摘要：进入21世纪后，我国城市人口逐年激增，对能源的需求也越来越高，清洁且相对廉价的太阳能，则符合可持续发展的国策。商业地产作为城市重要的组成部分之一，其电能的消耗颇为巨大，因此光伏发电在商业地产领域内开发和利用的前景十分广阔。本文首先分析了的光伏发电在上海地区的适用性，并以宝华帝华商业广场为例，对光伏发电设备投入运营后产生的收益，以及在实际安装维护过程中面临的技术问题和解决方案进行论述，研究成果可为行业提供参考。

关键词：商业地产;光伏发电;技术问题;解决方案;综合收益

1、上海地区的日照条件

上海位于江海交汇的长江三角洲东部，属于东亚季风盛行的北亚热带地区和北亚热带季风气候。上海的太阳能资源为三类地区，其日照年辐射量约为5000兆焦耳/平方米/年，年日照时间为1390小时，太阳日均辐射量7月最大，为18.61兆焦耳/平方米/天;12月最小，为9.29兆焦耳/平方米/天。

2、宝华帝华商业广场概况

宝华帝华商业广场位于奉贤青村镇，总建筑面积约30万平方米，其中商业建筑面积11万平方米，由多栋独立建筑组成的商业综合体。该项目于2019年10月完成了光伏发电系统的安装工作，光伏组件均安装在商业建筑屋顶，共计16栋，采用砼加碳钢支架安装高效多晶标准太阳能组件。整个项目供需要安装4500块330W高效多晶硅光伏组件，采用斜角为22°，可实现最佳发电利用率。

3、光伏发电的综合收益

光伏发电站由光伏组件、逆变器、支架系统、交流配电柜、交直流线缆等组成。所有逆变器通过交流汇流箱接到并网柜后经计量柜接到用户低压配电柜，优先供内部消耗，多余电量向电网反馈，目前已正式投入使用超过一年，产生的综合收益如下：

3.1 经济收益

该项工程造价650万元，首年维修保养费约30万元，之后逐年递增3%，使用寿命为25年，全寿命周期总成本约1700万元。2020年实际年发电量为158.75万千瓦时，同比2019年电费减少约150万元。考虑到光伏组件的衰减，预计第二年发电量减少2%，之后逐年递减0.6%，全寿命周期内累计发电量预计约3600万千瓦时，按商业电价0.98元/千瓦时计算，扣除总成本后，累计收益约为1800万元，较为可观。

3.2 环境收益

我国目前主要发电方式为火力发电，根据环保机构统计的数据称，每产生1千瓦时的电，就要消耗0.35公斤煤，并且产生0.0263公斤的二氧化硫、0.0131公斤氮氧化物以及其他有害气体。而该项目全寿命周期内预计发电3600万千瓦时，累积减少1.26万吨的煤炭消耗，符合可持续发展的国策。

4、光伏发电主要技术问题和解决措施

光伏发电容易受到环境和天气的影响，且占地面积大，其光伏组件较为脆弱，对于维修保养技术人员的要求高，因此在设计安装及后期运维过程中，往往会遇到诸多技术问题需解决，以宝华帝华商业广场为例，主要技术问题和解决措施如下：

4.1 日照角度不佳并存在遮挡

光伏组件均安装在16栋商业建筑屋面，随着日照角度的变化，发电效率时高时低。同时各建筑高度差别较大，酒店及公寓高于商场，产生不同程度的阴影，造成热斑效应，被遮挡的光伏组件输出功率变小，影响发电量。

解决方案：据分析计算，如果光伏组件与阳光入射角度每存在5°的偏差，就会因垂直射入的辐射能减少而使光伏组件的输出效率下降2%左右，这因为光伏组件阵列的发电量与阳光入射角度有关，垂直时接收到的太阳辐射量最大，其发电量最大。因此可将光伏组件的固定式支架更换为双轴自动跟踪式支架，通过两个旋转轴的运动，同时跟踪太阳的高度角与方位角的变化，可以使太阳入射角小于1°。考虑到成本因素，跟踪控制采用步进跟踪的方式，即每隔一段时间调整一次跟踪角度使光伏阵列垂直于当前太阳入射角，角度误差小于±0.5度。同时由于倾斜角的改变，减少了遮挡的面积，降低了建筑阴影对光伏组件输出功率的影响。经测试，22片光伏组件6月晴天发电量由17.89瓦时/日提升至23.48千瓦时/日，发电效率提升31.2%。

