浅析光伏屋顶效益及发展所面临的问题与对策

2012-01-31梁文菁

绿色科技 2012年7期

梁文菁，陈进

（华东交通大学，江西南昌 330013）

1 引言

继工业能耗、交通能耗之后，建筑物能耗也成为了我国三大能耗大户之一。但在目前我国现有建筑物中只有4%采取了节能措施，我国建筑物单位面积的能耗是发达国家的3倍以上。如果对此不采取强效有力的政策措施，那么再过10年我国建筑能耗将会是现在的3倍以上。因此，建筑节能工作对我国而言是十分迫切而又艰巨的任务。

1991年，光伏建筑一体化作为太阳能发电的一种新概念被正式提出，它是指将光伏系统与建筑相结合，利用太阳能发电来提供建筑自身用电或并网为电网供电［1］。

2 太阳能光伏建筑一体化

光伏建筑一体化（Builiding Itegrated Photovoltaic，BIPV）绝不是简单的光伏与建筑物的叠加，而是使光伏系统成为建筑物有机组成的一部分。其中最关键的是光伏系统与建筑物无论是在设计上，还是在施工和制作以及安装上都要一体化，并在建筑完成后同时使用，后期经营管理要同步实施。并且作为建筑领域的新系统，光伏建筑一体化使得建筑物不仅具有传统建筑物的外围护的功能，而且还具有能产生能源供给建筑使用的功能，能满足节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求。

3 光伏与屋面一体化系统

据统计，截至2008年，中国房屋总建筑面积约500亿m2，其中城市房屋160亿m2，住宅面积100亿m2；农村住宅面积大约160亿m2。城镇住宅屋顶可利用面积10亿m2；农村住宅屋顶可利用面积40亿m2，共计50亿m2，假如这其中的20%安装太阳光伏方阵就会发电100GWp。这是一个非常巨大的市场潜力。由此可见，太阳能光伏屋顶系统是BIPV系统最好的模式［2］。

3.1 国内外发展状况

“屋顶计划”即光伏发电系统与建筑物结合的早期形式，是由德国率先提出。1997年，美国和欧盟先后宣布开展“百万太阳能屋顶”计划以后，用户光伏系统得到了迅速的发展［3］。

在我国，上海、江苏等地率先较大规模地建设“光伏屋顶”，实施“屋顶计划”示范。上海的“十万屋顶计划”分为两期进行，2006年开始，前5年为一期，计划完成1万个光伏屋顶工程；后5年为一期，计划完成9万个屋顶工程［4］。

3.2 光伏屋顶的特点

（1）光伏屋顶没有地域的限制，没有资源无枯竭的威胁存在。太阳能资源遍及全球，完全没有地域限制。我国地势优越，平均每天每m2接受到的太阳辐射能在4～6kW·h。光伏屋顶在－45～60℃都能工作。

（2）节能环保。光伏屋顶采用的能源是太阳能，是可以重复并无污染的能源，节能减排效果明显。

（3）光伏屋顶的适用范围广泛。光伏屋顶可以适用于写字楼、医院、宾馆饭店、学校、民用住宅小区等。

（4）光伏屋顶的占用空间小。光伏屋顶直接利用原建筑的屋顶空间，并无占用多余的空间。尤其在人口密集地区，屋顶可以使光伏发电系统不用额外占用昂贵的土地。

（5）高效。光伏屋顶从获取能源到利用能源直接花费的时间较短，电能损失较小，使用效率高。

（6）促进了屋面技术的发展。例如，发达国家正在推广的光伏电池薄膜复合在SBS改性沥青防水卷材上的光伏沥青卷材、光伏电池薄膜复合在瓦材上的光伏瓦，以及光伏电池薄膜复合在高分子防水卷材上的太阳能高分子卷材。这项新技术使得屋面在防水、保温隔热等基础上又增加了新的功能。

4 光伏屋顶的经济效益与社会效益

4.1 经济效益

我国太阳能资源总体上十分丰富，有2／3的地区全年日照时数超过2000h以上。我国的拉萨太阳辐射强度最大，哈密年平均日照时间最长，即使在世界范围内这两座城市也是太阳能资源非常丰富的地区。由此可见，我国有着利用太阳能的优越条件。

