浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司 李姚偉

2020年12月12日，國(guó)家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會(huì)上通過(guò)視頻發(fā)表題為《繼往開(kāi)來(lái)，開(kāi)啟全球應(yīng)對(duì)氣候變化新征程》的重要講話，宣布中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，即業(yè)內(nèi)所稱(chēng)的“3060”目標(biāo)。

所謂“碳達(dá)峰”是指二氧化碳排放量達(dá)到歷史最高值，然后經(jīng)歷平臺(tái)期進(jìn)入持續(xù)下降的過(guò)程，是二氧化碳排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)。所謂“碳中和”是指一定時(shí)間內(nèi)人為活動(dòng)直接和間接排放的二氧化碳，其與通過(guò)植樹(shù)造林等吸收的二氧化碳相互抵消，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“凈零排放”。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”，必須大力控制碳排放、增加碳吸收，其中大力發(fā)展光伏、風(fēng)電等清潔能源是實(shí)現(xiàn)“3060”目標(biāo)的重要舉措。在此背景下，新建建筑物在建造時(shí)便考慮和光伏有效結(jié)合以及老廠房進(jìn)行光伏建筑結(jié)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(yáng)能發(fā)電（光伏）產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。光伏建筑—體化(BIPV)不同于光伏系統(tǒng)附著在建筑上(BAPV：Building Attached PV)的形式，可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是光伏方陣與建筑的結(jié)合，另一類(lèi)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?shù)?。在這兩種方式中，光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合[1]。

1 屋面改造方案分析

項(xiàng)目廠房位于浙江沿海地區(qū)，處于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，交通便利，地理位置優(yōu)勢(shì)明顯。項(xiàng)目所在地光資源條件較好，全年日照小時(shí)數(shù)接近2000h，因此具有較好的輻射量。浙江全省山區(qū)較多，山區(qū)人口密度小，有著“七山一水二分田”的稱(chēng)號(hào)。由于山水較多，因此土地資源顯得十分珍貴，而建設(shè)地面光伏發(fā)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(guò)利用屋頂資源建設(shè)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(wèn)題，并未工廠帶來(lái)可觀的發(fā)電效益。

項(xiàng)目廠房屋頂使用總面積近20萬(wàn)平方米。屋面面積大，由于靠近沿海，氣候潮濕、腐蝕性大，臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣多發(fā)，導(dǎo)致廠房屋面新裝的彩鋼瓦銹蝕損壞嚴(yán)重，更換周期短導(dǎo)致更換費(fèi)用消耗巨大。同時(shí)廠房業(yè)主為重型制造加工型企業(yè)，耗電量巨大、電費(fèi)多。

鑒于上述屋面現(xiàn)狀，廠房業(yè)主擬通過(guò)原有屋面改造，一方面減少因彩鋼瓦需經(jīng)常維護(hù)更換而產(chǎn)生的巨額費(fèi)用，另一方面可以在白天解決很大一部分生產(chǎn)用電從而減少電量采購(gòu)費(fèi)用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

屋面光伏電站因?yàn)楣夥M件安裝方式不同，而產(chǎn)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(dān)建筑物的基本使用功能；BAPV 是指在原有屋面基礎(chǔ)上鋪裝組件。經(jīng)過(guò)多方調(diào)研和論證分析發(fā)現(xiàn)，如果本廠房選用BAPV，雖然施工難度小作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)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(dǎo)水鋁軌，組件則直接放置在導(dǎo)水鋁軌上方，壓塊與導(dǎo)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(guò)對(duì)既有建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全核算，本項(xiàng)目利用的建筑物均能夠滿(mǎn)足光伏電站的附加荷載，項(xiàng)目的實(shí)施具備有利的屋頂條件[2]。

2 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)模式

屋面光伏項(xiàng)目采用建設(shè)、運(yùn)營(yíng)能源服務(wù)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(xiàng)目實(shí)施方（“乙方”），甲方應(yīng)優(yōu)先消納利用乙方光伏電站所產(chǎn)生電能，甲方在消納該部分電能的時(shí)候享受電價(jià)優(yōu)惠。甲方應(yīng)確保屋面資源安全可靠，乙方對(duì)屋面載荷進(jìn)行校核，乙方以光伏建筑一體化的模式建設(shè)屋頂光伏電站，并負(fù)責(zé)所使用屋面的維修、保養(yǎng)，避免因屋面損壞導(dǎo)致漏水漏風(fēng)，從而對(duì)屋內(nèi)設(shè)備、產(chǎn)品產(chǎn)生影響。

