屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟及環(huán)境效益研究

張臻宇，楊國華，車 超，趙文群

(寧夏大學(xué)電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021)

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟及環(huán)境效益研究

張臻宇，楊國華，車 超，趙文群

(寧夏大學(xué)電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021)

光伏發(fā)電作為傳統(tǒng)能源替代者具有著其特殊的優(yōu)勢。屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)是解決城市光伏發(fā)電用地受限問題的有效方法。首先提出單位供電成本、凈現(xiàn)值、單位減排效益三個分析指標;其次研究屋頂光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟及環(huán)境效益并建立計算模型，最后應(yīng)用Pvsyst軟件對案例進行年發(fā)電量仿真，并應(yīng)用模型進行計算與指標分析。結(jié)果表明，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市環(huán)境中應(yīng)用具有較好的經(jīng)濟及環(huán)境效益。

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng);經(jīng)濟效益;環(huán)境效益;Pvsyst

0 引言

太陽能是儲量最為豐富的可再生能源，其具有無污染、儲量巨大、普遍性、可持續(xù)性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟性等優(yōu)點，開發(fā)潛力大，應(yīng)用前景廣闊。我國太陽能資源儲量豐富［1］。根據(jù)我國的太陽能資源分布來看，我國大部分地區(qū)都適宜發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，而我國城市中，人口稠密土地緊缺，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)成為地面光伏電站的替代者。由于屋頂光伏系統(tǒng)的前期建設(shè)投入大，收益計算復(fù)雜等原因，城市屋頂光伏系統(tǒng)的發(fā)展受到了一定的限制，所以對其進行經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的分析具有著重要意義，能為之后屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計建造提供參考。國外學(xué)者Seng Lim Yun等對馬來西亞建筑光伏系統(tǒng)進行分析［2］。張鳴等研究了南京的一套建筑光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益［3］。羅鳳章等學(xué)者對光伏發(fā)電工程的低碳總和效益進行了模型研究［4］。從目前已有研究來看，我國對光伏并網(wǎng)發(fā)電工程的綜合效益研究大多是針對大型光伏發(fā)電系統(tǒng)進行，對城市屋頂光伏系統(tǒng)的綜合效益分析并不多見。

建立了屋頂光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟效益及分析模型，定量評估了各類因素影響下，屋頂并網(wǎng)光伏的建設(shè)成本與經(jīng)濟回報。同時，定量分析了其環(huán)境效益。

1 屋頂光伏系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

屋頂光伏系統(tǒng)總經(jīng)濟成本C包括系統(tǒng)成本、運行維護費用。因屋頂光伏系統(tǒng)使用建筑屋頂平面作為設(shè)備安裝區(qū)域，不額外占用土地，所以這里不考慮土地成本，即:

其中，系統(tǒng)成本C1可表示為:

式中:P0為光伏系統(tǒng)裝機容量;qn(n=1，2，3，4，5)為不同設(shè)備特定價格，表示每裝機1kWp不同設(shè)備特定價格，1～5分別代表光伏組件、逆變器、支架、運輸安裝及蓄電池;k為規(guī)模因數(shù)，其隨著裝機容量的擴大而變小。運行維護成本包括在整個運行周期內(nèi)的維護成本及設(shè)備損壞更換成本。其中考慮到資金具有時間價值，將維護成本折算為成本現(xiàn)值。

式中:j1為整個周期內(nèi)年運行維護費用系數(shù);j2設(shè)備損壞更換費用系數(shù);i折現(xiàn)率;t設(shè)計使用年數(shù)。

1.2 屋頂光伏系統(tǒng)經(jīng)濟收益

屋頂光伏經(jīng)濟收益Y為節(jié)約電費支出Y1與分布式光伏發(fā)電項目補貼Y2之和

2017年取消藥品加成后病人人次雖然上升，但是總費用和次均費用均下降, 取消藥品加成前后次均住院費用存在顯著差異，同比次均費用下降2200元，下降11%(表1)。

設(shè)第t年的發(fā)電量為Gt，則Gt可表示為［5］:

式中:Ht為全年峰值日照時間;R為系統(tǒng)性能參數(shù); d為系統(tǒng)年衰減率。假設(shè)居民用電電價保持固定變化率，則在設(shè)計周期內(nèi)節(jié)約電費支出Y1可表示為:

式中:a1為系統(tǒng)第一年當?shù)仉妰r，i＇為平均年電價變化率。目前，國內(nèi)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電項目的補貼價格r根據(jù)所在地有所區(qū)別，獲得Y2可表示為:

