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工业建筑屋顶分布式光伏电站施工关键技术

2024-12-18 68 上传者：管理员

摘要：工业建筑屋顶面积较大，建筑层高较低，无日照遮挡，多建设分布式光伏发电站进行发电，如何提高分布式光伏发电站施工质量已成为研究重点。基于此，文章以某工业厂房为例，简要分析工业建筑屋顶荷载，对光伏组件、逆变器选型、光伏阵列等参数优化予以分析，并提出施工关键技术，获得良好效果，以期为相关工作者提供参考。

关键词：
分布式光伏电站
屋顶
工业建筑
施工技术
环境污染
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我国科技不断发展，人口数量剧增，诸多能源消耗，难以控制环境污染，使得利用风力、太阳能等新能源成为电力行业主要方向。现阶段，光伏组件价格竞争力强，使得光伏发电大规模开发推广，有效缓解资源短缺与能源压力。而在光伏发电中，主要建设在屋顶位置，多采取分布式发电模式，可根据不同地区因地制宜施工，减少操作灵活便捷，提高发电效率。因此，在工业建筑中，为减少能源消耗，可建设分布式光伏电站，合理利用太阳能资源。

1、工业建筑屋顶荷载分析

分布式光伏发电站属于新型发电、用电模式，能够就近使用、就近并网、就近发电，多安装于建筑屋顶。工业建筑以平整、低矮厂房为主，采取大跨度钢结构模式，屋面多是彩钢板，抗震性好、强度高、重量轻，却由于先建屋顶，后建电站[1]。为此，光伏列阵安装中，需考虑屋面承载力，做好荷载分析工作，确保屋面结构可靠安全。以某工业厂房为例，屋面是单跨双破封闭式屋面，高度14.6m，坡度6°，面积2983m2，平行于屋面设置光伏组件。永久荷载方面，根据平铺光伏组件情况，包括零配件与组件自重，该工程组件自重0.15k N/m2，零配件及支撑件是铝合金材料，取0.05k N/m2，永久荷载共0.2k N/m2。可变负荷包括雪荷载、屋面活荷载、风荷载等。屋面活荷载是光伏组件、小型工具临时荷载，取值0.54k N/m2；风荷载标准值公式如下：

其中，ωk是风荷载标准值；μz是风压高度变化系数；μs是风荷载体型系数；βz是z高度处风振系数；ω0是基本风压。

雪荷载标准公式如下：

其中，Sk是雪荷载标准值；S0是基本雪压；μr是屋面积雪分布系数。

为保证屋面具备分布式光伏电站施工条件，结合上述公式计算屋面承载力，确定永久荷载0.2k N/m2，可变荷载0.2～0.6k N/m2，具备施工条件，且注意承重梁上设置施工通道，物料分散放置。

2、工业建筑屋顶分布式光伏电站参数设计

2.1光伏组件

在屋顶光伏电站建设中，需做好光伏组件选型，综合考虑组件发展、占地面积、工件稳定度、施工条件及转化效率。现有光伏电池组件可分为非晶硅薄膜电池、多晶硅电池、单晶硅电池，由于非晶硅薄膜电池光电转换率低、产量不足，主流为多晶硅和单晶硅电池[2]。晶体硅电池相比其他光伏电池，具有技术完善、起步时间早、寿命长的优点，是光伏发电重要单元，且耐久性强，能够长期接受阳光辐射，各种环境、天气下稳定运行。还要保证电池转化率，对其进行测试，公式如下：

其中，η是转换效率；Pin是阳光射入功率；Pmax是最大功率。测试标准中，工作温度25℃，阳光辐射1000W/m2，空气质量AM1.5，测出多晶硅电池效率20.3%，单晶硅电池20.4%。该工程选择转化率20.9%、量产化的单晶硅540Wp组件，性能参数见表1。

表1 性能参数

2.2逆变器选型

光伏电站中，光伏逆变器作为关键器件，能够将输入直流电逆变为交流电进行输出。现有逆变器有分布式与集中式两类。其中，集中式逆变器并联若干光伏组串，连接至逆变器直流侧，为保证逆变电流为正弦波，较小功率多用场效应管，与DSP转换控制器搭配优化电能质量[3]。此类逆变器输出功率大，超过500k W，具有谐波分量少、便于管理的优点，却会在连接不同光伏组串时，出现电压与电流无法匹配情况。组串式逆变器组件互不干扰、互相平行，带有若干MPPT跟踪单元，可降低电池发电最佳位置和逆变器不匹配情况，提高逆变器功率，见图1。

