太陽能光伏光熱集熱器應用效益分析

王娟婷，焦 雷

（1.山東力諾瑞特新能源有限公司，山東 濟南 250103；2.山東青年政治學院，山東 濟南 250103）

0 引言

太陽能作為一種重要的可再生綠色能源，在能源短缺、環境污染、“雙碳”目標下顯得尤為重要[1]。太陽能光伏和太陽能光熱是太陽能利用的兩大領域，應用產品及應用技術發展成熟，具有顯著的節能減排效益，對調整我國能源結構、推動我國綠色低碳發展具有積極意義。太陽能光伏光熱集熱器是光伏和光熱結合的產物，是同時將太陽能轉換為電能和熱能的設備[2]。光伏光熱集熱器在有限的安裝面，獲取更多的能量，可有效提高太陽能的綜合利用率。許多專家學者對此進行了大量的研究，目前的研究主要集中在光伏光熱集熱器結構優化，性能提升、性能模擬計算等[3-4]，但對于光伏光熱集熱器系統應用成本分析、經濟與社會效益分析少之又少，無法為光伏光熱集熱器推廣應用提供可靠的參考。本文以濟南市200m2工業廠房太陽能熱電利用的方案為背景，設計對比方案，進行光伏光熱集熱器應用的成本分析、經濟與社會效益分析。

1 光伏光熱集熱器的發展與應用

1.1 光伏光熱集熱器的發展

1839 年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）發現光伏效應，1980 年太陽能光伏板電池首次實現規模性生產，逐漸在全球得到了廣泛應用。根據我國國家能源局發布的2022 年全國電力工業統計數據顯示，截至2022 年年底，全國累計的發電裝機容量約25.6 億kW，同比增長7.8%。其中，太陽能光伏發電裝機容量約3.9 億kW，同比增長28.1%。太陽能光伏得到了長足發展。太陽能光伏的效率和價格是太陽能光伏系統的應用直接影響因素和限制因素。其中工作溫度是影響太陽能光伏光電轉化效率的重要因素，經研究發現晶硅太陽能電池的工作每升高1℃，輸出功率減少0.4%～0.5%[5]。光伏光熱集熱器基于降低太陽能電池板工作溫度，提高發電效率，同時充分吸收利用余熱的目標進行設計和研究。目前。光伏光熱集熱器主要有三種類型，直膨式、管板式、熱管式。管板式光伏光熱集熱器是晶硅電池片和太陽能平板集熱器結合的產品，產品結構如圖1 所示，該集熱器通過工質循環將光伏發電產生的熱量及時帶走，保證電池板的溫度保持在高發電效率范圍內，提高組件發電效率，同時輸出熱水。經實驗模擬和實驗測定，光伏光熱集熱器發電效率可提高8%～12%[6-8]。該管板式光伏光熱集熱器的性能參數如表1 所示。

表1 光伏光熱集熱器性能參數表

1.2 光伏光熱集熱器的應用

管板式光伏光熱集熱器采用防凍工質循環，系統具有防凍功能，且銅流道耐壓能力強，防漏防爆，適合大型陣列系統應用。通過水源熱泵將熱量進一步提升，輸出可觀的熱量。因此，光伏光熱集熱器在電力、熱水同時有需求的場景具有較高的應用價值。目前，對光伏光熱集熱器的深入研究多集中在產品結構改進、性能提升及系統應用的模擬計算，多為小試、中試、樣板系統，我國現報道的光伏光熱集熱器大型系統應用較少。

分布式光伏+空氣源熱泵系統是最常見、且應用最為廣泛的清潔能源系統，具有較高的經濟和社會效益。本文以濟南市200m2工業廠房太陽能熱電利用的項目為背景，設計光伏光熱集熱器+地源熱泵系統，對比分布式光伏+空氣源熱泵系統，以此進行光伏光熱集熱器應用的成本分析、經濟與社會效益分析，為光伏光熱集熱器研究方向及應用落地提供參考。

2 成本分析

2.1 項目方案設計

該項目為濟南市200m2工業廠房擬采用清潔能源進行電力和熱水供應，優先自發自用，余電上網。可選的項目方案有分布式光伏系統+空氣源熱泵系統和光伏光熱集熱器+水源熱泵系統。具體系統配置如下：

方案1 分布式光伏+空氣源熱泵系統：50 組450W 分布式光伏系統，配備有30KW 逆變器和30KW 配電柜。熱水系統采用10P 空氣源熱泵，配備10t 方形儲熱水箱。該方案系統應用非常成熟，詳細方案設計不再贅述。

