光伏發(fā)電綠色創(chuàng)新示范項目的建設(shè)與實踐

鄒 唯，江飛飛

（1、廣州南沙科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 廣州 511458；2、廣東建科節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?510500；3、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著全球氣候變化和能源危機的日益嚴重［1］，可再生能源的開發(fā)和利用成為了世界各國關(guān)注的焦點［2］。作為一種清潔、可再生的能源，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用和推廣［3］。廣州南沙某工業(yè)園區(qū)的光伏發(fā)電綠色示范項目旨在通過實際建設(shè)和運行，為建筑行業(yè)的碳減排和可再生能源利用提供實踐經(jīng)驗和參考。

1 項目建設(shè)背景

1.1 地理位置

本項目位于廣州市南沙區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)［4］，具有豐富的熱源和雨量。此外，該地區(qū)日照時間長，太陽輻射強度高［5］，為光伏發(fā)電提供了得天獨厚的氣候條件。同時，項目所在地的地理位置也較為優(yōu)越，交通便捷，為項目的建設(shè)和運營提供了便利條件。

1.2 太陽能資源條件

根據(jù)我國太陽能資源分布圖［6］，項目所在地區(qū)屬于太陽能資源較豐富類型區(qū)。這為光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)和運行提供了充足的太陽能資源保障。通過合理的設(shè)計和布局，項目能夠充分利用太陽能資源，提高發(fā)電效率和經(jīng)濟效益。

2 項目建設(shè)規(guī)模

2.1 總規(guī)模

在廣州南沙某工業(yè)園區(qū)A1～A5 棟和B1～B2 棟等7 棟樓的屋面均安裝了太陽能光伏系統(tǒng)，總安裝面積4 905 m2（見表1），采用670 單晶硅單玻組件1 479 片，600單晶硅雙玻組件68片，總裝機容量1 031.7 kWp。

表1 光伏組件分布情況統(tǒng)計Tab.1 Statistics on the Distribution of Photovoltaic Modules

2.2 A1～A5棟

A1～A5 棟屋面上安裝的光伏板如圖1 所示。其中A1～A4屋面無女兒墻，主要采用配重安裝。光伏支架固定于圓柱形的現(xiàn)澆混凝土墩的預(yù)埋件上，光伏板方陣最低點為1.2 m，最高點根據(jù)屋頂設(shè)備情況設(shè)定，在1.8～2.5 m，安裝傾角為5°～10°。現(xiàn)澆混凝土墩尺寸為?500 mm×400 mm，重量為200 kg，墩間距為2 m，光伏方陣每m2配重約為50 kg。

圖1 A1～A5棟屋面的光伏方陣Fig.1 PV Array on the Roof of the A1～A5 Building

A5 棟采用架高鋼結(jié)構(gòu)安裝。光伏支架安裝于架高鋼結(jié)構(gòu)上。光伏板方陣最高點不超過2.8 m，安裝傾角為3°～5°。架高鋼結(jié)構(gòu)的立柱、橫梁均采用預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場通過緊固螺絲裝配而成。其中立柱柱腳與屋面原結(jié)構(gòu)層通過植筋相連。

2.3 B1～B2棟

B1～B2 棟屋面上安裝的光伏板如圖2 所示。B1～B2 棟和A5 棟一樣，也是采用架高鋼結(jié)構(gòu)安裝，光伏支架安裝于架高鋼結(jié)構(gòu)上，光伏板方陣最高點不超過2.8 m，安裝傾角在3°～5°之間。

圖2 B1～B2棟屋面的光伏方陣Fig.2 PV Array on the Roof of the B1～B2 Building

其中在B1 棟屋頂有錯層，除十一層樓頂外，還在十層屋頂平臺處結(jié)合架高光伏，融合景觀園林、戶外活動空間設(shè)計元素，建設(shè)了500～600 m2的光伏建筑景觀活動區(qū)。