该工程根据项目建设容量，选择组串式逆变器，功率范围3～70k W，直流输入电压最大600/1100V，输入电流<40A，交流输出电压380/220AC，电压频率50/60±Hz，功率因数>0.99。逆变器自带过流保护、孤岛保护、过电压保护等，也具备失压跳闸、绝缘阻抗等检测能力，确保设备产生问题可自动离网，减少损失。

2.3光伏阵列设计

2.3.1阵列规划

建设光伏电站离不开支架，需调整支架安装角度、方式，提高电池板光照接受大小。光伏阵列支架包括固定式与跟踪式，尽管跟踪式效率、发电量较高，却造价高昂，投入资金偏高；固定式更为稳定，运行经验充分，选择固定式支架[4]。并且，工业建筑屋顶多是彩钢瓦屋顶，综合分析支架安装费用、难度等，采取带有倾角屋顶结构，见图2。

图2 屋顶支架固定结构

光伏电站发电量影响因素不仅在于阵列排布，也需考虑安装倾角，接收更多太阳能，增强太阳辐射利用率。该工程分析项目所在地太阳年路径，将天气信息、地理坐标导入Pvsyst软件，即可获得太阳方位角、高度角变化。利用软件仿真，42°～44°倾角太阳辐射量大，如果倾角较大不利于安装维护，增加成本，结合屋顶结构，确定安装倾角42°，符合光伏组件发电要求。

2.3.2组件串并联

在光伏组件串并联中，需考虑极端气温下逆变器运行稳定性，将地方最低、最高温度值代入其中，公式如下：

其中，N是串联光伏组件数量；分别是组件工作与开路电压温度系数；Vpm是正常组件工作电压；Voc是开路状态组件电压；t′和t分别是极限高温与低温；Vmpptmin和Vmpptmax是MPPT电压最小、最大值；Vdcmax是逆变器直流输入最大电压。针对项目容量需求、运行环境、输入电压等，选择每串组件数15。

3、工业建筑屋顶分布式光伏电站施工关键技术

3.1运输材料技术

工程施工中，受场地限制，材料仅能利用人工搬运、室内电梯运转方式输送，可将光伏组件运输至货运电梯口，拆箱验收后方能转运。此过程中，卸车时利用插车垂直叉将托盘叉住，缓慢放至地面拆箱，要求2人操作，戴上防滑手套，组件一侧安装抗倾覆支架，禁止拉扯接线盒、导线、头部组件等[5]。支架以电梯、楼梯转运，如果超长则切割后运输。该工程屋顶有垂直爬梯，无运转材料条件，采取人工吊运或桅杆吊风险较高，可能造成组件碎裂，选用辅助垂直运输设备，将光伏斜靠其上，设置防磕碰装置，配合举升装置，完成组件运输。

图1 逆变器电路图

3.2支架安装技术

工业建筑屋顶为彩钢瓦屋面，选用平铺支架以卡扣、咬口等方式固定。施工过程中，安排人员组织定位放线，检查现场是否符合图纸要求、是否规避障碍物等，做好测量工作。支架安装前，支架立撑和横梁节点以螺栓紧固，控制螺栓头向左，以檩托紧固，螺栓头向下，完成全部支架预拼[6]。并使用夹具安装，要求契合彩钢瓦，位置与间距结合实际调整，靠近檩条、横梁等构件，以免遮挡屋面采光。夹具安装后抽检安装质量，合格后安装导轨，受限于彩钢瓦承载力，避免集中堆载安装，控制单次吊运重量，分散摆放、分批吊放。并在导轨与夹具间使用T型螺栓固定，保证螺栓型号匹配导轨，如果导轨长度不足，以拼接件连接，两端插入导轨导槽内，且在连接中预留伸缩缝2mm。支架安装后，检查檩条、支架立撑等安装正确性，以锤球调整垂直度，保证支撑中心线平行于地桩中心线；以水平管或水平仪检测檩条水平度、对角线误差等，如有偏差纠正抱箍位置，以扳手紧固全部螺栓、夹具。

3.3组件安装技术

光伏组件安装中，主要采取压块安装与夹具安装模式，均能固定光伏组件边框。其中，压块安装选用特制导轨为檩条，利用光伏压块固定光伏组件；夹具安装则选择方管檩条，无需打孔加工，组件间留有通缝缝隙，多用于有防水要求建筑。该工程使用压块安装方式，先施工边压块，后施工中压块，沿纵向进行安装，对组件间隙严格控制，保证安装顺直。并且，安装过程中，工人禁止踩踏组件表面，或是放置安装工具，时刻注意组件临近正负极，便于后期电气连接。