方案2 光伏光熱集熱器+水源熱泵系統：50 組450 瓦光伏光熱集熱器，配備有30kW 逆變器和30kW 配電柜，熱水系統采用水源熱泵收集并提升熱量，配備10t 方形儲熱水箱。該方案光伏發電系統原理圖與分布式光伏系統一致，光伏光熱集熱器熱水系統原理圖見圖2，光伏光熱中的循環工質吸收電池片發電余熱，經水源熱泵進一步提升，輸出熱水。

2.2 不同方案成本分析

該項目不同方案的初始投資材料清單見表2-3（單價為調研時間段的市場價，僅供參考）。

表2 方案1 系統初始投資材料清單

表3 方案2 系統初始投資材料清

根據上表可知，分布式光伏+空氣源熱泵系統初始投資約144 180 元，光伏光熱集熱器+水源熱泵系統初始投資約204 068 元，初始投資增加59 888 元，相當于增加方案1 初始投資額的41.5%。以分布式光伏+空氣源熱泵系統為基礎，分析光伏光熱集熱器+水源熱泵系統初始投資成本增加點，見表4。根據表4，可知光伏光熱集熱器+水源熱泵系統成本增加點主要在光伏光熱集熱器，占總增加成本的55%，水源熱泵成本增加占總增加成本的24%，這兩項占總增加成本的79%，另外人工費增加占比8%。

表4 方案2 系統初始投資成本增加點明細

3 經濟與社會效益分析

3.1 經濟效益分析

該項目經濟效益分析的原則是將發電量及產熱量按濟南市平均商用電價1.0 元/kWh，計算系統經濟效益。方案1 中將分布式光伏發電量全部用于產生熱水，熱水效益即為包含光伏及空氣源的總效益，其中方案1 中空氣源熱泵COP 按3 計。方案2 中發電效益和熱水效益單獨核算，其中發電效益以較分布式光伏系統提升10%計算，熱水效益按光伏光熱集熱器性能參數中產熱功率核算，需扣除水源熱泵耗電量，水源熱泵COP按4.5 計。濟南市峰值日照小時數為4.27h，光伏系統總效率取85%，光伏組件壽命25 年。首年年末發電功率衰減為98%，25年末發電功率不低于85%[9]。

光伏系統首年發電量=裝機容量×峰值日照小時×系統總效率×365=450×50/1 000kW×4.27h/d×85%×365d=29 805.9kWh

光伏系統第二年開始的每年發電量為首年發電量與上一年年末功率的乘積。經計算，分布式光伏系統平均每天發電量為75.13kW，年平均發電量27 422.45kWh，光伏系統壽命期內發電總量68.56×104kWh。

方案1 分布式光伏系統將每日發電量，全部用于空氣源熱泵，轉化為每天熱水的熱量，日平均產熱量=發電量×空氣源熱泵COP=75.13×3=225.39 kWh

年平均產熱量=日平均產熱量×年天數=225.39×365=82 267.35 kWh，折合為電費，得年生產熱水效益。

年平均生產熱水效益=年平均產熱量×電價=82 267.35×1.0=82 267.35 元

全壽命周期內凈收益=82 267.35×25-144 180=191.25 萬元

靜態投資回收期=初始投資/年收益=144 180/82267.35=1.75 年

方案2 光伏光熱集熱器發電量以450 瓦光伏光熱集熱器比450 瓦光伏板平均發電量提高10%計算：

日平均發電量=方案1 日平均發電量×（1+10%）=75.13×（1+10%）=82.643kWh，年平均發電量=日平均發電量×年天數=82.643×365=30 164.70kWh，

年平均發電效益=年平均發電量×電價=30 164.70kWh×1.0 元/kWh=30 164.70 元

根據光伏光熱集熱器產熱功率960W（表1），濟南峰值日照為4.27h，集熱器日平均產熱量：50×960×4.27/1000=204.96kWh

經水源熱泵提升，系統日平均產熱量=集熱器平均日產熱量×水源熱泵COP/（水源熱泵COP-1）=204.96×4.5/（4.5-1）=263.52 kWh

水源熱泵日平均耗電量=系統日平均產熱量/水源熱泵COP=263.52/4.5=58.56 kWh

年平均產熱量=日平均產熱量×年天數=263.52×365=96 184.80 kWh，折合為電費，系統年平均產熱效益=系統年平均產熱量×電價=96 184.80kWh×1.0 元/kWh=96 184.80 元

