戶用分布式光伏幕墻在四川地區的經濟與環境效益分析

■ 唐華宇 呂勝男 趙干榮

(1.四川省建筑科學研究院；2.成都理工大學)

0 引言

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應，將太陽能轉換為電能的清潔可再生能源技術。光伏發電系統主要由光伏組件、控制器和逆變器3大部分組成。戶用分布式光伏發電系統是與住宅建筑結合，優先滿足家庭用電需求，并就近接入當地電網的小型光伏電站。光伏幕墻是光伏建筑一體化的一種形式，即把光伏組件集成到建筑物外墻上，成為建筑物圍護結構的一部分。若戶用分布式光伏發電采用光伏幕墻的形式，安裝不占用建筑使用面積，可節省架設光伏陣列的費用；而且由于各光伏組件處于同一平面，相互遮蔽小，可比同等面積的屋面安裝更多組件。

四川省的太陽能資源豐富，據統計數據[1]顯示，四川省的太陽能理論儲量為7.36×1014kWh，位居全國第5名；其中，可開發量為0.877×1014kWh。四川省內的太陽能資源儲量分布以川西北的甘孜州、阿壩州這種高海拔地區最為豐富，如圖1所示，在這些地區推廣光伏發電技術，不僅可以解決當地的用電需求，保護環境，還可以將多余電能并入電網，以獲得經濟收益。

本文利用軟件對四川省各地區應用戶用分布式光伏幕墻接收的年均輻射量情況進行了分析，通過建模并結合當地的氣象數據，重點分析了川西北地區使用戶用分布式光伏幕墻的能源、經濟和環境效益。

1 墻面輻射量的計算方法

水平面總輻射量Hs由水平面直接輻射量Hsz和水平面散射輻射量Hss兩個分量組成。傾斜面的總輻射量Hq由傾斜面直接輻射量Hqz、傾斜面散射輻射量Hqs、地面反射輻射量Hr3部分組成。

1.1 墻面直接輻射量的計算

一般傾斜面的直接輻射量Hqz的計算式為：

式中，Rb為直接輻射轉換系數。

Rb的定義為：

式中，θz為太陽天頂角，與太陽高度角α互為余角；θi為太陽入射角，即太陽直射光線與傾斜面法線之間的夾角，對于垂直墻面而言，θi=α。墻面各角度參數的定義如圖1所示，其中，β為傾斜面與水平面的傾角，對于墻面而言，β=90°；γ為太陽方位角。

圖1 墻面各角度參數示意

因此，對墻面而言，式(2)可轉換為：

墻面直接輻射量H′qz的計算式為：

1.2 墻面散射輻射量的計算

目前計算散射輻射的常用數學模型為Hay模型[2]，該模型將散射輻射分為太陽周圍發散的輻射和其余天空穹頂均勻分布的散射。

一般傾斜面的散射輻射量Hqs的計算式為：

因此，墻面散射輻射量H′qs的計算公式為：

1.3 地面反射輻射量的計算

一般傾斜面的地面反射輻射量Hr的計算式為：

式中，ρ為地面反射率。

因此，墻面的地面反射輻射量H′r的計算式為：

2 四川省各地區應用戶用分布式光伏幕墻的年均輻射量的計算

四川省全省位于北回歸線以北，為能充分接收太陽輻射，本次模擬的戶用分布式光伏幕墻均為正南朝向，方位角為0°。從Cythelia Energy公司的溫度和太陽能輻射數據庫(Ta Température：2000～2009，Ins.Rayonnement: 1991～2010)中查詢各地的逐時總輻射量、水平面直接輻射量和水平面散射輻射量，再根據氣象軟件中的逐時太陽高度角α(見圖2)，分別代入式(4)、式(6)和式(8)，計算出四川省各地區應用戶用分布式光伏幕墻的逐時輻射量，繼而統計出年均輻射量，結果如表1所示。