1.3 經(jīng)濟效益評估

本文采用單位供電成本及投資回收期兩個指標來進行經(jīng)濟效益的評估。

(1)單位供電成本

單位供電成本Cper為總成本Caii與設(shè)計周期內(nèi)總發(fā)電量的比值，其與當?shù)仉妰r的差值是評估該光伏系統(tǒng)經(jīng)濟效益的一個參考。即:

(2)凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值為經(jīng)濟收益Y與初始總成本C之差，其大小可作為評估光伏系統(tǒng)經(jīng)濟效益的參考。

2 屋頂光伏系統(tǒng)環(huán)境效益

光伏系統(tǒng)在建造安裝之后運行期中基本沒有污染物的排放，能減輕傳統(tǒng)能源發(fā)電對環(huán)境造成的壓力。因為光伏系統(tǒng)壽命基本都在20a以上，其環(huán)境成本即為光伏設(shè)備在制造運輸安裝階段所消耗的大量能量帶來的環(huán)境污染、有害物的排放等。本文以燃煤發(fā)電為對比，進行全周期內(nèi)單位減排效益的計算從而分析屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的環(huán)境效益。

以燃煤發(fā)電來替代某屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)在全周期內(nèi)的發(fā)電總量所造成的環(huán)境成本為A1;該光伏系統(tǒng)在全周期內(nèi)建造安裝運行等所造成的環(huán)境成本為A2，則全周期內(nèi)單位減排成本R為:

表示光伏系統(tǒng)在全周期內(nèi)，每1kWp裝機容量相對傳統(tǒng)燃煤發(fā)電所產(chǎn)生的環(huán)境效益。

3 案例分析

案例為地處西安市的某高層住宅屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其屋頂可用于光伏系統(tǒng)使用面積約為240m2，計劃裝機容量20kWp，項目所在地位于年太陽總輻射量為5334.19MJ/m，年日照時數(shù)達到3218.80h，根據(jù)《太陽能資源評估方法》(QX/T 89－2008)，按照太陽能資源豐富程度等級劃分，屬于資源很豐富帶。采用固定式安裝方式，光伏電池朝向為正南，安裝傾角為35o為最佳傾角［6］。光伏電池組件為多晶硅組件，尺寸:長×寬×厚=1640mm ×992mm×35mm。組件的轉(zhuǎn)換效率為16.3%，使用壽命取20a。

3.1 參數(shù)選取

(1)在系統(tǒng)的建造安裝過程中，不同設(shè)備的成本不同，并會隨著裝機容量的變化而改變。標準情況下，取qn(n=1，2，3，4，5)分別為5000、1500、1000、500元/kW。在本項目中光伏系統(tǒng)發(fā)電并入小區(qū)局域電網(wǎng)自發(fā)自用，不安裝儲能設(shè)施，q5=0。規(guī)模因數(shù)k取0.9。

(2)運行維護成本包括日常對系統(tǒng)的維護以及設(shè)備損壞后的更換，在光伏系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)運行維護系數(shù)j1設(shè)為0.5%;j2為0.2［7］。

(3)項目所在地電價為0.49元/(kW·h)。政府補貼按照0.42元/(kW·h)的標準，并享受省級財政1元/W一次性建設(shè)補貼［8］。系統(tǒng)設(shè)計運行周期20a，發(fā)電效率年衰減率5%。

3.2 綜合效益分析

3.2.1 經(jīng)濟效益分析

Pvsyst是一款專業(yè)的光伏設(shè)計輔助軟件，可根據(jù)輸入的系統(tǒng)各項參數(shù)模擬系統(tǒng)發(fā)電量。計算得出該系統(tǒng)年發(fā)電量27894(kW·h)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)年發(fā)電量模擬結(jié)果

結(jié)合仿真年發(fā)電量，根據(jù)式(1)～(7)計算得出該光伏系統(tǒng)經(jīng)濟成本與收益構(gòu)成如表1所示。

表1 該光伏系統(tǒng)經(jīng)濟成本與收益構(gòu)成元

從式(8)得，單位供電成本0.51元/(kW·h)，與居民用電電價差價僅為－0.02元/(kW·h);整個系統(tǒng)凈現(xiàn)值14239元。當?shù)胤植际焦夥l(fā)電補貼為0.42元/(kW·h)、一次性建設(shè)補貼1元/W，該項目經(jīng)濟收益指標與使用傳統(tǒng)電網(wǎng)電力差別很小，并不會對用戶使用造成經(jīng)濟負擔。如果國家對分布式光伏發(fā)電項目的補貼力度加大，則該項目在運行周期內(nèi)還能夠帶來更大的經(jīng)濟效益。

