太阳能光伏光热集热器应用效益分析

王娟婷，焦 雷

（1.山东力诺瑞特新能源有限公司，山东 济南 250103；2.山东青年政治学院，山东 济南 250103）

0 引言

太阳能作为一种重要的可再生绿色能源，在能源短缺、环境污染、“双碳”目标下显得尤为重要[1]。太阳能光伏和太阳能光热是太阳能利用的两大领域，应用产品及应用技术发展成熟，具有显著的节能减排效益，对调整我国能源结构、推动我国绿色低碳发展具有积极意义。太阳能光伏光热集热器是光伏和光热结合的产物，是同时将太阳能转换为电能和热能的设备[2]。光伏光热集热器在有限的安装面，获取更多的能量，可有效提高太阳能的综合利用率。许多专家学者对此进行了大量的研究，目前的研究主要集中在光伏光热集热器结构优化，性能提升、性能模拟计算等[3-4]，但对于光伏光热集热器系统应用成本分析、经济与社会效益分析少之又少，无法为光伏光热集热器推广应用提供可靠的参考。本文以济南市200m2工业厂房太阳能热电利用的方案为背景，设计对比方案，进行光伏光热集热器应用的成本分析、经济与社会效益分析。

1 光伏光热集热器的发展与应用

1.1 光伏光热集热器的发展

1839 年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现光伏效应，1980 年太阳能光伏板电池首次实现规模性生产，逐渐在全球得到了广泛应用。根据我国国家能源局发布的2022 年全国电力工业统计数据显示，截至2022 年年底，全国累计的发电装机容量约25.6 亿kW，同比增长7.8%。其中，太阳能光伏发电装机容量约3.9 亿kW，同比增长28.1%。太阳能光伏得到了长足发展。太阳能光伏的效率和价格是太阳能光伏系统的应用直接影响因素和限制因素。其中工作温度是影响太阳能光伏光电转化效率的重要因素，经研究发现晶硅太阳能电池的工作每升高1℃，输出功率减少0.4%～0.5%[5]。光伏光热集热器基于降低太阳能电池板工作温度，提高发电效率，同时充分吸收利用余热的目标进行设计和研究。目前。光伏光热集热器主要有三种类型，直膨式、管板式、热管式。管板式光伏光热集热器是晶硅电池片和太阳能平板集热器结合的产品，产品结构如图1 所示，该集热器通过工质循环将光伏发电产生的热量及时带走，保证电池板的温度保持在高发电效率范围内，提高组件发电效率，同时输出热水。经实验模拟和实验测定，光伏光热集热器发电效率可提高8%～12%[6-8]。该管板式光伏光热集热器的性能参数如表1 所示。

表1 光伏光热集热器性能参数表

1.2 光伏光热集热器的应用

管板式光伏光热集热器采用防冻工质循环，系统具有防冻功能，且铜流道耐压能力强，防漏防爆，适合大型阵列系统应用。通过水源热泵将热量进一步提升，输出可观的热量。因此，光伏光热集热器在电力、热水同时有需求的场景具有较高的应用价值。目前，对光伏光热集热器的深入研究多集中在产品结构改进、性能提升及系统应用的模拟计算，多为小试、中试、样板系统，我国现报道的光伏光热集热器大型系统应用较少。

分布式光伏+空气源热泵系统是最常见、且应用最为广泛的清洁能源系统，具有较高的经济和社会效益。本文以济南市200m2工业厂房太阳能热电利用的项目为背景，设计光伏光热集热器+地源热泵系统，对比分布式光伏+空气源热泵系统，以此进行光伏光热集热器应用的成本分析、经济与社会效益分析，为光伏光热集热器研究方向及应用落地提供参考。

2 成本分析

2.1 项目方案设计

该项目为济南市200m2工业厂房拟采用清洁能源进行电力和热水供应，优先自发自用，余电上网。可选的项目方案有分布式光伏系统+空气源热泵系统和光伏光热集热器+水源热泵系统。具体系统配置如下：

方案1 分布式光伏+空气源热泵系统：50 组450W 分布式光伏系统，配备有30KW 逆变器和30KW 配电柜。热水系统采用10P 空气源热泵，配备10t 方形储热水箱。该方案系统应用非常成熟，详细方案设计不再赘述。