3 項目建設(shè)內(nèi)容

3.1 組件類型與安裝形式

為了適應(yīng)不同的環(huán)境和需求，項目選用了多種類型的光伏組件，包括單晶硅單玻組件、單晶硅雙玻組件。這些組件具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。同時，項目采用了多種安裝形式，包括10大傾角安裝、3°、5°小傾角安裝，以滿足不同位置和角度的需求。

3.2 逆變器與并網(wǎng)方式

項目共安裝了11臺華為逆變器，其中100 kW逆變器9臺，50 kW逆變器2臺。這些逆變器能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電，以便與電網(wǎng)連接。同時，項目采用了自發(fā)自用，余電上網(wǎng)的并網(wǎng)方式。這種方式能夠最大程度地利用太陽能資源，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，并且可以將多余的電能回售給電網(wǎng)。

3.3 太陽能與建筑景觀一體化設(shè)計

為了更好地融入建筑環(huán)境和景觀中，項目在B1棟十層屋頂平臺進行了太陽能與建筑景觀一體化設(shè)計施工，如圖3所示。通過精心設(shè)計，項目打造了一個融合光伏科技元素的園林休閑空間，包括光伏走廊、光伏休閑亭、離網(wǎng)光伏、光伏儲能等設(shè)施。這些設(shè)施不僅提供了實用的功能，還為建筑增添了科技感和現(xiàn)代感。

圖3 B1棟十層屋頂平臺休閑空間Fig.3 Leisure Space on the 10th Roof of B1 Building

3.4 光伏監(jiān)測系統(tǒng)

項目的光伏監(jiān)測系統(tǒng)可以對不同組件類型和安裝形式的組件方陣的發(fā)電效率等參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄。同時，該監(jiān)測系統(tǒng)還可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程控制和數(shù)據(jù)查看，方便管理人員及時了解系統(tǒng)運行狀況并進行相應(yīng)的調(diào)整和維護。這套系統(tǒng)為項目運行和維護提供了極大的便利性和準確性。

4 項目建設(shè)技術(shù)

4.1 技術(shù)基本情況

廣州南沙某工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電綠色創(chuàng)新示范項目為光伏建筑景觀一體化項目，主要節(jié)能技術(shù)為光伏發(fā)電技術(shù)。項目中光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、逆變器、支架、直交流匯流箱及計量等相關(guān)附件構(gòu)成。

4.2 技術(shù)原理

該項目光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理如圖4 所示，太陽能電池方陣在光照的條件下產(chǎn)生直流電，直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后并入低壓電網(wǎng)。各部分作用如下：

圖4 光伏系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 Schematic Diagram of PV System Composition

⑴太陽能電池板［7］：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分，其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能。項目主要采用單晶硅組件，最高光電轉(zhuǎn)換效率達21.1%。

⑵并網(wǎng)逆變器［8］：太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，其作用是通過并網(wǎng)孤島保護、最大功率跟蹤（MPPT）等功能將直流電逆變成生活用電的部件。

⑶其它附件：主要包括控制檢測系統(tǒng)、防雷接地保護、電纜及支架等。

5 項目工藝流程

5.1 主要流程

項目工藝主要包括光伏建筑景觀一體化設(shè)計、基礎(chǔ)固定、支架安裝、組件安裝、線路連接、逆變器和配電柜安裝、電表安裝和驗收并網(wǎng)。

5.2 光伏建筑景觀一體化設(shè)計

項目根據(jù)用能單位的需要，將光伏科技與建筑、園林景觀等融合設(shè)計：①將光伏設(shè)計遮陽防雨構(gòu)造，下方形成合法、寬闊、舒適的活動空間；②利用光伏走廊、光伏休閑亭、離網(wǎng)光伏、光伏儲能等光伏科技產(chǎn)品，與園林景觀相結(jié)合，定制設(shè)計光伏科技景觀，達到相應(yīng)的宣傳和展示效果。通過光伏建筑景觀一體化設(shè)計，項目打造出了特色的光伏科技景觀和活動場所，不但提升了用能單位的社會形象，同時在寸土寸金的城市中合法地增加了建筑使用面積。