4.2 防雷系统不满足保护需求

本项目光伏发电站为后期新增屋面设施，不在原有建筑防雷系统保护范围内，且光伏组件边框为铝制，支架为钢结构构件，因此遭受雷击的可能性较大。雷电对于光伏发电站的危害方式主要有直击雷、感应雷以及雷电波侵入，根据分析结果，本项目采取了以下应对措施：

4.2.1 直击雷防护措施

直击雷可以直接落到光伏组件、配电线路、逆变器、汇流箱等处，其电流峰值可达上百千安，击中时将产生热效应、电效应和机械力，并对设备设施造成破坏。由于光伏发电站的面积大，需架设多个接闪杆才能满足保护范围的要求，考虑到接闪杆不仅成本高昂，其阴影还会遮挡光伏组件，影响发电效率。因此该项目的每个屋面仅在光伏电站中心位置新增一处接闪杆，将保护范围外的光伏组件边框和支架接地，形成一个或多个不大于24米×24米的矩形接地网络，并确保接地电阻小于4欧姆。该方案既能减小系统的总接地电阻，同时又通过矩形接地网络形成一个等电位面，可以显著减小直击雷在各设备之间所产生的过电压。

4.2.2 感应雷防护措施

感应雷由静电感应和电磁感应所形成，虽然其产生的能量远小于直击雷，但感应雷发生的可能性远远大于直击雷。光伏发电系统与低压配电系统由长距离电缆连接，雷电放电时产生的高压静电和迅速变化的强磁场将损坏设备或设备中的器件。针对感应雷，我们在光伏控制器和逆变器外加装封闭式金属外壳，在光伏控制器的进线口位置安装压敏电阻等防雷模块，光伏电缆敷设在全封闭的金属桥架并可靠接地。此类措施有效的对外界的电磁进行屏蔽隔离，防止应感应雷引起的电磁脉冲和感应高电压，为设备提供保护。

4.2.3 雷电波侵入防护措施

当线缆和金属管道受到直击雷或感应雷时，若大量电荷无法及时引入地下，则会产生脉冲浪涌，使雷电冲击波沿缆线和金属管道传播，将会损坏大面积的光伏设备。为了防止雷电波侵入，本项目采用了多级浪涌保护器的方案：第一级浪涌保护器用于泄放大电流，额定放电冲击电流大于5千安培。第二级浪涌保护器用于限压，设置在逆变器与并网接入点之间。第三级可选用防雷智能汇流箱，实现汇流功能的同时，提供防雷和过流保护。另外在每个浪涌保护器前端串联一个熔断器，一旦浪涌保护器失效时，及时断开电路，保护线路上的设备。该方案采用多级综合保护措施，逐级将雷电流降低至设备能承受的范围内。

4.3 台风对光伏电站的影响

该项目在施工期间恰逢“利奇马”台风登陆上海，最大风力高达12级，同时伴随着暴雨，对于露天安装的光伏发电站而言，无疑是严峻的考验。为了应对台风，在前期设计阶段时已制定了相应的方案。

4.3.1 抗风措施

光伏发电站的抗风能力在较大程度上取决于光伏支架和光伏组件自身配重，本项目采用抗风能力为150千米/小时的双轴自动跟踪式支架，能够承受大于13级台风的风力。另外安装防风拉杆和防护支架，保护光伏支架不被大风吹倒，并在台风到来前用铁丝将迎风面的光伏组件串列进行捆绑固定，同时用沙袋等重物增加电站配重，防止固定墩较小的光伏发电站不稳。

4.3.2 防水措施

由于商业建筑的屋面多为平屋顶，一旦暴雨持续多天、雨量过大时，建筑物本身的排水系统排水量不足，容易在屋面形成积水，而平屋顶的支架安装高度相对较低，光伏组件有被雨水浸泡的风险。本项目从设备选型以及增设排水系统两方面入手，除了选用防护等级IP68的光伏组件、逆变器、支架、汇流箱外，还通过上海市气象局公布的降雨数据，计算每栋商业建筑的雨水流量，并充分考虑积水深度，合理的增加雨水排水管道，确保屋面雨水总排水能力不小于10年重现期的雨水量。