3.4汇流箱安装技术

在汇流箱安装前，考虑屋顶光伏电站处于露天环境，选用户外型汇流箱，防水防尘等级超过IP65，技术指标符合合同及设计文件要求，内部连接线紧固、元器件完好。并在安装前断开汇流箱熔断器与开关，进出线孔密封封堵，以免灰尘或雨水进入其中。安装过程中，确定安装位置，利用镀锌固定螺栓与支架，将其牢固，控制垂直度偏差在15mm以内，接地线截面符合要求，出线端、进线端与接地端绝缘电阻满足规定要求，电缆串接前确认组串状态。

3.5逆变器安装技术

在逆变器安装前，检查外观不漏雨、完好无损；基础底座达到设计强度；设备规格型号正确无误；机具已就位；场地畅通无阻，空间充足。安装调试中，基础底座需超出地面100mm，有明显可靠接地，安装位置、方向符合要求，与基础底座间牢固可靠。并以专用接地排接地，对于金属盘门使用金属架构、接地软导线或接地排。并在电缆接线前，确认汇流箱有断开点，绝缘良好、电极正确，校对电缆相序、电缆绝缘。完成电缆接引后，电缆管口与预留孔洞进行封堵。

3.6电气安装技术

屋顶分布式光伏电站建设中，主要由逆变器、光伏阵列、并网箱、并网计量电器与数据采集器构成，见图3。

直流侧选用光伏专用电缆，交流侧结合逆变器容量确定出线。施工过程中，直流电缆槽盒假设在光伏支架上，对其架空布设，避免内部积水，对于横跨道路电缆则需要套上镀锌管。接地防雷方面，根据项目25年生命周期要求，对于Q235钢材进行镀锌处理，厚度约65m，且进行阴极保护，多使用螺栓焊接，涂抹丙烯酸、环氧树脂等优化连接。此外，屋面方阵面积较大、组件边框为铝合金，使用金属材料固定，容易遭受雷击，设置垂直、水平接地网接入屋顶，控制接地电阻<4Ω，布置等电位线及等电位垫片。并网柜与逆变器就近接地，新增接地电极埋深约0.6m。

图3 发电系统示意图

3.7发电效果

根据统计数据，上网店家0.37元/k W·h，自用电价0.5元/k W·h，每年发电量上网收益见表2。

表2 发电效益

以160.08万k W·h年均发电量为依据，计算年均收益，可知，自用比例越高收益越高，全额上网收益最低，长期收益较为可观。并且，太阳能发电不会生成温室效应气体，加上节水、节能原料使用，落实环保思想，有效减少资源浪费，每年可减少二氧化硫、二氧化碳、粉尘等排出量，缓解周围环境污染。

4、结论

综上所述，全球能源危机下，太阳能作为潜能无限的清洁能源，必须加快推动光伏电站发展，建设安全高效、低碳清洁现代能源。因此，在工业建筑中，为保证供电稳定，可采取分布式光伏电站，结合实际情况，从运输材料、支架安装、组件安装、汇流箱安装、逆变器安装、电气安装这几方面出发，把控施工关键环节，从而提高工程质量。

参考文献:

[1]张建.分布式光伏电站发电效率提升策略研究[J].光源与照明,2023(10):121-123.

[2]杨洪雷.分布式光伏电站运维管理与发展趋势[J].上海节能,2022(09):1137-1142.

[3]吴振南,邵增会,许继峥.住宅楼屋顶分布式光伏电站安装型式对比分析[J].中国资源综合利用,2022,40(09):59-61,86.

[4]赵雨,籍楚雄,朱艳燕.基于AutoCAD的分布式光伏电站设计软件的介绍[J].太阳能,2022(04):128-132.

[5]齐文瑾,王海华.分布式光伏电站消防隐患以及防火技术措施[J].科技创新与应用,2019(11):159-160.

[6]任建龙,姜欣蔚,胡靖宇.不同类型农村屋顶结构的分布式光伏电站建设方法分析[J].绿色科技,2019(04):131-132,134.

文章来源:刘魁华,张焱.工业建筑屋顶分布式光伏电站施工关键技术[J].价值工程,2024,43(35):107-109.