5.3 光伏基礎(chǔ)固定和防水施工

A1～A4 棟光伏支架安裝于現(xiàn)澆混凝土墩的預(yù)埋件上，采用螺栓連接，不做防水要求。A5、B1～B2棟屋頂原構(gòu)造為：瓷磚層+砂漿層+保溫層+防水層+鋼筋混凝土，防水要求高，具體施工安裝過程如圖5所示。為了保證光伏結(jié)構(gòu)連接，設(shè)計時首先對照原屋頂結(jié)構(gòu)圖紙，對底座連接件安裝位置進行了布置，使得連接件盡量多的安裝于梁、柱、圈梁上，同時在安裝時將連接位置梁板柱結(jié)構(gòu)上覆蓋的瓷磚層、砂漿層、保溫層均予以打掉清理。打磚和清理時對防水層予以保護，避免扎破、劃破防水層。待開口處露出的防水層晾干無積水后，再行打孔、清孔、注膠和固定底座連接件。底座連接件安裝前，以底座連接件中心位置為基準，涂刷400 mm×400 mm 正方形瀝青膠（聚氨酯防水膠）進行防水處理。底座連接件安裝后，采用瀝青膠（聚氨酯防水膠）將底座連接件涂刷覆蓋，防水膠要包覆柱腳螺栓，防水膠涂敷厚度≥1 mm。

圖5 基礎(chǔ)固定和防水處理Fig.5 Foundation Fixing and Waterproof Treatment

5.4 光伏支架安裝

根據(jù)設(shè)計圖紙，首先進行定位放線，安裝導(dǎo)軌。在安裝時，應(yīng)按中段、兩端段、導(dǎo)軌接頭的順序進行，在安裝完導(dǎo)軌接頭后，要檢查每條導(dǎo)軌的水平度，每跨段彎曲，對支架位置進行精確校核。前后排之間的間隔在設(shè)計中應(yīng)注意，要求與墻的距離等。此外，在安裝支架立柱、橫梁和導(dǎo)軌時，不要將螺栓一次性緊固到位，在所有支架都調(diào)整平直后將螺栓全部緊固。

5.5 光伏組件安裝

太陽電池板的安裝應(yīng)從下往上、逐步進行，并做到橫平豎直，同側(cè)陣內(nèi)電池板間距保持一致，同時還要注意電池板接線方向。電池板固定時，在鋼結(jié)構(gòu)中用螺栓把組件固定在鏈條上，電池板與導(dǎo)軌間加雙刺式墊片，套裝中間夾具及側(cè)夾具后，用螺母鎖死。

5.6 光伏線路連接

依據(jù)設(shè)計圖確定電池板連接方式，接線時注意不要正、負極接反，確保接線正確。每塊電池板連接好后，查看電池板串?dāng)嗦冯妷菏欠裾_，接合好后，要斷開電池板上的線路，進行后續(xù)工序操作。

組合式方陣的布線應(yīng)采取支承、固緊、保護等措施，導(dǎo)線應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，布線方式應(yīng)符合設(shè)計圖紙要求。接線頭的接頭應(yīng)鍍錫，應(yīng)將多股導(dǎo)線的接線頭合攏，每個接線頭允許有兩根芯線，且兩根芯線之間要加墊片，所有的接線螺絲都要擰緊。

安裝完畢后，應(yīng)對接線、組件連線和方陣引出電纜進行校驗，沒有問題的，由電工負責(zé)測量，鄰接方陣電壓誤差在5 V 以內(nèi)部件，導(dǎo)軌和夾具必須可靠地連接。每一組分的導(dǎo)軌都必須用扁鋼接地，螺栓固定，并連接到園區(qū)接地系統(tǒng)。

