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整县光伏政策下的屋顶光伏与光电建筑:技术要点与发展趋势

国家能源局近期发布的《关于报送整县〈市、区〉屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》引发市场热度升级,分布式光伏成为市场焦点。整县光伏政策按照“宜建尽建”的原则,明确了基于政府机关建筑、公共建筑、工商业屋顶和农村居民建筑四大类建筑屋顶光伏的面积比例。二十余个省份文件快速推进,央企及民企等市场主体的积极性得到极大的激发,市场规模预期达到万亿级别。

整县光伏政策鼓励屋顶分布式光伏项目的规模化推进,为行业带来新的改变与机遇。分布式屋顶光伏长期以来因为项目分散、规模化效应小、政策波动等原因,装进进展相对缓慢,未能形成真正意义上的规模化。结合当前的“双碳”目标,分布式光伏急需加速。相比于过往的局部探索,整县光伏政策更加强调分布式屋顶光伏的规模化部署,在工程落地实施时应从政策、机制、技术解决方案、商业模式等方面进一步探索,尽快将发达地区及龙头企业的解决方案优化并普及。

技术解决方案是推动屋顶分布式光伏推进的基础。与集中式地面光伏站不同,整县光伏政策鼓励的分布式屋顶光伏更加侧重建筑技术与光伏技术的结合。光伏与建筑的结构、给排水、暖通空调、电力系统的深度结合是本轮整县光伏的发力点,特别是光电建筑相关的一体化技术尤其值得研究与关注。下文将梳理整县光伏政策下分布式屋顶光伏的技术要点及光电建筑未来的发展趋势。

整县光伏政策下分布式屋顶光伏9大关键技术要点

整县光伏大规模部署过程中应关注市场平均水平,保障与安全相关的兜底性关键件技术的合理应用。落基山研究所针对项目的安全性与基本质量,总结了以下9大关键技术要点:

1.    结构安全:

屋顶分布式光伏项目的结构安全性尤为关键。整县光伏政策不但涉及了过往分布式光伏项目常见的厂房与住宅屋顶,同时也覆盖了公共建筑的屋顶。县域内屋顶构造多种多样,应按需调整设计,保证项目的结构安全。特别是医院等复杂公共建筑,屋顶情况较为复杂,应在荷载结算和设防等级等方面开展可行性研究。针对不同气候区和不同的设防烈度,应特别考虑雪荷载、抗震设计等注意事项,并开展光伏轻量化研究。

2.    防火:

防火设计也是屋顶分布式光伏项目的重中之重,特别是在整县推进的政策下,整个区域大面积安装分布式屋顶光伏时必须重视消防安全。光伏火灾主要原因由热斑效应和直流电弧引起,应以“预防为主,防消结合”为原则,从电压等级、可燃物累积、自身散热、电气发热和整体耐火性能等层面开展防火设计,设置故障关断系统,并结合建筑整体功能布局、安全疏散系统、建筑消防设施及防火隔离设施等体系加强屋顶分布式光伏项目的防火措施。

3.    防雷:

在开展屋顶分布式光伏项目过程中,建筑物防 雷设计可减少雷电带来的各种灾害。行业内常用的屋顶光伏阵列容易受到雷电引起的过高电压影响。为保证光伏发电系统的运行安全,必须设置良好的避雷、防雷及接地保护装置,与建筑本身的防雷系统共同做好防直击雷和感应雷的措施。

4.    防跌落:

根据项目所在气候区,在屋顶分布式光伏项目设计过程中应充分考虑台风、暴雨、地震等极端气候因素,并开展防风抗拔设计,防止屋顶光伏组件跌落伤人。特别是在整县光伏政策下,部分项目涉及高层、超高层建筑,需预防高空坠物事件的发生,加强防风支架和配重设计,抗风能力需达到规范要求。

5.    防渗漏:

建筑屋面如因分布式光伏导致渗漏,将严重影响项目的整体质量,因此防渗漏措施是整县光伏推进过程中的关键点。特别是公共建筑的屋顶,其工程做法一般涵盖结构、找平、找坡、防水、保温、隔离、保护等7层做法,应按照建筑的防水等级、屋顶防水分区、找坡方向等因素调整屋顶分布式光伏的工程做法。屋顶光伏防渗漏应以“宜导不宜堵”为原则开展有组织排水,基座不与原屋面的结构层发生关系,应尽量保全原屋面的防水层,防止发生渗漏。