本项目采取了上述上抗风和防水措施，并且在2019年的“利奇马”台风和2020年的“海神”台风过后，光伏发电设备并未发生实质性的损坏。两次台风过后的维修费用分别为2.3万元和3.1万元，仅更换少数配件和3片光伏组件，远低于台风专项维修预算中的11.5万和11.9万，效果显著。

4.4实际发电效率不理想

在方案设计阶段，首年6月与7月计划发电量分别为14.22万和16.95万千瓦时，而实际发电量为12.91万和15.2万千瓦时，分别降低了9.21%和10.32%。虽然光伏发电站本身的系统损失不可避免，但可以通过改善环境问题提升发电效率。

根据光伏组件晶体硅太阳电池温度特性，温度每上升1℃，最大输出功率下降0.04～0.05%，由于屋面空调外机较多，再加上阳光直射，温度最高达到55℃以上。为降低屋面温度，可利用热空气上升的原理，将部分空调外机上移，使其底部高于光伏组件上端，同时在屋面安装鼓风机，将聚集的热空气吹散，保持设备的通风良好，使屋面温度降低至43℃以下，发电效率提升约6%。

4.5 设备使用维护问题

光伏发电站的设计使用寿命为25年，合理的使用与正确的保养是系统长期稳定运行的必要条件。本项目自正式投入使用至今，也曾遇到一系列的问题，通过观察分析并结合相关技术文件进行排查和解决，以下为典型问题与解决方案：

4.5.1 逆变器重复倒秒

一般在阴雨天等光照较弱的条件下，直流输入电压较低，刚达到逆变器的启动电压，此时并网后直流输入电压降低至启动电压以下，逆变器停止并网，出现重复倒秒，为正常现象，可先暂停光伏发电系统，避免降低逆变器的寿命。若晴天出现该现象，应先查看逆变器的直流输入电压是否远高于启动电压，并进一步测量相线对地电压，从而可以确定逆变器是否存在故障。

4.5.2 电网电压过高和电网丢失

在本项目试运行期间，经常发生电网电压过高和电网丢失的情况，前者由于当多台逆变器接同一单相回路时，电网电压大幅升高，导致过电压故障。当电流不变时，电压和电阻成正比，增大导线截面积可减小电阻，因此将部分逆变器到并网点的电缆加大一级，同时采用多点并网方案，确保三相平衡，即解决了电压过高的问题。后者是由于逆变器交流侧的电压过低而导致，经排查，可在确保线路安全的情况下将自动复位过欠电压保护器以及路断路器的整定值进行调整，降低灵敏度，以避免电网丢失的现象。

4.4.2防灰堆积和腐蚀

一般建筑排风、排烟口均设置在屋面，在日常排风排烟时容易造成光伏组件表面积灰，既遮挡了阳光，又影响散热，致使发电效率降低。灰尘往往具有酸碱性，若长时间堆积，将侵蚀光伏组件表面，造成板面粗糙不平，增加了阳光的漫反射。本项目采用初效过滤的方法，在屋面排风、排烟口的防虫网前端加装防火等级A级的初效过滤网，可以过滤5um以上尘埃。另外从管理方面，安排人员定期擦拭和清洁光伏组件表面，防止灰尘堆积，同时根据需求更换滤网，避免灰尘堵塞滤网，保障排风、排烟系统的正常运行。

5、前景与展望

在近年来光伏产业发展迅速的背景下，成为了商业地产从业者的关注热点。我国有着丰富的太阳能资源，官方数据显示，现有商业建筑屋顶安装光伏发电站，其市场潜力高达1.4亿千瓦，年发电潜力超过3.2万亿千瓦时，相当于11.9亿吨煤炭的发电量。可以预见，在未来伴随着绿色建筑和智慧城市等研究逐步落实，光伏发电必将在中国商业地产中得到大规模的应用，为推动中国城市可持续发展做出应有的贡献。

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