晶硅光伏系統(tǒng)在高層建筑屋頂?shù)膽?yīng)用探討

楊新明 楊慶根 朱劍躍 蔡春華 宗永明 趙榮華 楊磊 范文忠 戴杰

1 項(xiàng)目背景

1.1 太陽能應(yīng)用背景

太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，也是人類可利用的最豐富的能源。太陽每年投射到地面上的輻射能高達(dá)1.05×1018kWh，相當(dāng)于1.3×106億 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

1.2 太陽能資源概況

技貿(mào)大廈位于上海西北面，按照太陽能資源分類屬于第四類地區(qū)，年平均日照時數(shù)為2014 h左右，多年平均太陽輻射量在4542MJ／m2a左右，適合建設(shè)太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目。

2 晶硅光伏系統(tǒng)在高層建筑應(yīng)用經(jīng)濟(jì)分析

2.1 高層建筑屋頂單位面積晶硅光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

下面以上海技貿(mào)大廈安裝100 m2、200 m2晶硅太陽能光伏系統(tǒng)為例，分析高層建筑晶硅光伏系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

2.1.1 晶硅光伏系統(tǒng)組件及電氣安裝經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)不同的大樓面積、配電房位置、安裝功率，計算出太陽能電池組件（規(guī)格190Wp），逆變器，配電柜，導(dǎo)線數(shù)量及電氣投資。見表1及圖1。

表1 設(shè)備、投資計算表

圖1 容量與電氣投資關(guān)系圖

隨著高度的增加，建筑安裝工程費(fèi)中的直接工程費(fèi)用和措施費(fèi)有明顯變化。其中直接工程費(fèi)中的人工費(fèi)，材料費(fèi)（安裝支架）隨著大樓高度的變化而呈現(xiàn)非線性變化，見表2。

表2 大樓高度與費(fèi)用關(guān)系表

2.1.2 晶硅光伏系統(tǒng)施工及運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)分析

施工機(jī)械使用費(fèi)和臨時施工費(fèi)的使用主要體現(xiàn)在材料的運(yùn)輸上。根據(jù)大樓的外墻形式和大樓本身貨梯的實(shí)際情況，會產(chǎn)生不同的運(yùn)輸方式，故運(yùn)輸費(fèi)用會不同，作為案例，如表3所示。

表3 大樓高度與不同運(yùn)輸方式費(fèi)用案例表

2.2 在經(jīng)濟(jì)測算中需注意的幾個問題：

1）卷揚(yáng)機(jī)的使用受限制很大，比如既有大樓外墻是幕墻結(jié)構(gòu)、既有大樓的外形奇異或者吊裝材料的過程中天氣出現(xiàn)雷雨或大風(fēng)，都不適合使用卷揚(yáng)機(jī)。

2）塔吊的使用優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)輸材料的數(shù)量大，且建筑面積大。在既有大樓頂部施工時，其缺點(diǎn)也很明顯，比如塔吊的安裝速度慢、費(fèi)用高、一般實(shí)際吊裝的工作量并不大等。

3）在既有高層建筑中安裝晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)，盡管所安裝系統(tǒng)的裝機(jī)功率不發(fā)生變化，但是隨著大樓高度的增加，安裝系統(tǒng)的投資同時增加，投資增加的部分體現(xiàn)在延長導(dǎo)線，固定系統(tǒng)的鋼材料，人工費(fèi)，系統(tǒng)發(fā)電的效率的損失，而且這種投資的增加是非線性的。

4）通常情況下，既有高樓的屋頂可以安裝發(fā)電系統(tǒng)的面積都不大，一般多在300m2～600m2之間，所安裝的晶硅光伏系統(tǒng)功率較小。在有限的材料運(yùn)輸過程中，很難借助到機(jī)械運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢，而在超高層建筑中，在不能借助機(jī)械運(yùn)輸?shù)那闆r下，系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計將不得不根據(jù)既有高層建筑貨梯的最大裝貨尺寸設(shè)計，不可避免地增加系統(tǒng)的用鋼量，從而進(jìn)一步地提高運(yùn)輸成本。

5）對于相同的裝機(jī)容量，由于太陽能光伏板投入基本相同，僅在施工成本、運(yùn)輸成本和部分電氣成本方面有所變化，建議在計算總投入時，可按照單位面積的投入分項(xiàng)計算，將變化成本乘以規(guī)模倍數(shù)后再乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，以保證總投入準(zhǔn)確。按照本項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，若以500m2太陽光伏電站計算，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取0.6～0.8為宜。

6）根據(jù)本項(xiàng)目的研究，太陽能發(fā)電系統(tǒng)在既有建筑屋頂安裝實(shí)施中，同樣裝機(jī)容量的系統(tǒng)隨著安裝建筑物的屋頂所處高度變化，其費(fèi)用變化會在50米和100米高度有兩個明顯的拐點(diǎn)，見表4及圖2、圖3所示。

表4 大樓高度與實(shí)際費(fèi)用關(guān)系表

圖2 樓高與各項(xiàng)費(fèi)用關(guān)系曲線

圖3 樓高與運(yùn)輸費(fèi)用關(guān)系曲線

3 結(jié)論及建議

3.1 節(jié)能及環(huán)保效益結(jié)論

裝機(jī)容量每10kW年平均上網(wǎng)電量約0.9158萬kWh，與相同發(fā)電量的火電廠相比，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)煤約3.2971t(火電煤耗按2007年全國平均值360g/kWh計)，其每年的節(jié)能減排指標(biāo)如表5所示。可見光伏發(fā)電項(xiàng)目有明顯的節(jié)能效益。

表5 節(jié)能環(huán)保效益表

3.2 經(jīng)濟(jì)性結(jié)論

上海地區(qū)發(fā)電量計算需要考慮太陽能光伏組件溫度，其年發(fā)電量是未考慮溫度的96.48%。此外20年后衰減至80%，上海地區(qū)溫度影響因子為0.4%。

由此我們可以計算出100 m2中安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)（10kW）的每年發(fā)電量，以及25年內(nèi)的總發(fā)電量，見表6所示。

表6 25年發(fā)電量測算值

如果以工業(yè)用電1.03元/kWh計算，在整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的生命周期中，可以發(fā)電292992.08kW，收益約為301781.82元。對比與不同安裝高度10kW的安裝價格，可以得出沒有補(bǔ)貼的投資回收的時間，見表7所示。

表7 投資回收期

3.3 效果對比

安裝前、后效果對比見表8所示。從表中可以看出：安裝晶硅太陽能裝置，能得到多種好處。

3.4 推廣建議

在上海地區(qū)推廣高層屋頂晶硅光伏系統(tǒng)需要克服從技術(shù)到投資回報多重困難。以上海技貿(mào)大廈為例，項(xiàng)目投資回收期在15年以上。因此，從推廣晶硅光伏系統(tǒng)角度而言，在項(xiàng)目建設(shè)會遇到一定的壓力。

表8 安裝前后效果表

建議一：國家針對此類項(xiàng)目增加補(bǔ)貼力度和補(bǔ)貼范圍。

建議二：將高層建筑太陽能建設(shè)和屋頂保溫相結(jié)合，提高建筑整體節(jié)能效率。

建議三：將晶硅光伏系統(tǒng)組件安裝模塊化，例如設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)組件，以降低初期投入。