×35 mm，鋁合金導(dǎo)軌布置間距為1.4 m+0.7 m+1.4 m+0.7 m，施工檢修通道處將0.7 m間距增大到1.2 m。夾具沿導(dǎo)軌方向間距為兩塊屋面彩鋼板的寬度（600 mm×2=1 200 mm），導(dǎo)軌采用分段安裝、分段調(diào)整坡度、分段固定。

（3） 光伏板鋪設(shè)：該項目光伏板采用450 Wp高效單晶組件，光伏板沿導(dǎo)軌由北向南安裝，導(dǎo)軌伸出光伏板陣列外邊緣100 mm，采用邊扣件與導(dǎo)軌進行固定，中間光伏板采用中間扣件與導(dǎo)軌進行固定，并按次序完成整個光伏組串的安裝，相鄰光伏板間邊緣高差應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)。

（4） 光伏板線路連接：各光伏板之間串聯(lián)或并聯(lián)采用PV1-F-1×4 mm2抗紫外線阻燃光伏直流電纜連接，末端帶有多向兼容接頭，正極為母接頭，負極為公接頭，組件之間按照設(shè)計要求進行串聯(lián)或并聯(lián)。為降低感應(yīng)過電壓，同一個串聯(lián)回路的正負極直流電纜宜靠近敷設(shè);為避免交直流電纜的混淆，便于后期檢修維護，直流電纜應(yīng)進行標(biāo)識。

4 結(jié) 語

在“雙碳”目標(biāo)背景下，建筑光伏發(fā)電行業(yè)迎來快速發(fā)展，特別是在耗電、耗能較大的單多層項目中發(fā)展更快。本文著重介紹了光伏發(fā)電開發(fā)形式、系統(tǒng)構(gòu)成、光伏組件和建筑的結(jié)合形式、發(fā)電量的仿真計算與實測數(shù)據(jù)對比分析、光伏組件安裝工藝等關(guān)鍵技術(shù)點，對類似項目有借鑒指導(dǎo)意義。但光伏發(fā)電行業(yè)還處于中期發(fā)展階段，后續(xù)在儲能、直流配電、電能消納等方面還有待電氣從業(yè)者繼續(xù)深入探索與實踐。

［1］ 全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織.中國2030年能源電力發(fā)展規(guī)劃研究及2060年展望［Z］.2021.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑一體化光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計與施工：15D202-4［S］.北京：中國計劃出版社，2015.09.

［3］ 莫理莉.“光儲直柔”建筑電氣設(shè)計探究［J］.智能建筑電氣技術(shù)［J］.2022，16（3）：1-8.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 51348—2019［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

［5］ 任永強.直立鎖邊型彩鋼瓦屋面光伏組件安裝施工技術(shù)［J］.建筑施工，2021，48（5）：844-846.

收稿日期： 2024-03-15

Discussion on Development，Design and Construction of

Building Photovoltaic Project

CHEN Zhigang1， TIAN Xin2， ZHANG Xiaolong3

（1.Zhongtian Northwest Construction Investment Group Co.， Ltd.， Xi’an 710055， China;

2.Xi’an High-speed Railway Dongcheng Construction and Development Co.， Ltd.， Xi’an 710038， China;

3.Huarong Guiyang Property Co.， Ltd.， Guiyang 550000， China）

Abstract：

Taking a factory building project as an example，this paper analyzes in detail the different development and design forms，system composition，installation process and key node control of photovoltaic power generation in a factory building，the simulation calculation and comparison with the measured data provide reference for the application and research of building photovoltaic power generation project.

Key words：

photovoltaic power generation; building-integrated photovoltaics; photovoltaic modules; grid-connected