既有大型商場屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目施工技術(shù)研究

云南建投第二建設(shè)有限公司 鄧中根

第75屆聯(lián)合國大會(huì)上中國向世界做出“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”的莊嚴(yán)承諾，是面對“全球氣候變暖”問題展示的大國擔(dān)當(dāng)[1]。黨的二十大報(bào)告中再次強(qiáng)調(diào)加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，按照先立后破的原則確保能源安全，逐步實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。電能作為清潔能源被廣泛運(yùn)用到生產(chǎn)生活中，根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)2022年，全社會(huì)用電量累計(jì)86372億kWh，同比增長3.6%；2022年全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億kW，同比增長7.8%，其中太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約3.9億kW，同比增長28.1%。

光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電的主要方式，其并網(wǎng)裝機(jī)容量占太陽能發(fā)電裝機(jī)容量的99%，近年來被廣泛運(yùn)用到電站的建設(shè)中[2]，我國光伏裝機(jī)容量連續(xù)9年位居全球首位。2021年6月20日，國家能源局下發(fā)的《關(guān)于報(bào)送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)方案的通知》明確的5432目標(biāo)，使分布式光伏項(xiàng)目得到快速發(fā)展[3]，在政策發(fā)布當(dāng)年（2021年）國內(nèi)分布式光伏年新增裝機(jī)首次超過地面電站，占當(dāng)年的53%。

2022年，由于工商業(yè)光伏的快速增長，國內(nèi)分布式光伏年新增裝機(jī)再次超過了地面電站。分布式光伏電站按照并網(wǎng)方式分為自發(fā)自用、全額上網(wǎng)和余電上網(wǎng)三種模式：自發(fā)自用需配套投入相關(guān)儲(chǔ)能設(shè)備投入費(fèi)用較高；全額上網(wǎng)則是將所發(fā)電全部賣給電網(wǎng)公司，該方式雖賺取了一部分售電收益，但對于高耗電企業(yè)來說不是最佳選擇；余電上網(wǎng)模式則是將光伏電站所發(fā)的電優(yōu)先用于自身生產(chǎn)經(jīng)營，再將多余的電就近并入供電電網(wǎng)，該方式不但降低了對外電電網(wǎng)的依賴，還可獲得買電收益[4]。

近年來，相關(guān)文獻(xiàn)資料闡述光伏發(fā)電原理、光伏發(fā)電的發(fā)展前景的文獻(xiàn)資料較多，部分文獻(xiàn)資料雖闡述了光伏項(xiàng)目實(shí)施過程中安全管控重點(diǎn)，但缺乏對分布式光伏項(xiàng)目施工實(shí)施技術(shù)的研究。本文以昆明某大型商場為研究對象，對既有大型商場屋頂分布式光伏項(xiàng)目的施工技術(shù)、安全管控重點(diǎn)、項(xiàng)目收益等方面進(jìn)行分析，為同類型項(xiàng)目的施工提供借鑒和參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 既有建筑情況

昆明某大型商場是大型城市綜合體建筑，建筑結(jié)構(gòu)類型為6層的混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑外立面安裝有玻璃幕墻和陶板，四周女兒墻最低位置高4m，建筑四周為商業(yè)步行街，不具備吊車吊裝材料條件。室內(nèi)安裝有兩部貨運(yùn)電梯可以到達(dá)上人屋面，非上人屋面僅設(shè)置有上人的垂直爬梯，無法進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)運(yùn)。分布式電站位于非上人屋面，非上人屋面為正置式屋面，在屋面上安裝有商場的通風(fēng)、消防、供水設(shè)備，設(shè)備管道較多，給材料的運(yùn)輸和設(shè)備的安裝都增加了不少困難。

1.2 工程概況

本項(xiàng)目擬使用昆明某大型建筑的非上人屋面建設(shè)光伏電站，其建設(shè)399.85kW分布式光伏電站，電站采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)、400V接入的方案進(jìn)行并網(wǎng)。參考SOLARGIS數(shù)據(jù)昆明太陽能水平面上的輻射量為1428kWh/m2。按照全年發(fā)電量最大的原則，電站采用固定傾角安裝，結(jié)合既有屋面的情況不同位置采用不同的安裝方式，空閑屋面采用落地式支架，有管道設(shè)備的采用2.2m的架高支架，花架梁位置采用滑軌支架（如圖1所示）。

