淺析光伏屋頂效益及發展所面臨的問題與對策

梁文菁，陳 進

（華東交通大學，江西 南昌 330013）

1 引言

繼工業能耗、交通能耗之后，建筑物能耗也成為了我國三大能耗大戶之一。但在目前我國現有建筑物中只有4%采取了節能措施，我國建筑物單位面積的能耗是發達國家的3倍以上。如果對此不采取強效有力的政策措施，那么再過10年我國建筑能耗將會是現在的3倍以上。因此，建筑節能工作對我國而言是十分迫切而又艱巨的任務。

1991年，光伏建筑一體化作為太陽能發電的一種新概念被正式提出，它是指將光伏系統與建筑相結合，利用太陽能發電來提供建筑自身用電或并網為電網供電［1］。

2 太陽能光伏建筑一體化

光伏建筑一體化（Builiding Itegrated Photovoltaic，BIPV）絕不是簡單的光伏與建筑物的疊加，而是使光伏系統成為建筑物有機組成的一部分。其中最關鍵的是光伏系統與建筑物無論是在設計上，還是在施工和制作以及安裝上都要一體化，并在建筑完成后同時使用，后期經營管理要同步實施。并且作為建筑領域的新系統，光伏建筑一體化使得建筑物不僅具有傳統建筑物的外圍護的功能，而且還具有能產生能源供給建筑使用的功能，能滿足節能、環保、安全、美觀和經濟實用的總體要求。

3 光伏與屋面一體化系統

據統計，截至2008年，中國房屋總建筑面積約500億m2，其中城市房屋160億m2，住宅面積100億m2；農村住宅面積大約160億m2。城鎮住宅屋頂可利用面積10億m2；農村住宅屋頂可利用面積40億m2，共計50億m2，假如這其中的20%安裝太陽光伏方陣就會發電100GWp。這是一個非常巨大的市場潛力。由此可見，太陽能光伏屋頂系統是BIPV系統最好的模式［2］。

3.1 國內外發展狀況

“屋頂計劃”即光伏發電系統與建筑物結合的早期形式，是由德國率先提出。1997年，美國和歐盟先后宣布開展“百萬太陽能屋頂”計劃以后，用戶光伏系統得到了迅速的發展［3］。

在我國，上海、江蘇等地率先較大規模地建設“光伏屋頂”，實施“屋頂計劃”示范。上海的“十萬屋頂計劃”分為兩期進行，2006年開始，前5年為一期，計劃完成1萬個光伏屋頂工程；后5年為一期，計劃完成9萬個屋頂工程［4］。

3.2 光伏屋頂的特點

（1）光伏屋頂沒有地域的限制，沒有資源無枯竭的威脅存在。太陽能資源遍及全球，完全沒有地域限制。我國地勢優越，平均每天每m2接受到的太陽輻射能在4～6kW·h。光伏屋頂在－45～60℃都能工作。

（2）節能環保。光伏屋頂采用的能源是太陽能，是可以重復并無污染的能源，節能減排效果明顯。

（3）光伏屋頂的適用范圍廣泛。光伏屋頂可以適用于寫字樓、醫院、賓館飯店、學校、民用住宅小區等。

（4）光伏屋頂的占用空間小。光伏屋頂直接利用原建筑的屋頂空間，并無占用多余的空間。尤其在人口密集地區，屋頂可以使光伏發電系統不用額外占用昂貴的土地。

（5）高效。光伏屋頂從獲取能源到利用能源直接花費的時間較短，電能損失較小，使用效率高。

（6）促進了屋面技術的發展。例如，發達國家正在推廣的光伏電池薄膜復合在SBS改性瀝青防水卷材上的光伏瀝青卷材、光伏電池薄膜復合在瓦材上的光伏瓦，以及光伏電池薄膜復合在高分子防水卷材上的太陽能高分子卷材。這項新技術使得屋面在防水、保溫隔熱等基礎上又增加了新的功能。

4 光伏屋頂的經濟效益與社會效益

4.1 經濟效益

我國太陽能資源總體上十分豐富，有2／3的地區全年日照時數超過2000h以上。我國的拉薩太陽輻射強度最大，哈密年平均日照時間最長，即使在世界范圍內這兩座城市也是太陽能資源非常豐富的地區。由此可見，我國有著利用太陽能的優越條件。

本文假設以在鄱陽湖地區采用光伏屋頂為例。該光伏屋頂上安裝49kWp太陽能BIPV系統。系統采用的太陽能電池列是由Schott Sola生產的ASE－100－GT－FT型電池組件組成，每塊板的面積均為0.826m2，共40塊，光電轉換率為11.5%。該系統所產生的電能通過雙向逆變器滿足接待處部分家電用電需求。當太陽能不足以滿足負載需求時，由市電供給負載的需求。