水源熱泵年平均耗電量=水源熱泵日平均耗電量×年天數=58.56×365=21 374.40 kWh

水源熱泵年平均耗電費用=水源熱泵年平均耗電量×電價=21 374.40×1.0=21 374.40 元

光伏光熱集熱器年平均收益：年平均發電效益+年平均產熱效益-水源熱泵年平均耗電費用=30 164.70+96 184.80-21 374.40=104 975.10 元

全壽命周期內凈收益=104 975.10×25-204 068=2 420 282 元=242.03 萬元靜態投資回收期=初始投資/年收益=204 068/104975.10=1.94 年根據上述計算，對比分析兩種方案的經濟效益，兩方案經濟效益對比表見表5。

表5 經濟效益對比表

3.2 社會效益分析

按照獲得熱量以熱量轉換為標煤、獲得電量以電量轉換為標煤的原則計算社會效益。其中獲得的熱量需扣除空氣源熱泵及水源熱泵的耗電量，即以節能熱量折算，熱量折算為標煤的系數為0.1445kgce/kWh。光伏發電按發電煤耗折算標煤量，系數為0.31kgce/kWh.二氧化碳減排因子EFCO2=2.47kg/kgce，二氧化硫減排因子EFSO2=0.02kg/kgce，煙塵減排因子EF 煙塵=0.01kg/kgce[10-11]，減排量=節省的標煤量×對應的減排因子。

3.2.1 方案1 社會效益分析

（1）根據3.1 經濟效益分析可知，方案1 年平均產熱量82 267.35 kWh，年平均耗電量=年平均產熱量/熱泵的COP=82 267.35/3=27 422.45 kWh，

年平均節能量=年平均產熱量-年平均耗電量=82 267.35-27 422.45=54 844.9 kWh，折算為標煤，

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

（2）根據3.1 經濟效益分析可知，方案1 日平均發電量75.13kWh，年平均發電量=日平均發電量× 天數=75.13kWh×365=27 422.45 kWh，折算為標煤，

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

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

3.2.2 方案2 社會效益分析

（1）根據3.1 經濟效益分析可知，方案2 年平均產熱量96 184.8 kWh，年平均耗電量21 374.4 kWh，

年平均節能量=年平均產熱量-年平均耗電量=96 184.8-21 374.4=74 810.4kWh，折算為標煤，

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

（2）根據3.1 經濟效益分析可知，方案2 年平均發電量30 163.6kWh，折算為標煤，

m2=30 163.6kWh×0.31kgce/kWh=9 351kgce

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

根據兩方案年平均節煤量及減排因數，得兩方案節能減排量，方案1 年平均節省標煤16 426kgce，平均CO2、SO2、煙塵減排量分別為40 572.22kg、328.52kg、164.26kg。方案2 年平均節省標煤20 161kgce，年平均CO2、SO2、煙塵減排量分別為49 797.67kg、403.22kg、201.61kg，較方案1 增加22.7%。

4 結論

本文選取分布式光伏+空氣源熱泵系統作對比，對太陽能光伏光熱集熱器系統應用進行全面的成本分析、經濟效益和社會效益分析。通過成本分析得知，太陽能光伏光熱集熱器系統應用的初始投資較高，較目前常用的清潔能源系統提高41.5%，初始投資增加的主要原因是光伏光熱集熱器的成本較高，占總成本增加的55%。光伏光熱集熱器后續的研究重點還要傾向于產品結構的優化和成本的降低，這也是影響光伏光熱集熱器推廣應用的重要因素，同時市場應用需求的增加也會助力成本的降低。通過經濟效益和社會效益分析得知，對比目前應用最為廣泛的清潔能源系統，光伏光熱集熱器仍然具有顯著的應用優勢，其中發電效益提升10.0%，產熱效益提升16.9%，系統運行耗電量節能22.1%，年平均收益增加27.6%，壽命期內的總收益增加26.6%，節能減排量提升22.7%。光伏光熱集熱器應用系統投資回收期1.94 年，壽命期內投資總收益242.03 萬元，具有較高的投資價值。由此可知。光伏光熱集熱器系統具有廣闊的應用空間，能夠在單位裝機面積上獲得更大的經濟和社會效益，值得行業進一步研究與推動，對節能減排、助力“雙碳”目標實現具有積極作用。