6.    发电效率:

相比于建设在开阔场地的集中式光伏,县域分布式屋顶光伏应注重建筑间距、遮挡、油烟等问题,以免影响光伏的发电效率。涉及到超高层建筑时,应注意屋顶直升机停机坪与屋顶光伏的相对关系。同时,应关注屋顶光伏耐候性,避免腐蚀、暴雨冲刷、鼠虫叮咬等因素降低发电效率。

7.    施工时序:

本轮整县光伏政策涉及大量既有建筑的分布式屋顶光伏安装,在施工时应注意配合建筑运行规律,降低施工对居民、学生、工人、工作人员、就医人员的影响。特别是在已运营的学校、医院等公共建筑屋顶开展施工时,应避免在考试周期和就医高峰期施工,并注意控制施工扬尘、噪声、垃圾、光污染等因素的负面影响。

8.    清扫维护:

局部严重积灰不但影响设备运行效率,还将导致热斑效应,造成局部发热,引发火灾隐患。因此,屋顶分布式光伏的清扫维护是保障项目正常运行不可或缺的一部分。在清扫维护时,应首要保证开展清扫作业的人员安全,确保屋面为可上人屋面结构,同时确保设备在清扫期间断电关停,并积极开发推广巡检机器人和清扫机器人,提高清扫维护质量。

9.    光电消纳:

在整县推进过程中,光伏发电应以自发自用,或在同一110千伏变电站范围内就地消纳为基本原则,项目设计应充分考虑负荷现有情况和未来发展潜力,避免一昧追求项目规模;无法就近消纳的光电应在设计阶段考虑配备响应的储能设施或相关的能源转换策略。

整县光伏政策下光电建筑5大发展趋势

随着整县光伏政策的实施,下一阶段的工作应更加注重提升分布式光伏项目实施的效率和质量,加强与其他系统的兼容性。落基山研究所基于对市场的研究与观察,总结了以下5大发展趋势:

1.    标准化:

随着分布式光伏的发展,特别是在整县光伏政策的推动下,法律法规与规范的出台势在必行。国家住建部将针对光伏材料的安装、光电系统与建筑衔接的构造节点、光伏系统的消防措施等系列问题出台相应的法律法规,规范光伏应用,保证光伏产品、技术措施、设计方法等方面的标准化。

2.    一体化:

分布式光伏与建筑、储能、控制系统的结合,形成一体化解决方案,是目前的主要技术发展方向。相比于传统的直接并网分布式光伏,一体化系统与建筑动力系统兼容,形成能源消费侧的光电建筑集成系统,通过对负荷侧的优化控制,将建筑打造成可调节的用能终端。

光电建筑并网光伏系统和光伏储能一体化系统示意图
来源:落基山研究所
3.    智能化:

随着建筑技术的发展,在不远的未来我们将能够像制造智能手机一样建造智能光电建筑,而分布式光伏技术将是关键技术之一。智能化的光电建筑不但具备电网友好型的负荷形态,同时具备足够的能力及灵活性为电网提供服务,降低电网在需求峰值时的压力。交互式光电建筑将支撑建筑更智能、更灵活、更积极地参与电网的动态运营。

普通建筑、节能建筑、光电建筑、交互式光电建筑
负荷曲线示意图
来源:落基山研究所
4.    区域化:

在整县光伏的政策下,屋顶分布式光伏项目将结合农光互补、渔光互补、储能技术、智能微网等系列技术,形成以源荷互动、智能调配的区域化可再生能源供给模式。区域化的解决方案的经济性优于单体建筑解决方案,将进一步提高光电的消纳比重。

5.    常态化:

随着整县光伏的推进,屋顶分布式光伏将常态化、常规化地融入城市规划、城市设计、区域能源规划和建筑设计流程,成为城市、市政与建筑各专业全面统筹、整合和优化的有机组成部分,为城市更新及新城新区建设的零碳转型作出贡献。

落基山研究所聚焦加速全球能源转型,致力于探索创新的全球最佳实践和有益路径。整县光伏政策的发布、量化指标的制定和落地项目的执行,展现了中国在应对气候变化、落实碳中和战略、加速能源转型方面的决心和领导力。下一阶段的工作应聚焦进一步规范市场,激发更广泛的市场主体的积极性,引导更大规模、更先进、更全面的技术应用和创新。