5.7 光伏逆變器和配電柜安裝

布線排管時首先注意安全性問題，能走暗線時盡量走暗線，不走明線，同時注意管子的美觀性；在安裝逆變器時，確保輸入輸出開關(guān)都處于斷開狀態(tài)；絕對禁止直流輸入與逆變器輸出端相連，禁止輸出電路短路或接地；直流輸入與逆變器之間的連線應(yīng)盡可能的短；進行連接過程應(yīng)選擇不同顏色線纜以作區(qū)別。正極紅色，負極藍色；接線端子時，務(wù)必牢固，禁止松動。

匯流箱主要是將匯流箱輸出的直流電纜接入后進行匯流，再接至并網(wǎng)逆變器。配電柜內(nèi)含有直流輸入斷路器、漏電保護器、防反二極管、光伏防雷器等主要器件，在保證系統(tǒng)不受漏電、短路、過載與雷電沖擊等損壞的同時，有效保證負載設(shè)備運行的同時，方便客戶操作和維護。

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備。包括電壓控制、內(nèi)部電源、誤差放大、自保護裝置等。逆變器安裝應(yīng)放于高處、周圍空氣流通順暢、遠離生活的地方。安裝之前，做好準備工作，檢查產(chǎn)品配件是否齊全、安裝環(huán)境是否符合要求，安裝前的布局是否得當(dāng)。在安裝時，兩人配合，務(wù)必安裝牢固，嚴禁有松動、左右搖擺等問題。安裝好以后，務(wù)必進行檢查，檢查內(nèi)容包括光伏陣列的檢查、交流側(cè)接線檢查、直流線側(cè)接線檢查以及整個逆變器的固定檢查。

光伏并網(wǎng)柜是交流配電柜，主要是通過配電給逆變器提供并網(wǎng)接口，采用斷路器操作，含網(wǎng)側(cè)防雷器，配置發(fā)電計量表、逆變器并網(wǎng)接口及交流電壓電流表等裝置。適用于10 kV 及低壓380 V 光伏電站的小電源并網(wǎng)供電系統(tǒng)，主要是用來防止電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應(yīng)。在發(fā)生孤島現(xiàn)象時，可以快速切除并網(wǎng)點，使光伏電站與電網(wǎng)側(cè)迅速脫離，從而保證整個電站和相關(guān)維護人員的生命安全。光伏并網(wǎng)柜應(yīng)安裝在清潔的環(huán)境中，并且應(yīng)通風(fēng)良好，并保證環(huán)境要求、濕度滿足產(chǎn)品規(guī)格要求。按并網(wǎng)電柜系統(tǒng)圖設(shè)計要求敷設(shè)電纜。引入并網(wǎng)電柜的電纜應(yīng)排列整齊，編號清晰。并網(wǎng)電柜內(nèi)防雷接地與PE 線連接，PE 線與配電室內(nèi)的接地裝置連接。如果線纜需穿墻穿管，必須用防水、防火材料加以封閉確保其安全。

6 技術(shù)先進性和創(chuàng)新

6.1 南沙區(qū)工業(yè)園區(qū)首創(chuàng)

完成的廣州南沙某工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電綠色創(chuàng)新示范項目，是廣州市南沙區(qū)工業(yè)園區(qū)首例將光伏科技與建筑、景觀相融合的示范項目。

6.2 便于監(jiān)測

項目采用了單晶硅單玻、單晶硅雙玻等兩種類型的光伏組件，20°、5°、3°等3 種傾角安裝方式，并通過光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)對上述組件和安裝方式的組合的發(fā)電量、發(fā)電效率進行長期連續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)可視化對比多種光伏板的光電轉(zhuǎn)換率。