本文假设以在鄱阳湖地区采用光伏屋顶为例。该光伏屋顶上安装49kWp太阳能BIPV系统。系统采用的太阳能电池列是由Schott Sola生产的ASE－100－GT－FT型电池组件组成，每块板的面积均为0.826m2，共40块，光电转换率为11.5%。该系统所产生的电能通过双向逆变器满足接待处部分家电用电需求。当太阳能不足以满足负载需求时，由市电供给负载的需求。

光伏系统经济分析使用动态平直供电成本作为评价该系统的供电技术经济性指标。该分析方法是将供电系统在整个寿命周期内发生的各项费用全部折现，再用等额分付因子分摊至系统运行期间内的各年，然后除以系统的年发电量，得到该系统的动态平直供电成本。本系统使用的组件寿命为25年，因此采用25年作为经济分析的周期。

4.1.1 确定系统的年发电量

（1）确定年平均太阳辐射总量。鄱阳湖位于长江中下游南岸东经115°49′～116°46′、北纬28°24′～29°46′之间，该地区年平均辐射总量约为4700 MJ／m2·年。理论发电量＝4700 ×0.826×40×0.115／3600 ＝4954 kW·h。

（2）确定实际发电效率。太阳电池板输出的直流功率是太阳电池板的标称功率。在现场运行的太阳电池板往往达不到标准测试条件，输出的允许偏差是5%，因此，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.95的影响系数。随着光伏组件温度的升高，组件输出的功率就会下降。对于晶体硅组件，当光伏组件内部的温度达到50～75℃时，它的输出功率降为额定时的89%，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.89的影响系数。光伏组件表面灰尘的累积，会影响辐射到电池板表面的太阳辐射强度，从而影响太阳电池板的输出功率。据相关文献报导，此因素会对光伏组件的输出产生7%的影响，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.93的影响系数。由于太阳辐射的不均匀性，光伏组件的输出几乎不可能同时达到最大功率输出，因此光伏数组的输出功率要低于各个组件的标称功率之和。另外，光伏组件的不匹配性和板间联机损失等这些因素也影响太阳电池板的输出功率，其系数按0.95计算。并网光伏电站考虑安装角度因素折算后的效率为0.88［5］。

组件实际发电效率为0.95×0.89×0.93×0.95×0.88＝0.657。

系统实际年发电量＝理论发电量×实际发电量＝4954kW·h×0.657＝3255 kW·h

4.1.2 计算总成本折现值

核算系统寿命期内发生的各项投资成本及其费用，折为现值，并将其等额分摊至系统运行期内的每一年。其中投资成本包括初期投资成本、经常性运营成本和偶生成本。初期总投资成本约为250000 元。（以下计算中取:通胀率为3%，利率为6%。）

系统的经常性运营成本就是系统的维护成本。对于并网系统而言，该成本就是每年消耗市电的费用。本系统年均发电量约为3564 kW·h。如果返回电网的电费价格以1元／kW·h计算，这样产生的平均经济效益为3255元／年。经常性运营成本＝－3564 ×（1＋3%／6%－3%）×［1－（1＋3%／1＋6%）25］＝－57263 元／年。

并网型光伏系统的偶生成本就是逆变器的维护成本，逆变器的维护成本为初始成本的20%。

逆变器的偶生成本折现值＝20000 ×0.2＝4000 元／年。

所以可得总成本的折现值为:

总成本折现值＝250000 －57263 ＋4000 ＝196727 元／年。

4.1.3 计算本系统的动态平直供电成本

动态平直供电成本＝总成本折现值年／平均发电量×经济分析周期＝196737 ／3255 ×25＝2.42元／kW·h

该光伏发电系统的成本价格大约是目前江西居民用电价格的4倍。目前，光伏发电成本过高是BIPV系统在我国发展的最主要的障碍。我国政府正在实行经济鼓励政策，对于光伏建筑一体化项目进行经济补助。推行上网电价法是促进我国光伏建筑一体化的发展的重要途径。

4.2 社会效益

由温室气体排放引起的全球气候变暖问题越来越受到全球的高度重视，保护环境、节能减排也提上了各国的议程。以每千瓦时电消耗0.4kg煤的标准，继续以鄱阳湖地区光伏屋顶为例。以该系统的一个周期25年，那么共发电81375 kW·h，即相当少用32.55t的煤。