光伏系統經濟分析使用動態平直供電成本作為評價該系統的供電技術經濟性指標。該分析方法是將供電系統在整個壽命周期內發生的各項費用全部折現，再用等額分付因子分攤至系統運行期間內的各年，然后除以系統的年發電量，得到該系統的動態平直供電成本。本系統使用的組件壽命為25年，因此采用25年作為經濟分析的周期。

4.1.1 確定系統的年發電量

（1）確定年平均太陽輻射總量。鄱陽湖位于長江中下游南岸東經115°49′～116°46′、北緯28°24′～29°46′之間，該地區年平均輻射總量約為4700 MJ／m2·年。理論發電量＝4700 ×0.826×40×0.115／3600 ＝4954 kW·h。

（2）確定實際發電效率。太陽電池板輸出的直流功率是太陽電池板的標稱功率。在現場運行的太陽電池板往往達不到標準測試條件，輸出的允許偏差是5%，因此，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.95的影響系數。隨著光伏組件溫度的升高，組件輸出的功率就會下降。對于晶體硅組件，當光伏組件內部的溫度達到50～75℃時，它的輸出功率降為額定時的89%，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.89的影響系數。光伏組件表面灰塵的累積，會影響輻射到電池板表面的太陽輻射強度，從而影響太陽電池板的輸出功率。據相關文獻報導，此因素會對光伏組件的輸出產生7%的影響，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.93的影響系數。由于太陽輻射的不均勻性，光伏組件的輸出幾乎不可能同時達到最大功率輸出，因此光伏數組的輸出功率要低于各個組件的標稱功率之和。另外，光伏組件的不匹配性和板間聯機損失等這些因素也影響太陽電池板的輸出功率，其系數按0.95計算。并網光伏電站考慮安裝角度因素折算后的效率為0.88［5］。

組件實際發電效率為0.95×0.89×0.93×0.95×0.88＝0.657。

系統實際年發電量＝理論發電量×實際發電量＝4954kW·h×0.657＝3255 kW·h

4.1.2 計算總成本折現值

核算系統壽命期內發生的各項投資成本及其費用，折為現值，并將其等額分攤至系統運行期內的每一年。其中投資成本包括初期投資成本、經常性運營成本和偶生成本。初期總投資成本約為250000 元。（以下計算中取:通脹率為3%，利率為6%。）

系統的經常性運營成本就是系統的維護成本。對于并網系統而言，該成本就是每年消耗市電的費用。本系統年均發電量約為3564 kW·h。如果返回電網的電費價格以1元／kW·h計算，這樣產生的平均經濟效益為3255元／年。經常性運營成本＝－3564 ×（1＋3%／6%－3%）×［1－（1＋3%／1＋6%）25］＝－57263 元／年。

并網型光伏系統的偶生成本就是逆變器的維護成本，逆變器的維護成本為初始成本的20%。

逆變器的偶生成本折現值＝20000 ×0.2＝4000 元／年。

所以可得總成本的折現值為:

總成本折現值＝250000 －57263 ＋4000 ＝196727 元／年。

4.1.3 計算本系統的動態平直供電成本

動態平直供電成本＝總成本折現值年／平均發電量×經濟分析周期＝196737 ／3255 ×25＝2.42元／kW·h

該光伏發電系統的成本價格大約是目前江西居民用電價格的4倍。目前，光伏發電成本過高是BIPV系統在我國發展的最主要的障礙。我國政府正在實行經濟鼓勵政策，對于光伏建筑一體化項目進行經濟補助。推行上網電價法是促進我國光伏建筑一體化的發展的重要途徑。

4.2 社會效益

由溫室氣體排放引起的全球氣候變暖問題越來越受到全球的高度重視，保護環境、節能減排也提上了各國的議程。以每千瓦時電消耗0.4kg煤的標準，繼續以鄱陽湖地區光伏屋頂為例。以該系統的一個周期25年，那么共發電81375 kW·h，即相當少用32.55t的煤。

表1為單位減排效益［6］，鄱陽湖地區的光伏屋頂環境效益分析見表2。

表1 減排系數和單位減排效益

表2 有害物質減排以及單位減排效益

總減排效益＝4926 .86＋907.2＋660＋302.5＝6796 .56元。

鄱陽湖地區的光伏屋在未來25年的使用周期內對環境的貢獻如表2所示，而這些貢獻折合后的總減排效益為6796 .56元。

由此可見光伏屋頂不僅可以節約能源，而且能減少有害物質的排放，實現全球提倡的“節能減排”能源戰略。

5 光伏屋頂發展所面臨的問題

光伏屋頂發電計劃的確是為我國建筑業注入了新鮮血液，同樣也為我國的房地產開辟了新天地，但為何目前光伏屋頂卻難以進入平常老百姓家中？我國光伏市場為何發展緩慢呢？原因在于其具體付諸實施時困難度不小，主要表現為以下幾個方面。