方案2 光伏光热集热器+水源热泵系统：50 组450 瓦光伏光热集热器，配备有30kW 逆变器和30kW 配电柜，热水系统采用水源热泵收集并提升热量，配备10t 方形储热水箱。该方案光伏发电系统原理图与分布式光伏系统一致，光伏光热集热器热水系统原理图见图2，光伏光热中的循环工质吸收电池片发电余热，经水源热泵进一步提升，输出热水。

2.2 不同方案成本分析

该项目不同方案的初始投资材料清单见表2-3（单价为调研时间段的市场价，仅供参考）。

表2 方案1 系统初始投资材料清单

表3 方案2 系统初始投资材料清

根据上表可知，分布式光伏+空气源热泵系统初始投资约144 180 元，光伏光热集热器+水源热泵系统初始投资约204 068 元，初始投资增加59 888 元，相当于增加方案1 初始投资额的41.5%。以分布式光伏+空气源热泵系统为基础，分析光伏光热集热器+水源热泵系统初始投资成本增加点，见表4。根据表4，可知光伏光热集热器+水源热泵系统成本增加点主要在光伏光热集热器，占总增加成本的55%，水源热泵成本增加占总增加成本的24%，这两项占总增加成本的79%，另外人工费增加占比8%。

表4 方案2 系统初始投资成本增加点明细

3 经济与社会效益分析

3.1 经济效益分析

该项目经济效益分析的原则是将发电量及产热量按济南市平均商用电价1.0 元/kWh，计算系统经济效益。方案1 中将分布式光伏发电量全部用于产生热水，热水效益即为包含光伏及空气源的总效益，其中方案1 中空气源热泵COP 按3 计。方案2 中发电效益和热水效益单独核算，其中发电效益以较分布式光伏系统提升10%计算，热水效益按光伏光热集热器性能参数中产热功率核算，需扣除水源热泵耗电量，水源热泵COP按4.5 计。济南市峰值日照小时数为4.27h，光伏系统总效率取85%，光伏组件寿命25 年。首年年末发电功率衰减为98%，25年末发电功率不低于85%[9]。

光伏系统首年发电量=装机容量×峰值日照小时×系统总效率×365=450×50/1 000kW×4.27h/d×85%×365d=29 805.9kWh

光伏系统第二年开始的每年发电量为首年发电量与上一年年末功率的乘积。经计算，分布式光伏系统平均每天发电量为75.13kW，年平均发电量27 422.45kWh，光伏系统寿命期内发电总量68.56×104kWh。

方案1 分布式光伏系统将每日发电量，全部用于空气源热泵，转化为每天热水的热量，日平均产热量=发电量×空气源热泵COP=75.13×3=225.39 kWh

年平均产热量=日平均产热量×年天数=225.39×365=82 267.35 kWh，折合为电费，得年生产热水效益。

年平均生产热水效益=年平均产热量×电价=82 267.35×1.0=82 267.35 元

全寿命周期内净收益=82 267.35×25-144 180=191.25 万元

静态投资回收期=初始投资/年收益=144 180/82267.35=1.75 年

方案2 光伏光热集热器发电量以450 瓦光伏光热集热器比450 瓦光伏板平均发电量提高10%计算：

日平均发电量=方案1 日平均发电量×（1+10%）=75.13×（1+10%）=82.643kWh，年平均发电量=日平均发电量×年天数=82.643×365=30 164.70kWh，

年平均发电效益=年平均发电量×电价=30 164.70kWh×1.0 元/kWh=30 164.70 元

根据光伏光热集热器产热功率960W（表1），济南峰值日照为4.27h，集热器日平均产热量：50×960×4.27/1000=204.96kWh

经水源热泵提升，系统日平均产热量=集热器平均日产热量×水源热泵COP/（水源热泵COP-1）=204.96×4.5/（4.5-1）=263.52 kWh

水源热泵日平均耗电量=系统日平均产热量/水源热泵COP=263.52/4.5=58.56 kWh

年平均产热量=日平均产热量×年天数=263.52×365=96 184.80 kWh，折合为电费，系统年平均产热效益=系统年平均产热量×电价=96 184.80kWh×1.0 元/kWh=96 184.80 元