圖2 甘孜州稻城縣1年中每月21日的太陽逐時軌跡

從表1可以看出，由于垂直安裝的原因，導致戶用分布式光伏幕墻的年均輻射量遠低于水平面的年均輻射量，因此，戶用分布式光伏幕墻并不適用于太陽輻射量較低的四川盆地地區。由于川西北高海拔地區的水平面年均輻射量遠高于四川其他地區，在這些地區安裝的光伏幕墻接收的太陽輻射量相對較高，因此，戶用分布式光伏幕墻僅在川西北地區具備推廣價值。

表1 水平面與垂直面的年均輻射量統計結果

3 戶用分布式光伏幕墻的建模及發電量計算

3.1 戶用分布式光伏幕墻的建模

為分析戶用分布式光伏幕墻的運行效益，采用Sketchup軟件建模。模擬地點位于甘孜州稻城縣；搭建1棟2層高的民居，建筑形式屬于川西北地區常見的藏式民居，朝向正南；總建筑面積為258.2 m2，建筑高度為6.25 m，采用鋼筋混凝土框架結構；模型建立在空曠地面上，不受其他物體遮擋的影響。

本次模擬選用27塊單晶硅光伏組件，以垂直貼壁的方式，安裝在建筑南側外墻上，具體的安裝方式如圖3所示。光伏組件長1390 mm，寬1080 mm，單塊組件的標稱功率為270 Wp，額定轉換效率為17%，使用壽命為20年。

3.2 光伏幕墻的光電轉換效率的修正

光伏幕墻年均發電量的理論計算式為：

圖3 模型建筑的光伏墻立面

但在實際應用中，光伏發電系統的輸出功率和發電量通常受到很多影響因素的限制，具體包括以下幾方面：

1)太陽電池經過串、并聯，封裝成為光伏組件，但電池總面積小于光伏組件的表面積，因此應考慮面積修正系數η1。

2)光伏組件在各安裝角度下均存在反光損耗，設反光損耗系數為η2。

3)光伏組件的轉換效率是在實驗室標準測試條件下測定的，在實際發電中允許存在5%的偏差，設轉換偏差系數為η3[3]。

4)太陽電池的標準工作溫度為25 ℃，電池溫度越高，開路電壓越低，太陽電池的輸出功率隨之降低，降低比率用功率溫度系數表示，本模擬項目中，該數值為-0.35%/℃。設太陽電池的平均溫升為20 ℃，則溫升偏差損失為7%，該溫升偏差系數設為η4。

5)直流電經過逆變器轉換成交流電后入網，期間會產生損失，設入網損失系數為η5。

6)光伏組件長期工作后，表面會形成不同程度的污垢，從而減弱接收的太陽輻射量，影響光伏組件的發電性能，設污垢系數為η6[3]。

7)云層、建筑物的遮擋會導致太陽輻射不均勻，造成光伏組件的失配、輸出功率降低，設遮擋系數為η7[4]。本模型的各項修正系數值及總修正系數值具體如表2所示。

表2 戶用分布式光伏幕墻模型的光電轉換效率修正系數

根據表2可計算出，戶用分布式光伏幕墻安裝后第1年的實際光電轉換效率為10.3%，實際交流電發電量為6908 kWh。在未來的使用年份中，由于光伏組件老化會導致轉換效率逐年降低，因此設轉換效率每年的衰減幅度為0.5%。由此可推算出光伏發電系統在20年壽命期內歷年的發電量，具體如表3所示。

根據表中的數據，在20年的使用期內，本模擬的戶用分布式光伏幕墻的總發電量為131790 kWh。

3.3 戶用分布式光伏幕墻的經濟效益預測

近年來光伏產品的市場售價大幅下降，經詢問廠家，本戶用分布式光伏幕墻所使用的光伏產品當前的市場售價約為28000元；因高原地區運輸及安裝成本較高，估算運輸及安裝費用約為7000元。因此，本光伏幕墻的成本約為35000元。

