屋顶光伏发电系统的经济及环境效益研究

张臻宇，杨国华，车 超，赵文群

(宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021)

屋顶光伏发电系统的经济及环境效益研究

张臻宇，杨国华，车 超，赵文群

(宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021)

光伏发电作为传统能源替代者具有着其特殊的优势。屋顶光伏发电系统是解决城市光伏发电用地受限问题的有效方法。首先提出单位供电成本、净现值、单位减排效益三个分析指标;其次研究屋顶光伏系统的经济及环境效益并建立计算模型，最后应用Pvsyst软件对案例进行年发电量仿真，并应用模型进行计算与指标分析。结果表明，屋顶光伏发电系统在城市环境中应用具有较好的经济及环境效益。

屋顶光伏发电系统;经济效益;环境效益;Pvsyst

0 引言

太阳能是储量最为丰富的可再生能源，其具有无污染、储量巨大、普遍性、可持续性以及逐渐显露出的经济性等优点，开发潜力大，应用前景广阔。我国太阳能资源储量丰富［1］。根据我国的太阳能资源分布来看，我国大部分地区都适宜发展太阳能光伏产业，而我国城市中，人口稠密土地紧缺，屋顶光伏发电系统成为地面光伏电站的替代者。由于屋顶光伏系统的前期建设投入大，收益计算复杂等原因，城市屋顶光伏系统的发展受到了一定的限制，所以对其进行经济效益和环境效益的分析具有着重要意义，能为之后屋顶分布式光伏系统的设计建造提供参考。国外学者Seng Lim Yun等对马来西亚建筑光伏系统进行分析［2］。张鸣等研究了南京的一套建筑光伏系统的经济效益和环境效益［3］。罗凤章等学者对光伏发电工程的低碳总和效益进行了模型研究［4］。从目前已有研究来看，我国对光伏并网发电工程的综合效益研究大多是针对大型光伏发电系统进行，对城市屋顶光伏系统的综合效益分析并不多见。

建立了屋顶光伏系统的经济效益及分析模型，定量评估了各类因素影响下，屋顶并网光伏的建设成本与经济回报。同时，定量分析了其环境效益。

1 屋顶光伏系统经济效益分析

屋顶光伏系统总经济成本C包括系统成本、运行维护费用。因屋顶光伏系统使用建筑屋顶平面作为设备安装区域，不额外占用土地，所以这里不考虑土地成本，即:

其中，系统成本C1可表示为:

式中:P0为光伏系统装机容量;qn(n=1，2，3，4，5)为不同设备特定价格，表示每装机1kWp不同设备特定价格，1～5分别代表光伏组件、逆变器、支架、运输安装及蓄电池;k为规模因数，其随着装机容量的扩大而变小。运行维护成本包括在整个运行周期内的维护成本及设备损坏更换成本。其中考虑到资金具有时间价值，将维护成本折算为成本现值。

式中:j1为整个周期内年运行维护费用系数;j2设备损坏更换费用系数;i折现率;t设计使用年数。

1.2 屋顶光伏系统经济收益

屋顶光伏经济收益Y为节约电费支出Y1与分布式光伏发电项目补贴Y2之和

2017年取消药品加成后病人人次虽然上升，但是总费用和次均费用均下降, 取消药品加成前后次均住院费用存在显著差异，同比次均费用下降2200元，下降11%(表1)。

设第t年的发电量为Gt，则Gt可表示为［5］:

式中:Ht为全年峰值日照时间;R为系统性能参数; d为系统年衰减率。假设居民用电电价保持固定变化率，则在设计周期内节约电费支出Y1可表示为:

式中:a1为系统第一年当地电价，i＇为平均年电价变化率。目前，国内分布式光伏并网发电项目的补贴价格r根据所在地有所区别，获得Y2可表示为:

1.3 经济效益评估

本文采用单位供电成本及投资回收期两个指标来进行经济效益的评估。

(1)单位供电成本

单位供电成本Cper为总成本Caii与设计周期内总发电量的比值，其与当地电价的差值是评估该光伏系统经济效益的一个参考。即:

(2)净现值

净现值为经济收益Y与初始总成本C之差，其大小可作为评估光伏系统经济效益的参考。

2 屋顶光伏系统环境效益

光伏系统在建造安装之后运行期中基本没有污染物的排放，能减轻传统能源发电对环境造成的压力。因为光伏系统寿命基本都在20a以上，其环境成本即为光伏设备在制造运输安装阶段所消耗的大量能量带来的环境污染、有害物的排放等。本文以燃煤发电为对比，进行全周期内单位减排效益的计算从而分析屋顶并网光伏系统的环境效益。

以燃煤发电来替代某屋顶并网光伏系统在全周期内的发电总量所造成的环境成本为A1;该光伏系统在全周期内建造安装运行等所造成的环境成本为A2，则全周期内单位减排成本R为:

表示光伏系统在全周期内，每1kWp装机容量相对传统燃煤发电所产生的环境效益。

3 案例分析

案例为地处西安市的某高层住宅屋顶并网光伏发电系统，其屋顶可用于光伏系统使用面积约为240m2，计划装机容量20kWp，项目所在地位于年太阳总辐射量为5334.19MJ/m，年日照时数达到3218.80h，根据《太阳能资源评估方法》(QX/T 89－2008)，按照太阳能资源丰富程度等级划分，属于资源很丰富带。采用固定式安装方式，光伏电池朝向为正南，安装倾角为35o为最佳倾角［6］。光伏电池组件为多晶硅组件，尺寸:长×宽×厚=1640mm ×992mm×35mm。组件的转换效率为16.3%，使用寿命取20a。