圖1 項(xiàng)目整體圖

1.3 光伏設(shè)計(jì)

光伏項(xiàng)目的發(fā)電量受裝機(jī)容量、組件的光電轉(zhuǎn)換效率和安裝方式等因素的影響。項(xiàng)目裝機(jī)容量主要受安裝場地大小和組件的型號影響，安裝容量越大所需要的場地也越大。組件的光電轉(zhuǎn)換效率不同設(shè)備廠商制造的產(chǎn)品存在一定的差異，常規(guī)的晶硅太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換率在20%～26%，隆基的部分產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到26.5%，在安裝場地一定的情況下，選擇光電轉(zhuǎn)換率更高的組件可以獲得更大的發(fā)電量。

光伏組件是通過光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，最大限度確保組件的光照時(shí)間是提高發(fā)電量的重要手段。我國地處北半球，冬至日組件受周圍建筑、組件遮擋最嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮冬至日9:00至15:00時(shí)間段組件無陰影遮擋，即可獲得最長光照時(shí)間。綜合各種因素本項(xiàng)目按照相鄰排組件間隔20mm安裝傾角5°的方式進(jìn)行安裝。

2 施工安裝

2.1 材料運(yùn)輸

受場地限制本工程材料只能采用室內(nèi)電梯轉(zhuǎn)運(yùn)和人工搬運(yùn)的方式進(jìn)行運(yùn)輸，光伏組件運(yùn)至地下室貨運(yùn)電梯口，在電梯位置進(jìn)行拆箱驗(yàn)收后轉(zhuǎn)運(yùn)。卸車時(shí)采用叉車垂直叉住托盤緩慢放至地面進(jìn)行拆箱，拆箱時(shí)至少2人同時(shí)操作，在成箱組件一側(cè)設(shè)置抗傾覆支架，緩慢進(jìn)行拆箱。搬運(yùn)組件時(shí)應(yīng)由2個(gè)人以上戴防滑手套同時(shí)手持組件搬運(yùn)，禁止拉扯組件的導(dǎo)線、接線盒、用頭頂組件。支架則通過樓梯和電梯配合轉(zhuǎn)運(yùn)，支架超長無法運(yùn)輸?shù)膶ζ溥M(jìn)行先切割后焊接的方式運(yùn)輸。

本工程非上人屋面僅有垂直爬梯，不具備材料轉(zhuǎn)運(yùn)條件，經(jīng)過溝通商場不同意搭設(shè)專用的材料轉(zhuǎn)運(yùn)通道，采用傳統(tǒng)的桅桿吊或人工吊運(yùn)的方式安全風(fēng)險(xiǎn)較高，且容易造成組件磕碰碎裂。經(jīng)市場調(diào)查研究，決定采用輔助垂直運(yùn)輸設(shè)備配合運(yùn)輸，運(yùn)輸時(shí)將光伏斜靠安放在運(yùn)輸設(shè)備上，相鄰組件間設(shè)置防磕碰裝置，防止運(yùn)輸過程中發(fā)生磕碰。采用輔助舉升裝置，每次運(yùn)輸?shù)慕M件數(shù)量不宜超過5片。

2.2 基礎(chǔ)預(yù)制

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙本項(xiàng)目常規(guī)混凝土屋面的光伏支架基礎(chǔ)為直徑400mm、高400mm的混凝土基礎(chǔ)；2.2m高支架的基礎(chǔ)為1200×400×400mm的混凝土基礎(chǔ)；花架梁上則直接采用螺栓固定在既有現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)梁上?？紤]到工程實(shí)施期間商場還需繼續(xù)營業(yè)，且城區(qū)施工揚(yáng)塵控制較嚴(yán)格，若采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工藝，不但影響到商場的營業(yè)，還有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且基礎(chǔ)量小、混凝土澆筑位置零散，現(xiàn)澆的施工成本也必然增加。綜合各方面原因，最終決定考慮采用工廠預(yù)制，進(jìn)場安裝的方式制作基礎(chǔ)。基礎(chǔ)預(yù)制時(shí)將“U”型螺栓預(yù)埋在基礎(chǔ)中，螺栓埋入混凝土深度為200mm，外露100mm用于以支架系統(tǒng)連接?？紤]到1200×400×400mm的基礎(chǔ)整體預(yù)制后重量較大搬運(yùn)困難，基礎(chǔ)采用分塊預(yù)制再整體連接的方式進(jìn)行組裝。預(yù)制時(shí)將基礎(chǔ)分為400×400×400mm的三塊，同時(shí)在基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置4組穿心孔，安裝時(shí)采用Ф14的對拉螺桿通過穿心孔組裝完成后，再對穿心孔進(jìn)行C40灌漿料灌漿，使之成為一個(gè)整體。