光伏幕墻首年維修費用設置為成本的1%，考慮通貨膨脹因素，每年維護費按3%的幅度遞增。

戶用分布式光伏幕墻所發電量，在滿足家庭使用的前提下，余量銷售給電網。目前，甘孜州、阿壩州地區1戶家庭的年用電量約為800 kWh，考慮經濟發展，本模型此后每年的用電量以5%的幅度遞增。

根據四川省電網銷售電價表，2019年度，四川省城鄉一戶一表居民使用中高壓線路(35～110 kV)供配電的電價為0.5124元/kWh；本模型此后每年的電價增幅按5%模擬。

據2019年《國家發展改革委關于完善光伏發電上網電價機制有關問題的通知》，采用“自發自用，余量上網”的戶用分布式光伏全發電量補貼標準調整為0.18元/kWh，因此，本模型目前的上網銷售光伏電價為0.6924元/kWh。鑒于我國對光伏發電的補貼標準已大幅下降，在模擬未來年份的上網電價時，對補貼金額不做增加。

按以上標準可計算出稻城縣戶用分布式光伏幕墻在20年壽命期內歷年的發電收入，具體如表3所示。

根據表3中的統計數據，本模型中的戶用分布式光伏幕墻在使用期的第8年內可以收回投資，在整個使用期內的凈收入為85309元。

3.4 戶用分布式光伏幕墻的環境效益預測

現階段我國的電力生產結構仍以使用煤炭的火力發電為主，單位發電量的耗煤量約為0.32 kgce/kWh。燃煤發電會產生大量的CO2、SO2、NOx和粉塵等污染物。每燃燒1000 kgce所排放的污染物，以及單位污染物排放所對應的環境成本如表4所示[5]。

表3 稻城縣戶用分布式光伏幕墻模型的歷年發電量及發電收入

利用光伏發電可以避免上述污染物的產生。根據表3的發電量數據，戶用分布式光伏幕墻使用第1年可節省標準煤2210.56 kg，按原煤折標系數0.7143計算，可節省原煤3094.72 kg。稻城縣戶用分布式光伏幕墻對各種污染物的減排量和環境收益如表4所示。隨著我國節能技術的發展，單位發電量的耗煤量有逐漸下降的趨勢，而光伏發電系統的光電轉換效率會逐年衰減，因此，戶用分布式光伏幕墻在第1年的減排量和環境收益為各年相應數值中的最大值。

表4 稻城縣戶用分布式光伏幕墻模型對各種污染物的減排量和環境收益

4 川西北地區采用戶用分布式光伏幕墻的經濟與環境效益統計

通過前文的計算流程，可以預測該戶用分布式光伏幕墻模型在川西北地區各地應用的發電量、經濟效益和環境效益，具體如表5、表6所示。

表5 戶用分布式光伏幕墻模型的發電量和經濟效益預測

表6 戶用分布式光伏幕墻模型的環境效益預測

由表5、表6可以看出，在川西北地區應用戶用分布式光伏幕墻，可在7～8年內收回成本， 凈收益可達成本的2倍以上，可節約發電用標準煤2 t以上。

5 結論

本文利用川西北常見的獨棟2層民居作為模型，結合氣象資料，模擬了戶用分布式光伏幕墻在20年壽命期內的發電量、經濟效益和環境效益。從模擬結果分析得到：

1)戶用分布式光伏幕墻在川西北的甘孜州、阿壩州這種高海拔地區具備推廣價值，在四川盆地不具備推廣價值。

2)利用川西北地區民居的南向外墻設置光伏幕墻，每年可產生豐富的電能，除滿足家庭自用電外，還可以將余電上網以獲得經濟收益。由此可在使用期7～8年內收回成本，凈收益可達到成本的2倍以上。

3)川西北地區民居使用光伏幕墻發電，每戶每年生產的電能可節約發電用標準煤2 t以上，有效降低了污染物排放，具有顯著的環境效益。