6.3 損耗率低

在標準測試條件［9］（STC，即光強1 000 W/m2，溫度25 ℃，大氣質(zhì)量AM1.5）下，單晶硅單玻組件，輸出功率首年損耗不超過3.0%，此后每年功率損耗不超過0.68%，第25 年輸出功率不低于80.68%。單晶硅雙玻組件輸出功率，首年功率損耗不超過3.0%，此后每年功率損失不超過0.5%，第30 年輸出功率不低于82.5%。

6.4 支架創(chuàng)新

項目光伏支架系統(tǒng)采用預(yù)鍍鋅鎂鋁合金Q345［10］材質(zhì)的支架，材料厚實，堅固耐用；切口自愈合能力較強，防腐性能極強；質(zhì)保20年；配套緊固件全部采用不銹鋼材質(zhì)，不生銹，更耐用。相對的，行業(yè)內(nèi)普遍采用的熱鍍鋅［11］，厚度相比較薄，現(xiàn)場焊接牢固度較弱，切口防腐性能較差，質(zhì)保只有5年。

7 項目效益分析

7.1 行業(yè)發(fā)展導(dǎo)向

項目進行了光伏造景一體化設(shè)計施工，打造了融合光伏科技元素的園林休閑空間。這不僅提高了建筑的美觀度和實用性，還為建筑行業(yè)和其他領(lǐng)域提供了可借鑒的經(jīng)驗和參考。

7.2 發(fā)電經(jīng)濟收益

項目預(yù)期使用壽命25 年，年發(fā)電約100 萬kWh，可形成減碳約800 t/年的碳收益，同時可降低頂層房間夏天空調(diào)能耗費用，具有顯著的經(jīng)濟效益。此外，通過并網(wǎng)運行和余電上網(wǎng)的方式，項目能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的收益流；同時還可以為企業(yè)節(jié)省電費支出并享受政府補貼政策；還可以提高企業(yè)的社會形象和市場競爭力；長期來看還可以降低企業(yè)的運營成本和提高盈利能力。

7.3 助力節(jié)能減排

項目總裝機容量1 031.7 kWp，年均發(fā)電量約100萬kWh/年，25 年總發(fā)電量約為2 500 萬kWh。根據(jù)國際能源署（IEA）《世界能源展望2007》［12］，中國的CO2排放指數(shù)為0.814 kg/kWh；同時，我國火電廠每發(fā)電上網(wǎng)1 kWh，需消耗標準煤305 g。與同類容量的燃煤火電廠相比，按照火電煤耗（標準）305 g/kWh 計，項目共可節(jié)約標準煤約7 625 t，減排CO2約20 350 t。

項目實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標，助力建筑“碳達峰”，減少了傳統(tǒng)能源的消耗和碳排放量，為廣州市和南沙區(qū)的節(jié)能減排工作做出了貢獻。

8 結(jié)論

⑴廣州南沙某工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電綠色示范項目是一項具有顯著經(jīng)濟、環(huán)保和社會效益的創(chuàng)新性工程。該項目充分利用了廣州南沙地區(qū)豐富的太陽能資源，通過安裝高效的光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了可再生能源的有效利用。項目的成功實施不僅為建筑行業(yè)提供了可借鑒的碳減排和可再生能源利用經(jīng)驗。

⑵在項目建設(shè)過程中，采用了多種先進的光伏組件和安裝技術(shù)，確保了系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。此外，項目還注重與建筑景觀的一體化設(shè)計，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與園林景觀相融合，提升了建筑的美觀度和實用性。

⑶項目的長期運行將帶來顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。通過并網(wǎng)運行和余電上網(wǎng)的方式，項目能夠為企業(yè)節(jié)省電費支出并享受政府補貼政策，同時還可以降低頂層房間夏天空調(diào)能耗費用，減少碳排放，助力節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。

總之，廣州南沙某工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電綠色示范項目是一項具有創(chuàng)新性、先進性和實用性的工程，為本地區(qū)節(jié)能減排和能源轉(zhuǎn)型提供了寶貴的實踐經(jīng)驗和參考。