某辦公樓薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

朱 亮 亮

(重慶市設(shè)計(jì)院, 重慶 400015)

0 引 言

近年來,我國(guó)對(duì)氣候環(huán)境危害的影響越來越重視,對(duì)新能源,特別是無污染的清潔可再生能源(如太陽能)越來越渴求,同時(shí)隨著薄膜光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,光伏發(fā)電在能源消費(fèi)中占比勢(shì)必越來越重,發(fā)展前景廣闊。國(guó)家發(fā)展改革委“發(fā)改價(jià)格規(guī)[2017]2196號(hào)”[1]文件再次落實(shí)并明確“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目電量補(bǔ)貼政策,補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.37元(含稅);工業(yè)信息化部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家能源局等6部門聯(lián)合發(fā)布《智能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018～2020)》,其中住房城鄉(xiāng)建設(shè)部牽頭開展智能光伏建筑及城鎮(zhèn)應(yīng)用示范,計(jì)劃明確提出在有條件的城鎮(zhèn)建筑屋頂(政府建筑、公共建筑、商業(yè)建筑、廠礦建筑、設(shè)施建筑等)建立獨(dú)立的“就地消納”分布式建筑屋頂光伏電站和建筑光伏一體化電站,促進(jìn)分布式光伏應(yīng)用發(fā)展[2]。

1 薄膜太陽能電池

目前,光伏行業(yè)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)主要體現(xiàn)在上游太陽能電池的發(fā)展,本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)考慮以銅銦鎵硒為主導(dǎo)的第二代薄膜太陽能電池,也是目前眾多企業(yè)創(chuàng)新和研發(fā)的新方向。幾種主要的薄膜太陽能電池與晶硅太陽能電池對(duì)比如表1所示。薄膜太陽能電池是用硅、硫化鎘、砷化鎵等制備成的厚度在微米量級(jí)的薄膜為基體材料,通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光電轉(zhuǎn)化成電能的裝置,成本低,弱光性更佳。目前,國(guó)內(nèi)硅基薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池、碲化鎘薄膜電池是可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的3種薄膜電池。

表1 幾種主要的薄膜太陽能電池與晶硅太陽能電池對(duì)比

2 系統(tǒng)介紹

目前,根據(jù)薄膜組件的應(yīng)用場(chǎng)合、功能以及安裝方式,建筑物采取的主要分為幕墻、采光頂、遮陽板等部位。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備包含薄膜組件、匯流設(shè)備、并網(wǎng)逆變器、支架等。薄膜光伏發(fā)電構(gòu)架示意圖如圖1所示。

圖1 薄膜光伏發(fā)電構(gòu)架示意圖

3 技術(shù)分析

某項(xiàng)目辦公樓為多層建筑,地上5層,地下3層,建筑面積約為5 000 m2,項(xiàng)目位于北緯29°32′,東經(jīng)106°32′。

該項(xiàng)目薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)問題如下:

(1) 儲(chǔ)能設(shè)備(即多余的光伏發(fā)電電能存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi),供晚上或者夜間使用)。該項(xiàng)目建筑規(guī)模較小,且辦公樓用電使用時(shí)間相對(duì)集中在白天,夜晚使用量相對(duì)較少,同時(shí)考慮儲(chǔ)能設(shè)備購(gòu)置價(jià)格相對(duì)較高,而且更換維修等成本較高,為達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益,項(xiàng)目考慮不設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備,光伏發(fā)電即發(fā)即用、余電上網(wǎng)模式[3]。

(2) 薄膜太陽能電池板的鋪設(shè)位置?？紤]到辦公樓為多層建筑,外立面幕墻面積不大,朝陽面受到前方建筑物遮擋等因素,將薄膜太陽能電池板安裝在緊鄰辦公樓的旁邊一棟辦公樓屋頂,該辦公樓屋頂無周圍建筑物遮擋,且與太陽角度最利于薄膜太陽能電池板進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,同時(shí)辦公樓屋頂同時(shí)設(shè)置(放棄立面玻璃幕墻薄膜設(shè)置),盡最大可能性鋪設(shè)薄膜太陽能電池板面積,以便獲得盡可能多的能源轉(zhuǎn)換。

(3) 薄膜太陽能電池板施工安裝。電池板屋面平鋪安裝,考慮排水角度;結(jié)構(gòu)配重安裝考慮120 kg/m2。屋面安裝大樣示意圖如圖2所示。

圖2 屋面安裝大樣示意圖

(4) 電能是否對(duì)外輸出。是否對(duì)該棟建筑以外輸出電能,取決于薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電量。辦公樓總設(shè)備安裝容量約為400 kW,同時(shí)利用安裝薄膜太陽能電池板的位置,發(fā)電量約為48.16 kW,約為建筑用電設(shè)備安裝容量的10%,因此不考慮對(duì)外輸出電量,全部自發(fā)自用,節(jié)約不必要的并網(wǎng)設(shè)備費(fèi)用和人力成本、施工等費(fèi)用。