2.3 支架安裝

支架安裝前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和既有屋面設(shè)備情況對支架基礎(chǔ)定位放樣，放樣時(shí)按照不挪動(dòng)既有管道設(shè)備的原則進(jìn)行定位，支架與既有管道設(shè)備沖突時(shí)可適當(dāng)調(diào)整支架位置。

混凝土常規(guī)支架安裝時(shí)先將立柱底板固定在“U”型螺栓上，在立柱頂部安裝三角連接件，再將斜梁安裝到三角連接件上，通過調(diào)整前后立柱的高度和三角連接件的角度確保安裝傾角滿足要求。為確?；炷林Ъ艿恼w穩(wěn)定性，后立柱不超過15m在相鄰立柱間設(shè)置一道斜支撐。常規(guī)混凝土支架采用導(dǎo)梁法安裝組件，斜梁上的同組導(dǎo)梁的安裝間距為1400mm，相鄰導(dǎo)梁安裝間距為900mm。

2.2m加高支架相鄰立柱間應(yīng)設(shè)置斜撐，斜撐角度宜為45°，支撐點(diǎn)距離柱頂距離宜為800mm。當(dāng)柱間距小于4200mm時(shí)，斜撐可用Φ10圓鋼；當(dāng)立柱間距大于4200mm時(shí)，斜撐需采用L75×5的角鋼。加高支架組件的安裝角度通過采用定做的高低連接件實(shí)現(xiàn)5°的安裝傾角安裝要求，為避免前后排組件相互遮擋其間距應(yīng)控制為200mm。

花架梁位置沿花架找坡方向安裝HN250×125×6×9的型鋼主梁，型鋼梁與混凝土梁連接位置采用水鉆在原有結(jié)構(gòu)梁上打孔，采用貫穿螺桿固定的方式進(jìn)行固定，檁條直接焊接在型鋼梁上，同組檁條間距為1400mm，相鄰組檁條間距為900mm。

2.4 組件安裝

光伏組件安裝的主流方式為夾具安裝和壓塊安裝，兩種方式均是通過固定光伏組件邊框的方式實(shí)現(xiàn)。夾具安裝時(shí)安裝檁條可以為方管，不需要對檁條進(jìn)行打孔加工，且組件間的縫隙為通縫，適用于搭設(shè)有防水要求的光伏棚；壓塊安裝則檁條為特制導(dǎo)軌，通過光伏特制壓塊實(shí)現(xiàn)光伏組件固定。本工程采用壓塊安裝的方式進(jìn)行安裝，安裝時(shí)先安裝第一塊板的邊壓塊，再安裝中壓塊。組件安裝時(shí)應(yīng)從長方向開始安裝，安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)控組件間隙，并確保安裝順直。安裝時(shí)禁止工人對組件表面進(jìn)行踩踏，禁止將安裝工具安放到組件表面，組件安裝時(shí)應(yīng)注意相鄰組件的正負(fù)極應(yīng)相鄰，以便直接進(jìn)行電氣連接。

2.5 清洗系統(tǒng)安裝

光伏組件表面附著的灰塵污漬，將影響到光伏組件的發(fā)電效率。組件邊框通常都高出組件面板，小傾角安裝的組件，使用一段時(shí)間后在雨水的沖刷下，組件表面的灰塵會(huì)積聚在組件下邊緣形成泥帶，嚴(yán)重影響組件發(fā)電量和使用壽命。在組件下邊緣安裝親水材料制作的排水導(dǎo)泥器，可快速排走積水減少此類情況發(fā)生。