3.2.2 環(huán)境效益分析

光伏系統(tǒng)在制造階段要消耗大量能量［9］。可計算出該系統(tǒng)初始能量投入約為59406(kW·h)，系統(tǒng)凈發(fā)電量為507504(kW·h)。按照我國現(xiàn)階段平均供電煤耗345g/(kW·h)，該系統(tǒng)在壽命期內(nèi)節(jié)約175t標準煤。該項目污染物減排量如表2所示［10］。

表2 污染物減排量kg

從式(9)計算得到，產(chǎn)生的單位減排成本為2.7元/Wp。表示該系統(tǒng)裝機容量每Wp相比傳統(tǒng)燃煤發(fā)電能夠節(jié)約2.7元的環(huán)境治理成本，系統(tǒng)在運行期間能較快回收在制造過程所消耗的能量，并能減少污染物排。

4 結(jié)語

對屋頂光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟及環(huán)境效益進行了分析，給出了計算模型。并針對某屋頂光伏系統(tǒng)進行了計算得出結(jié)論:該系統(tǒng)供電成本與居民用電電價差價為－0.02元/(kW·h)，不會對居民使用造成經(jīng)濟壓力。系統(tǒng)凈現(xiàn)值14239元，說明該系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟收益;建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)在運行期間能較快回收在制造過程所消耗的能量，并能減少污染物排放。相對于燃煤發(fā)電，該系統(tǒng)壽命期內(nèi)減少47.4t污染物排放量，環(huán)境效益顯著，具有廣闊發(fā)展前景。與地面光伏電站相比，屋頂光伏系統(tǒng)在城市環(huán)境中具有其特殊優(yōu)勢，例如能夠節(jié)約用電，減少輸電距離降低輸電損耗等。

［1］國家發(fā)展和改革委員會.可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃［J］.可再生能源，2007，25(5):1－5.

［2］Seng Lim Yun，Lalchand G，Lin GMS.Economical，environmental and technical analysis of building integrat－ed photovoltaic systems in Malaysia［J］.Energy Policy，2008，36(6):2130－2142.

［3］張鳴，蔡亮，虞維平.BIPV系統(tǒng)經(jīng)濟性分析［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2007，(11):1－4.

［4］羅鳳章，米肇豐，王成山，等.并網(wǎng)光伏發(fā)電工程的低碳綜合效益分析模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014(17):163－169.

［5］楊金煥.光伏系統(tǒng)能量償還時間的分析［J］.上海節(jié)能，2010(1): 11－14.

［6］Yang Jinhuan，Mao Jiajun，Chen Zhonghua.Calculationof solar radiation on variously oriented tilted surface andoptimum tilt angle［J］.Journal of Shanghai JiaotongUni－versity，2002，36(7):1032－1036.

［7］朱群志，司磊磊，蔣挺燕.不同安裝方式建筑光伏的經(jīng)濟性及環(huán)境效益［J］.太陽能學(xué)報，2012，1(1):24－28.

［8］陜西省人民政府.關(guān)于示范推進分布式光伏發(fā)電實施意見(陜政發(fā)［2014］37號)［EB/OL］.http://www.shaanxi.gov.cn/0/103/ 10703.htm，2014－12－04.

［9］Bernal－Agustin J L，Dufo－Lopez Rodolfo.Economical and environmental analysis of grid connected photovoltaic sys－tems in Spain［J］.Renewable Energy，2006，31(8):1107－1128.

［10］孫可.幾種類型發(fā)電公司環(huán)境成本核算的分析研究［J］.能源工程，2004(3):23－26.

Study of economic and environmental benefits analysis of roof photovoltaic system

Photovoltaic(pv)power generation as alternatives to traditional energy sources has its special advantage.Roof photovoltaic system is the effective method to solve the problem of urban land for photovoltaic power generation limited.First，proposed three analysis indicators include unit power supply cost，net present value and emissions reduction benefits.Second research roof pv system of economic and environmental benefits and establish the calculation model.Finally，use Pvsyst software to produce simulation case，and applies the model to calculate and index analysis.The results showed that the roof photovoltaic power generation system applied in the urban environment has better economic and environmental benefits.

roof photovoltaic system;economic benefits;environmental benefits;pvsyst

F426

B

1674－8069(2016)04－053－03

2016-03-11;

2016-04-09

張臻宇(1991-)，男，在讀研究生，研究方向為電力系統(tǒng)通信技術(shù)。E－mail:284353875@qq.com

國家自然科學(xué)基金資助項目(71263043);寧夏自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目(NZ12140)