（1）投入成本過高。在現今條件下，屋頂發電的設備價格和電價與傳統能源發電方式相比成本偏高。目前這是普及光伏屋頂的最主要瓶頸。

（2）廣大群眾對于光伏發電的認識不夠，群眾心理接受率不高。

（3）我國在光伏屋頂應用技術的研究方面，自主創新不夠，市場發展緩慢，光伏產品的生產和研發也相對滯后，而且并無制度明確的光伏產品質量認證制度。

（4）既有建筑的光伏屋頂的改造難以實施。

（5）建筑從業人員對光伏建筑的認識存在不足。

6 加快我國光伏屋頂發展的建議

（1）在我國目前光伏屋頂采用獨立式發電的比較多，這是非常不利于光伏屋頂的發展的。為了促使我國光伏屋頂大力發展，必須大力推進光伏屋頂的并網發電。但是，在沒有解決關于并網發電的政策以前，大力推進光伏屋頂并網發電具有一定難度。就目前情況來看，再生能源尚不具備與常規能源價格抗衡的能力，今后要大力推進光伏屋頂計劃采用并網發電系統，這樣最科學投資效益最好，具有強操作性可持續性。目前只有實施“上網電價法”。所謂上網電價是指發電企業與購電方進行上網電能結算的價格，而科學制定上網電價更是凸顯得十分重要。對于如何科學制定上網電價現給出如下幾點建議。

①對上網電價區別對待。雖然我國日照資源豐富，但地域遼闊，因而在不同地區的日照時間也是長短不一，受其影響我國各地接收的太陽輻射量也各有不同，并且東西部地區的建設成本差別同樣存在差異。因此，在制定上網電價時應考慮地區日照差異，并根據不同地區資源條件的差別合理制定上網電價。

②對上網電價實行逐年遞減。

③建立光伏并網發電的電價補貼基金。

④依法建立相應的監管機構，保證上網電價補貼政策的落實。

（2）制定行業統一標準。要使光伏屋頂在我國得到全范圍的推廣、穩健的發展，就必須制定統一的行業標準。因而，制定并確立長遠的產業發展規劃、制定相應的保障機制，是光伏屋頂在我國如雨后春筍般地發展的強力后盾。

（3）加大宣傳力度，擴大社會影響力，提高人們對光伏屋頂的認識度，以調動社會各方積極性。要采取多種形式，大力宣傳發展光伏屋頂的優越性，并且宣傳國家對發展光伏屋頂的方針和優惠政策，有計劃地組織從事光伏屋頂技術和管理人員進行培訓，積極開展群眾性的光伏屋頂科普宜傳教育活動，獎勵在發展光伏屋頂事業中做出成績和貢獻的人員。

（4）光伏屋頂的推廣中央政府要起到良好的向導作用，各個地方政府也要根據中央政府的推廣政策，因地制宜制定具有地域特色化的推廣政策。

（5）政策扶持。在項目初期給予資金、信貸等方面的政策支持；研發光伏技術和光伏產品給予資金、技術引進等方面的政策支持；對于在運行的光伏屋頂項目給予稅收等政策支持。

（6）加強光伏屋頂后期的運營管理。譬如引入智能建管平臺，實現數據的監測與傳送的一體化，及時了解光伏系統的運行狀況，確保光伏屋頂系統安全、穩定、高效運行。

7 結語

屋頂光伏發電工程對于優化能源戰略、改善電源結構、提高電源保障、節能減排、提高環境質量是非常有利的，也是一項利國利民、前景廣闊的計劃，應該在政策上多多鼓勵該計劃的推廣與發展。隨著光伏屋頂計劃的深入、全面、廣泛地推廣，光伏屋頂將在我國形成一個新興的大產業。

［1］楊洪興，周 偉.太陽能建筑一體化技術與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］王 剛.促進光伏建筑一體化的應用技術［J］.建筑科技，2010（4）:40.

［3］褚玉芳.光伏屋頂的發展現狀［J］.牡丹江師范學院學報，2008（2）:47～48.

［4］尹穎群.我國太陽能屋頂的應用現狀與推廣前景［J］.節能減排，2010（12）:20.

［5］車導明.光伏屋頂 利國利民——淺談太陽能發電屋頂計劃［J］.建筑節能，2007（3）:17～19.

［6］沈 輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術［M］.北京:化學工業出版社，2005.