鑒于甲方將屋面資源提供給乙方建設(shè)光伏項(xiàng)目，甲方在使用屋面光伏電站所發(fā)電量時(shí)，乙方在向甲方收取電費(fèi)時(shí)，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)工商業(yè)電價(jià)的基礎(chǔ)上打折。通過(guò)該種能源合作開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)雙方利益雙贏。甲方的屋面資產(chǎn)得到妥善維護(hù)保養(yǎng)，同時(shí)采購(gòu)電量電價(jià)取得優(yōu)惠，乙方免費(fèi)獲得屋面資源用于光伏項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)建設(shè)，通過(guò)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的模式，取得電費(fèi)收入和投資收益。

3 方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

確定采用光伏建筑一體化方案（BIPV 型式）后，目前市場(chǎng)主流采用的方案為：拆除屋頂原有彩鋼瓦，露出廠房鋼結(jié)構(gòu)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?yàn)榕c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(nèi)，通過(guò)壓條固定[3-4]。具體實(shí)施步驟如下（圖1）。

圖1 BIPV 結(jié)構(gòu)示意圖

屋面定位放線。按圖紙要求和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yùn)。光伏組件吊裝到屋面時(shí)要先墊木板，而且要放在承重梁的位置，放置平穩(wěn)；拆除舊彩鋼瓦。舊彩鋼瓦拆除后集中放置，再用吊機(jī)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(jié)構(gòu)橫梁或者檁條上。

橫向水槽和組件安裝。安裝過(guò)程中防止腳踩組件造成電池片隱裂，作業(yè)人員需采用施工架進(jìn)行施工。采用不銹鋼自攻螺釘將相關(guān)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(shè)備安裝、電纜橋架安裝、電纜敷設(shè)和接線、接地施工、設(shè)備調(diào)試啟動(dòng)（圖2）。

圖2 屋面安裝后效果圖

根據(jù)廠區(qū)內(nèi)光伏各單元的實(shí)際分布情況，結(jié)合廠區(qū)配電變壓器情況，擬定相關(guān)的電力設(shè)計(jì)方案。該項(xiàng)目采用“各電氣單元相組合，匯總后集中送出”的10kV 高壓并網(wǎng)接入方式，光伏電站所發(fā)電能優(yōu)先被工廠自行消納，在工廠中午工人休息期間產(chǎn)生富裕電量，該富裕電量送入電網(wǎng)進(jìn)行消納。本項(xiàng)目屋頂資源豐富，各屋頂距離較近，每個(gè)屋頂都通過(guò)逆變升壓系統(tǒng)，以10kV 電壓等級(jí)接入配電網(wǎng)，供給項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)。為了確保電氣安全，該種“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在與配電網(wǎng)聯(lián)接時(shí)需特別關(guān)注電氣隔離，形成與配電網(wǎng)之間明顯的分界點(diǎn)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流隔離，使逆變器向自身配電網(wǎng)饋送的直流電流分量與其交流額定值的比例符合規(guī)范要求。主要電氣設(shè)備選擇如下：

逆變器：選擇50kW 組串式逆變器，型號(hào)SG50KTL。光伏組件：選用國(guó)內(nèi)一流品牌，其組件出貨量大，型號(hào)為T(mén)SM-330PD14；匯流箱：選擇200kW 匯流箱；箱式變壓器：為了節(jié)能，擬選用干式變壓器數(shù)臺(tái)，型號(hào)為SCB11系列；光伏發(fā)電監(jiān)控：依托廠房原有建筑物房間或新建預(yù)裝式開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)置主控制室，布置于其內(nèi)的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)光伏電站的電力監(jiān)控、調(diào)度、故障報(bào)警等功能。集中監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)對(duì)象包括光伏陣列組件信號(hào)檢測(cè)、逆變器及其附助設(shè)備狀態(tài)是否正常等；過(guò)電壓保護(hù)防雷及接地：為保證光伏電站本體的安全運(yùn)行和光伏發(fā)電及附屬設(shè)施的安全，光伏電站需要設(shè)有良好的避雷、防雷及接地保護(hù)裝置，相關(guān)裝置應(yīng)通過(guò)有效檢測(cè)。