3.1 参数选取

(1)在系统的建造安装过程中，不同设备的成本不同，并会随着装机容量的变化而改变。标准情况下，取qn(n=1，2，3，4，5)分别为5000、1500、1000、500元/kW。在本项目中光伏系统发电并入小区局域电网自发自用，不安装储能设施，q5=0。规模因数k取0.9。

(2)运行维护成本包括日常对系统的维护以及设备损坏后的更换，在光伏系统全寿命周期内运行维护系数j1设为0.5%;j2为0.2［7］。

(3)项目所在地电价为0.49元/(kW·h)。政府补贴按照0.42元/(kW·h)的标准，并享受省级财政1元/W一次性建设补贴［8］。系统设计运行周期20a，发电效率年衰减率5%。

3.2 综合效益分析

3.2.1 经济效益分析

Pvsyst是一款专业的光伏设计辅助软件，可根据输入的系统各项参数模拟系统发电量。计算得出该系统年发电量27894(kW·h)，如图1所示。

图1 系统年发电量模拟结果

结合仿真年发电量，根据式(1)～(7)计算得出该光伏系统经济成本与收益构成如表1所示。

表1 该光伏系统经济成本与收益构成元

从式(8)得，单位供电成本0.51元/(kW·h)，与居民用电电价差价仅为－0.02元/(kW·h);整个系统净现值14239元。当地分布式光伏发电补贴为0.42元/(kW·h)、一次性建设补贴1元/W，该项目经济收益指标与使用传统电网电力差别很小，并不会对用户使用造成经济负担。如果国家对分布式光伏发电项目的补贴力度加大，则该项目在运行周期内还能够带来更大的经济效益。

3.2.2 环境效益分析

光伏系统在制造阶段要消耗大量能量［9］。可计算出该系统初始能量投入约为59406(kW·h)，系统净发电量为507504(kW·h)。按照我国现阶段平均供电煤耗345g/(kW·h)，该系统在寿命期内节约175t标准煤。该项目污染物减排量如表2所示［10］。

表2 污染物减排量kg

从式(9)计算得到，产生的单位减排成本为2.7元/Wp。表示该系统装机容量每Wp相比传统燃煤发电能够节约2.7元的环境治理成本，系统在运行期间能较快回收在制造过程所消耗的能量，并能减少污染物排。

4 结语

对屋顶光伏系统的经济及环境效益进行了分析，给出了计算模型。并针对某屋顶光伏系统进行了计算得出结论:该系统供电成本与居民用电电价差价为－0.02元/(kW·h)，不会对居民使用造成经济压力。系统净现值14239元，说明该系统具有一定的经济收益;建筑光伏发电系统在运行期间能较快回收在制造过程所消耗的能量，并能减少污染物排放。相对于燃煤发电，该系统寿命期内减少47.4t污染物排放量，环境效益显著，具有广阔发展前景。与地面光伏电站相比，屋顶光伏系统在城市环境中具有其特殊优势，例如能够节约用电，减少输电距离降低输电损耗等。

［1］国家发展和改革委员会.可再生能源中长期发展规划［J］.可再生能源，2007，25(5):1－5.

［2］Seng Lim Yun，Lalchand G，Lin GMS.Economical，environmental and technical analysis of building integrat－ed photovoltaic systems in Malaysia［J］.Energy Policy，2008，36(6):2130－2142.

［3］张鸣，蔡亮，虞维平.BIPV系统经济性分析［J］.应用能源技术，2007，(11):1－4.

［4］罗凤章，米肇丰，王成山，等.并网光伏发电工程的低碳综合效益分析模型［J］.电力系统自动化，2014(17):163－169.

［5］杨金焕.光伏系统能量偿还时间的分析［J］.上海节能，2010(1): 11－14.

［6］Yang Jinhuan，Mao Jiajun，Chen Zhonghua.Calculationof solar radiation on variously oriented tilted surface andoptimum tilt angle［J］.Journal of Shanghai JiaotongUni－versity，2002，36(7):1032－1036.

［7］朱群志，司磊磊，蒋挺燕.不同安装方式建筑光伏的经济性及环境效益［J］.太阳能学报，2012，1(1):24－28.

［8］陕西省人民政府.关于示范推进分布式光伏发电实施意见(陕政发［2014］37号)［EB/OL］.http://www.shaanxi.gov.cn/0/103/ 10703.htm，2014－12－04.

［9］Bernal－Agustin J L，Dufo－Lopez Rodolfo.Economical and environmental analysis of grid connected photovoltaic sys－tems in Spain［J］.Renewable Energy，2006，31(8):1107－1128.

［10］孙可.几种类型发电公司环境成本核算的分析研究［J］.能源工程，2004(3):23－26.

Study of economic and environmental benefits analysis of roof photovoltaic system

Photovoltaic(pv)power generation as alternatives to traditional energy sources has its special advantage.Roof photovoltaic system is the effective method to solve the problem of urban land for photovoltaic power generation limited.First，proposed three analysis indicators include unit power supply cost，net present value and emissions reduction benefits.Second research roof pv system of economic and environmental benefits and establish the calculation model.Finally，use Pvsyst software to produce simulation case，and applies the model to calculate and index analysis.The results showed that the roof photovoltaic power generation system applied in the urban environment has better economic and environmental benefits.

roof photovoltaic system;economic benefits;environmental benefits;pvsyst

F426

B

1674－8069(2016)04－053－03

2016-03-11;

2016-04-09

张臻宇(1991-)，男，在读研究生，研究方向为电力系统通信技术。E－mail:284353875@qq.com

国家自然科学基金资助项目(71263043);宁夏自治区自然科学基金资助项目(NZ12140)