表1为单位减排效益［6］，鄱阳湖地区的光伏屋顶环境效益分析见表2。

表1 减排系数和单位减排效益

表2 有害物质减排以及单位减排效益

总减排效益＝4926 .86＋907.2＋660＋302.5＝6796 .56元。

鄱阳湖地区的光伏屋在未来25年的使用周期内对环境的贡献如表2所示，而这些贡献折合后的总减排效益为6796 .56元。

由此可见光伏屋顶不仅可以节约能源，而且能减少有害物质的排放，实现全球提倡的“节能减排”能源战略。

5 光伏屋顶发展所面临的问题

光伏屋顶发电计划的确是为我国建筑业注入了新鲜血液，同样也为我国的房地产开辟了新天地，但为何目前光伏屋顶却难以进入平常老百姓家中？我国光伏市场为何发展缓慢呢？原因在于其具体付诸实施时困难度不小，主要表现为以下几个方面。

（1）投入成本过高。在现今条件下，屋顶发电的设备价格和电价与传统能源发电方式相比成本偏高。目前这是普及光伏屋顶的最主要瓶颈。

（2）广大群众对于光伏发电的认识不够，群众心理接受率不高。

（3）我国在光伏屋顶应用技术的研究方面，自主创新不够，市场发展缓慢，光伏产品的生产和研发也相对滞后，而且并无制度明确的光伏产品质量认证制度。

（4）既有建筑的光伏屋顶的改造难以实施。

（5）建筑从业人员对光伏建筑的认识存在不足。

6 加快我国光伏屋顶发展的建议

（1）在我国目前光伏屋顶采用独立式发电的比较多，这是非常不利于光伏屋顶的发展的。为了促使我国光伏屋顶大力发展，必须大力推进光伏屋顶的并网发电。但是，在没有解决关于并网发电的政策以前，大力推进光伏屋顶并网发电具有一定难度。就目前情况来看，再生能源尚不具备与常规能源价格抗衡的能力，今后要大力推进光伏屋顶计划采用并网发电系统，这样最科学投资效益最好，具有强操作性可持续性。目前只有实施“上网电价法”。所谓上网电价是指发电企业与购电方进行上网电能结算的价格，而科学制定上网电价更是凸显得十分重要。对于如何科学制定上网电价现给出如下几点建议。

①对上网电价区别对待。虽然我国日照资源丰富，但地域辽阔，因而在不同地区的日照时间也是长短不一，受其影响我国各地接收的太阳辐射量也各有不同，并且东西部地区的建设成本差别同样存在差异。因此，在制定上网电价时应考虑地区日照差异，并根据不同地区资源条件的差别合理制定上网电价。

②对上网电价实行逐年递减。

③建立光伏并网发电的电价补贴基金。

④依法建立相应的监管机构，保证上网电价补贴政策的落实。

（2）制定行业统一标准。要使光伏屋顶在我国得到全范围的推广、稳健的发展，就必须制定统一的行业标准。因而，制定并确立长远的产业发展规划、制定相应的保障机制，是光伏屋顶在我国如雨后春笋般地发展的强力后盾。

（3）加大宣传力度，扩大社会影响力，提高人们对光伏屋顶的认识度，以调动社会各方积极性。要采取多种形式，大力宣传发展光伏屋顶的优越性，并且宣传国家对发展光伏屋顶的方针和优惠政策，有计划地组织从事光伏屋顶技术和管理人员进行培训，积极开展群众性的光伏屋顶科普宜传教育活动，奖励在发展光伏屋顶事业中做出成绩和贡献的人员。

（4）光伏屋顶的推广中央政府要起到良好的向导作用，各个地方政府也要根据中央政府的推广政策，因地制宜制定具有地域特色化的推广政策。

（5）政策扶持。在项目初期给予资金、信贷等方面的政策支持；研发光伏技术和光伏产品给予资金、技术引进等方面的政策支持；对于在运行的光伏屋顶项目给予税收等政策支持。

（6）加强光伏屋顶后期的运营管理。譬如引入智能建管平台，实现数据的监测与传送的一体化，及时了解光伏系统的运行状况，确保光伏屋顶系统安全、稳定、高效运行。