水源热泵年平均耗电量=水源热泵日平均耗电量×年天数=58.56×365=21 374.40 kWh

水源热泵年平均耗电费用=水源热泵年平均耗电量×电价=21 374.40×1.0=21 374.40 元

光伏光热集热器年平均收益：年平均发电效益+年平均产热效益-水源热泵年平均耗电费用=30 164.70+96 184.80-21 374.40=104 975.10 元

全寿命周期内净收益=104 975.10×25-204 068=2 420 282 元=242.03 万元静态投资回收期=初始投资/年收益=204 068/104975.10=1.94 年根据上述计算，对比分析两种方案的经济效益，两方案经济效益对比表见表5。

表5 经济效益对比表

3.2 社会效益分析

按照获得热量以热量转换为标煤、获得电量以电量转换为标煤的原则计算社会效益。其中获得的热量需扣除空气源热泵及水源热泵的耗电量，即以节能热量折算，热量折算为标煤的系数为0.1445kgce/kWh。光伏发电按发电煤耗折算标煤量，系数为0.31kgce/kWh.二氧化碳减排因子EFCO2=2.47kg/kgce，二氧化硫减排因子EFSO2=0.02kg/kgce，烟尘减排因子EF 烟尘=0.01kg/kgce[10-11]，减排量=节省的标煤量×对应的减排因子。

3.2.1 方案1 社会效益分析

（1）根据3.1 经济效益分析可知，方案1 年平均产热量82 267.35 kWh，年平均耗电量=年平均产热量/热泵的COP=82 267.35/3=27 422.45 kWh，

年平均节能量=年平均产热量-年平均耗电量=82 267.35-27 422.45=54 844.9 kWh，折算为标煤，

m1=54 844.9 kWh×0.1445kgce/kWh=7 925 kgce

（2）根据3.1 经济效益分析可知，方案1 日平均发电量75.13kWh，年平均发电量=日平均发电量× 天数=75.13kWh×365=27 422.45 kWh，折算为标煤，

m2=27 422.45 kWh×0.31kgce/kWh=8 501 kgce

方案1 年平均节煤量M1=m1+m2=7 925+8501=16 426 kgce

3.2.2 方案2 社会效益分析

（1）根据3.1 经济效益分析可知，方案2 年平均产热量96 184.8 kWh，年平均耗电量21 374.4 kWh，

年平均节能量=年平均产热量-年平均耗电量=96 184.8-21 374.4=74 810.4kWh，折算为标煤，

m1=74 810.4 kWh×0.1445kgce/kWh=10 810kgce

（2）根据3.1 经济效益分析可知，方案2 年平均发电量30 163.6kWh，折算为标煤，

m2=30 163.6kWh×0.31kgce/kWh=9 351kgce

方案2 年平均节煤量M2=m1+m2=10 810+9 351=20 161kgce

根据两方案年平均节煤量及减排因数，得两方案节能减排量，方案1 年平均节省标煤16 426kgce，平均CO2、SO2、烟尘减排量分别为40 572.22kg、328.52kg、164.26kg。方案2 年平均节省标煤20 161kgce，年平均CO2、SO2、烟尘减排量分别为49 797.67kg、403.22kg、201.61kg，较方案1 增加22.7%。

4 结论

本文选取分布式光伏+空气源热泵系统作对比，对太阳能光伏光热集热器系统应用进行全面的成本分析、经济效益和社会效益分析。通过成本分析得知，太阳能光伏光热集热器系统应用的初始投资较高，较目前常用的清洁能源系统提高41.5%，初始投资增加的主要原因是光伏光热集热器的成本较高，占总成本增加的55%。光伏光热集热器后续的研究重点还要倾向于产品结构的优化和成本的降低，这也是影响光伏光热集热器推广应用的重要因素，同时市场应用需求的增加也会助力成本的降低。通过经济效益和社会效益分析得知，对比目前应用最为广泛的清洁能源系统，光伏光热集热器仍然具有显著的应用优势，其中发电效益提升10.0%，产热效益提升16.9%，系统运行耗电量节能22.1%，年平均收益增加27.6%，寿命期内的总收益增加26.6%，节能减排量提升22.7%。光伏光热集热器应用系统投资回收期1.94 年，寿命期内投资总收益242.03 万元，具有较高的投资价值。由此可知。光伏光热集热器系统具有广阔的应用空间，能够在单位装机面积上获得更大的经济和社会效益，值得行业进一步研究与推动，对节能减排、助力“双碳”目标实现具有积极作用。