(5) 光伏發(fā)電的使用。該項(xiàng)目沒有設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備,應(yīng)在白天盡可能多地使用光伏發(fā)電所發(fā)出的電能。項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員經(jīng)過分析辦公樓電能使用特點(diǎn),決定優(yōu)先將光伏發(fā)電的電能輸送給辦公樓的地下車庫(kù)照明、建筑內(nèi)部公共走道照明、衛(wèi)生間照明、電梯廳照明(白天也需維持照度的持續(xù)性用電)、小功率蓄熱式熱水器、車庫(kù)送排風(fēng)機(jī)(平時(shí)送排風(fēng))、部分辦公用電設(shè)備插座等白天需要持續(xù)性供電的用電設(shè)備。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

薄膜光伏發(fā)電收益分為顯性收益和隱形收益,顯性收益包括發(fā)電收益、降低建筑能耗、綠色建筑政府補(bǔ)貼,隱形收益包括建筑附加值的提升[4]。該項(xiàng)目自身屋頂薄膜太陽能電池板安裝面積為80.08 m2(每塊1.43 m2,56塊),鄰近建筑屋頂安裝面積為264 m2(每塊1.0 m2,264塊),合計(jì)安裝面積約為344 m2,單位組塊發(fā)電功率為140 Wp,則理論發(fā)電量為140×344 kW=48.16 kW?？偘l(fā)電機(jī)的總電量Ps=PHKN,其中P為裝機(jī)容量;H為平均日照時(shí)間,重慶屬于年總輻射量一般地區(qū)(3 100 MJ/m2),平均日照時(shí)間取1 100 h(數(shù)據(jù)來源于重慶市能源局關(guān)于引導(dǎo)全市光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展的通知“渝能源電[2017]51號(hào)”文件,光資源分析如表2所示);K為各種損耗修整系數(shù),取79%(一般推薦值為78.8%～82.1%);N為設(shè)備壽命25 a,質(zhì)保期10 a)。

表2 光資源分析

因此,總發(fā)電量Ps= 48.16×1 100×79%×25萬kWh =104.6萬kWh,商業(yè)用電價(jià)格(峰谷平均電價(jià))按1.10元/kW(暫不考慮漲價(jià)因素),國(guó)家補(bǔ)貼電價(jià)0.37元/kW(暫不考慮地區(qū)補(bǔ)貼),則節(jié)約電費(fèi)1.1×104.6萬元=115.1萬元,補(bǔ)貼電費(fèi)0.37×104.6萬元=38.7萬元,建設(shè)成本為344×1 600元=55.0萬元,經(jīng)濟(jì)收益=節(jié)約電費(fèi)+補(bǔ)貼電費(fèi)-建設(shè)成本=98.8萬元,項(xiàng)目靜態(tài)投資回收期=建設(shè)成本÷(每年節(jié)約電費(fèi)+每年補(bǔ)貼電費(fèi))=55.0÷[48.16×1 100×79%×1×(1.1+0.37)]a=8.9 a。

利用工程經(jīng)濟(jì)學(xué)公式,計(jì)算動(dòng)態(tài)投資回收期(年利率按4%考慮):

其中P為凈現(xiàn)值,表示建設(shè)投資;A為年值,表示每年節(jié)約電費(fèi)+每年補(bǔ)貼電費(fèi),取6.15萬元;n為投資回收期,取整數(shù);i為年利率)。

根據(jù)公式將每年電費(fèi)效益折算為凈現(xiàn)值,逐年累加,直到累加值等于初設(shè)建設(shè)投資值,則該時(shí)間即為動(dòng)態(tài)投資回收期,經(jīng)過計(jì)算在第11年到第12年之間可以收回投資,再利用分?jǐn)?shù)比例法計(jì)算出動(dòng)態(tài)回收期:第11年后剩余初設(shè)投資凈現(xiàn)值為1.13萬元,第12年電費(fèi)收益凈現(xiàn)值為3.84萬元,則剩余需要回收的時(shí)間為0.3 a(1.13/3.84),算出最終動(dòng)態(tài)投資回收期為11.3 a。

從以上經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來看,經(jīng)濟(jì)效益較為明顯,凈現(xiàn)值遠(yuǎn)大于0(總理論經(jīng)濟(jì)收益98.8萬元,靜態(tài)投資回收期8.9 a,動(dòng)態(tài)投資回收期11.3 a);當(dāng)然系統(tǒng)運(yùn)行保質(zhì)僅10 a,10 a后還應(yīng)考慮維修費(fèi)用及更換零部件費(fèi)用,同時(shí)還有光伏發(fā)電電量并不會(huì)完全使用等負(fù)面因素,但同時(shí)也有電費(fèi)上漲、建筑物面積未完全利用等有利因素,實(shí)際投資回收期并不等于計(jì)算理論回收期;而且該項(xiàng)目系初次嘗試,如果充分利用建筑外面積作為光伏發(fā)電,經(jīng)濟(jì)價(jià)值將更可觀?？傮w分析,光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益顯著,具有推廣應(yīng)用的可行性。

5 結(jié) 語

薄膜光伏發(fā)電除了節(jié)約電費(fèi)、政府補(bǔ)貼經(jīng)濟(jì)效益外,還有綠色建筑能耗效益(建筑物空調(diào)能耗的節(jié)約)、減排效益以及對(duì)綠色建筑評(píng)星貢獻(xiàn)效益、建筑附加值等顯性和隱性效益;薄膜光伏發(fā)電值得大力推廣,在綜合對(duì)比分析后有選擇性地在合適的項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。