光伏組件安裝后，灰塵會(huì)降落到組件表面，僅靠自然降雨無法徹底清除組件表面的塵埃。為了方便光伏系統(tǒng)的清洗工作，同時(shí)降低清洗系統(tǒng)的費(fèi)用投入，本工程通過在運(yùn)用原本商場的供水系統(tǒng)對清洗系統(tǒng)供水，在屋面設(shè)置1.5kW的管道增壓泵，清洗主管采用DN32供水，屋面沖洗水管道水平間隔50m安裝一個(gè)球閥和快接頭用于清洗系統(tǒng)取水。

2.6 電氣安裝

本項(xiàng)目為屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目規(guī)模較小，主要由光伏陣列、逆變器、并網(wǎng)箱及配套的數(shù)據(jù)采集器和并網(wǎng)計(jì)量電氣組成（如圖2所示）。逆變器采用組串型逆變器，通過多路MPPT（最大功率點(diǎn)）跟蹤，實(shí)現(xiàn)匹配不同的朝向、不同電壓的組件串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)最大限度的發(fā)電量。

圖2 項(xiàng)目發(fā)電系統(tǒng)示意圖

光伏組件不能無限串聯(lián)，串聯(lián)數(shù)需根據(jù)擬選光伏組件、逆變器的主要技術(shù)參數(shù)，結(jié)合工程所在地極限工作溫度計(jì)算確定。本工程共選用550Wp單晶硅組件727塊，合計(jì)裝機(jī)量約399.85kW，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式進(jìn)行并網(wǎng)。通過結(jié)合設(shè)備組件、選擇的逆變器型號，計(jì)算得組件串聯(lián)數(shù)N≤20.5，為方便安裝N取20。根據(jù)各屋面組件排布情況進(jìn)行組串后，分別接入逆變器轉(zhuǎn)換為0.4kV的交流電，接入交流并網(wǎng)柜，從并網(wǎng)柜接入商場原有的0.4KV供電線路，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

電氣連接前根據(jù)計(jì)算串聯(lián)組數(shù)，將相鄰組件間的MC4接頭插接起來，每串組件間留出一組正負(fù)接頭，待逆變器和并網(wǎng)箱安裝完成后再進(jìn)行插接。同組組件串聯(lián)后采用直流電纜PV1-F-1X4mm2光伏直流電纜接入逆變器。接頭位置采用MC4專用接頭進(jìn)行連接，從組串到逆變器的直流電纜應(yīng)盡量減少接頭。

2.7 光伏陣列區(qū)接地及防雷

屋面光伏電站建設(shè)完成后高出既有建筑，為避免雷擊對光伏電站造成破壞需要建設(shè)避雷系統(tǒng)。光伏組件邊框是良好的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)采用不低于4mm2的銅芯電線對組件進(jìn)行串聯(lián)，組件與支架固定位置采用刺破片進(jìn)行固定，確保支架和組件間形成有效的電氣連接。采用40×4mm扁鐵將支架和既有避雷網(wǎng)相連，利用原建筑屋頂避雷網(wǎng)作為光伏電站的引下線，并利用建筑的基礎(chǔ)接地，連接完成后對接地電阻進(jìn)行檢測，確保接地電阻不大于4Ω。

2.8 質(zhì)量控制要點(diǎn)

分布式光伏項(xiàng)目安裝質(zhì)量會(huì)直接影響到電站的發(fā)電量和后期的運(yùn)營維護(hù)，施工全過程中應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，確保電站優(yōu)質(zhì)高效運(yùn)行。組件在采用叉車進(jìn)行卸貨時(shí)，叉車應(yīng)從長方向一側(cè)卸貨，卸貨時(shí)專人進(jìn)行指揮防止叉車碰撞組件。組件在搬運(yùn)過程中不但需要防止碰撞到組件表面的鋼化玻璃，還需注意保護(hù)背面不被刮傷。本工程支架主要連接方式為螺栓連接，在施工過程中應(yīng)確保螺栓扭矩的滿足設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)應(yīng)對每道工序進(jìn)行驗(yàn)收，上道工序不合格下道工序不施工。