該光伏電站選址位于建筑物屋頂，整個(gè)廠區(qū)由于范圍較大，廠區(qū)開(kāi)闊，因此可供使用的臨時(shí)用地較多。施工用地考慮為1000平方米，主要用于設(shè)備臨時(shí)堆放，設(shè)備的加工和預(yù)裝等。由于場(chǎng)址位于鬧市區(qū)，因此施工過(guò)程不安排建設(shè)臨時(shí)生活設(shè)施。該光伏電站項(xiàng)目主體工程施工主要為電池板安裝、支架吊裝、臨時(shí)施工平臺(tái)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(yīng)先按電池板出廠前標(biāo)定的性能參數(shù)，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(shù)下運(yùn)行。

本項(xiàng)目利用汽車(chē)吊將箱變和其他設(shè)備吊至已經(jīng)澆筑完成的基礎(chǔ)平臺(tái)上。電池板安裝支架以散件供貨，先在臨時(shí)用地上將其組裝成模塊，然后整體逐件起吊就位安裝?，F(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)對(duì)組合模塊的尺寸、高度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。施工所需的水、電等均利用項(xiàng)目地原廠區(qū)接引，通訊可利用善及率較高的移動(dòng)通訊等方法解決。

4 實(shí)施中安全防護(hù)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(guò)程中，屋頂四周有女兒墻，無(wú)安全操作平臺(tái)，因此在施工過(guò)程中存在重大安全隱患，必須采取必要的安全防護(hù)措施。本節(jié)就BIPV實(shí)施過(guò)程中的難點(diǎn)和安全防護(hù)措施進(jìn)行分析[5]。

施工安全防護(hù)措施。施工作業(yè)時(shí)四周無(wú)防護(hù)欄桿，施工人員在屋面上進(jìn)行水槽和光伏組件安裝時(shí)，存在重大的安全隱患。為此，在施工作業(yè)前，需在屋面作業(yè)區(qū)域拉設(shè)安全鋼絲繩用于系掛安全帶。安全鋼絲繩系統(tǒng)主要包括：制作槽鋼立柱。通過(guò)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(shè)鋼絲繩。在槽鋼立柱上轉(zhuǎn)兩個(gè)孔，懸拉兩條鋼絲繩，用于施工人員懸掛安全帶，后期用于運(yùn)維人員屋面巡檢消缺時(shí)懸掛安全帶。

安全操作平臺(tái)。施工作業(yè)面為鋼屋架，無(wú)密實(shí)的安全操作平臺(tái)，施工人員在屋架上施工時(shí)很容易踩空，發(fā)生高空墜落。因此在施工前，要求各個(gè)施工點(diǎn)必須采用木板、腳手板鋪設(shè)臨時(shí)通道和安全操作平臺(tái)，鋪設(shè)通道時(shí)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(dāng)有零部件掉落時(shí)容易對(duì)廠房?jī)?nèi)作業(yè)人員造成嚴(yán)重傷害。因此在施工作業(yè)面下張?jiān)O(shè)兩道安全網(wǎng)作為防護(hù)，一道防墜網(wǎng)、一道密目網(wǎng)。屋面施工區(qū)域下的地面應(yīng)用警戒線圍住，安排專(zhuān)職人員監(jiān)護(hù)，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員進(jìn)入（圖3）。

圖3 安全網(wǎng)布設(shè)

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目廠房屋面完成光伏建筑一體化改造后，目前已經(jīng)順利并網(wǎng)發(fā)電，期間經(jīng)歷多次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的正面考驗(yàn)，屋面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定正常，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受損的情況。目前屋頂電站由專(zhuān)業(yè)運(yùn)維隊(duì)伍負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)，減少了廠房業(yè)主的屋面維修工作量和費(fèi)用投入，同時(shí)電站源源不斷發(fā)出的清潔電力，有效緩解了廠房業(yè)主的用電荒問(wèn)題。

本項(xiàng)目將光伏發(fā)電與企業(yè)屋頂有效結(jié)合，充分利用已有屋面資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)，有效地節(jié)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(dāng)?shù)亟鉀Q民工就業(yè)、推進(jìn)社會(huì)和諧，帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，從而有助于當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，為“3060”和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。