支架施工完成后應(yīng)對支架系統(tǒng)進(jìn)行檢查，對材料鍍層被破壞的位置重新涂刷防銹漆，確保材料的防腐滿足要求。光伏組件間采用MC4接頭進(jìn)行電氣連接，接頭間連接不牢會(huì)影響到發(fā)電效率，嚴(yán)重的會(huì)造成電站發(fā)生火災(zāi)。MC4插頭制作時(shí)應(yīng)確保插銷和插針以PV1-F-1X4mm2光伏直流電纜連接牢固，MC4接頭串接時(shí)應(yīng)確?？劬o，插接過程中應(yīng)確保聽到“啪”的連接聲響。組件安裝完成后應(yīng)對面板進(jìn)行檢查，對存在污漬的位置應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理干凈，以免產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。

2.9 安全控制要點(diǎn)

現(xiàn)階段，光伏項(xiàng)目呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，不同行業(yè)的人參與到光伏項(xiàng)目的建設(shè)中來，項(xiàng)目管理人員、操作工人水平參差不齊，給光伏項(xiàng)目實(shí)施帶來了較大的安全隱患?；谛袠I(yè)現(xiàn)狀在光伏項(xiàng)目的實(shí)施過程中，一是管理人員要提升自己的業(yè)務(wù)技能，學(xué)習(xí)掌握光伏項(xiàng)目安全管控重難點(diǎn)，明確采取的安全防護(hù)方案，嚴(yán)抓措施落實(shí)和過程整改；二是做實(shí)做細(xì)操作工人的安全交底，使其明白哪些操作是違規(guī)的，正確的方式應(yīng)如何操作[5]。

在既有建筑上施工光伏項(xiàng)目，施工實(shí)施的過程中既有建筑需要保持原來的運(yùn)行機(jī)制，無法實(shí)現(xiàn)完全的封閉化管理，也無法搭設(shè)大量的臨邊防護(hù)架。在實(shí)施過程中操作人員易發(fā)生高處墜落事故，人員到操作屋面后可采用差速墜落器和安全帶配合使用，在牢固位置安裝固定差速墜落器，一旦人員墜落其可有效確保人員安全。

施工中可能由于物體掉落對第三人造成傷害，實(shí)施過程中禁止在臨邊位置堆放材料工具，操作人員禁止到臨邊走動(dòng)。光伏項(xiàng)目施工用電多采用既有供電電網(wǎng)進(jìn)行供電，施工前應(yīng)對用電負(fù)荷進(jìn)行復(fù)核，確保施工用電負(fù)荷不超過供電線路的承載能力，實(shí)施過程中需配備專用開關(guān)箱，確?，F(xiàn)場用電不會(huì)對既有電路造成影響，具體的電箱內(nèi)安裝剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)大于0.1s，動(dòng)作電流小于30mA，同時(shí)確保兩者的靈敏度高于上級配電箱。

3 結(jié)語

光伏發(fā)電是綠色能源的重要組成部分，在國家政策的推動(dòng)下得到了快速的發(fā)展，該電站建成后本期光伏發(fā)電系統(tǒng)25年內(nèi)預(yù)計(jì)發(fā)電10771kWh，平均年發(fā)電量約為430.85Wh，每年減輕排放溫室效應(yīng)性氣體二氧化碳350.7t。投資單位利用閑置屋面建設(shè)分布式光伏電站，電站所發(fā)電能采用余電上網(wǎng)方式并網(wǎng)，降低了既有建筑對外電的依賴，符合當(dāng)今綠色建筑的發(fā)展趨勢。在既有建筑上建設(shè)分布式光伏電站時(shí)，需結(jié)合既有建筑特點(diǎn)和周邊建筑情況，避開已經(jīng)安裝好的設(shè)備管道，量身定制最優(yōu)的建設(shè)方案，本文結(jié)合工程實(shí)例闡述了根據(jù)屋面情況，選擇不同支架形式和組件安裝方式確保獲得最大的投資收益，為避免破壞既有防水和降低基礎(chǔ)施工難度創(chuàng)造性的提出基礎(chǔ)預(yù)制，同時(shí)提出項(xiàng)目建設(shè)的全過程的安全質(zhì)量管控重點(diǎn)，為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒實(shí)例。