戶用分布式光伏幕墻在四川地區(qū)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益分析

■ 唐華宇 呂勝男 趙干榮

(1.四川省建筑科學(xué)研究院；2.成都理工大學(xué))

0 引言

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的清潔可再生能源技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)是與住宅建筑結(jié)合，優(yōu)先滿足家庭用電需求，并就近接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)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(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。若戶用分布式光伏發(fā)電采用光伏幕墻的形式，安裝不占用建筑使用面積，可節(jié)省架設(shè)光伏陣列的費(fèi)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(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]顯示，四川省的太陽能理論儲(chǔ)量為7.36×1014kWh，位居全國(guó)第5名；其中，可開發(fā)量為0.877×1014kWh。四川省內(nèi)的太陽能資源儲(chǔ)量分布以川西北的甘孜州、阿壩州這種高海拔地區(qū)最為豐富，如圖1所示，在這些地區(qū)推廣光伏發(fā)電技術(shù)，不僅可以解決當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨?，保護(hù)環(huán)境，還可以將多余電能并入電網(wǎng)，以獲得經(jīng)濟(jì)收益。

本文利用軟件對(duì)四川省各地區(qū)應(yīng)用戶用分布式光伏幕墻接收的年均輻射量情況進(jìn)行了分析，通過建模并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了川西北地區(qū)使用戶用分布式光伏幕墻的能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

1 墻面輻射量的計(jì)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(gè)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(jì)算

一般傾斜面的直接輻射量Hqz的計(jì)算式為：

式中，Rb為直接輻射轉(zhuǎn)換系數(shù)。

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(duì)于垂直墻面而言，θi=α。墻面各角度參數(shù)的定義如圖1所示，其中，β為傾斜面與水平面的傾角，對(duì)于墻面而言，β=90°；γ為太陽方位角。

圖1 墻面各角度參數(shù)示意

因此，對(duì)墻面而言，式(2)可轉(zhuǎn)換為：

墻面直接輻射量H′qz的計(jì)算式為：

1.2 墻面散射輻射量的計(jì)算

目前計(jì)算散射輻射的常用數(shù)學(xué)模型為Hay模型[2]，該模型將散射輻射分為太陽周圍發(fā)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(jì)算式為：

因此，墻面散射輻射量H′qs的計(jì)算公式為：

1.3 地面反射輻射量的計(jì)算

一般傾斜面的地面反射輻射量Hr的計(jì)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(jì)算式為：

2 四川省各地區(qū)應(yīng)用戶用分布式光伏幕墻的年均輻射量的計(jì)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(shù)據(jù)庫(kù)(Ta Température：2000～2009，Ins.Rayonnement: 1991～2010)中查詢各地的逐時(shí)總輻射量、水平面直接輻射量和水平面散射輻射量，再根據(jù)氣象軟件中的逐時(shí)太陽高度角α(見圖2)，分別代入式(4)、式(6)和式(8)，計(jì)算出四川省各地區(qū)應(yīng)用戶用分布式光伏幕墻的逐時(shí)輻射量，繼而統(tǒng)計(jì)出年均輻射量，結(jié)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(shí)軌跡

從表1可以看出，由于垂直安裝的原因，導(dǎo)致戶用分布式光伏幕墻的年均輻射量遠(yuǎn)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(qū)。由于川西北高海拔地區(qū)的水平面年均輻射量遠(yuǎn)高于四川其他地區(qū)，在這些地區(qū)安裝的光伏幕墻接收的太陽輻射量相對(duì)較高，因此，戶用分布式光伏幕墻僅在川西北地區(qū)具備推廣價(jià)值。

表1 水平面與垂直面的年均輻射量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 戶用分布式光伏幕墻的建模及發(fā)電量計(jì)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(yùn)行效益，采用Sketchup軟件建模。模擬地點(diǎn)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(qū)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(jié)構(gòu)；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(cè)外墻上，具體的安裝方式如圖3所示。光伏組件長(zhǎng)1390 mm，寬1080 mm，單塊組件的標(biāo)稱功率為270 Wp，額定轉(zhuǎn)換效率為17%，使用壽命為20年。

3.2 光伏幕墻的光電轉(zhuǎn)換效率的修正

光伏幕墻年均發(fā)電量的理論計(jì)算式為：

圖3 模型建筑的光伏墻立面

但在實(shí)際應(yīng)用中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和發(fā)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(jīng)過串、并聯(lián)，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(yīng)考慮面積修正系數(shù)η1。

2)光伏組件在各安裝角度下均存在反光損耗，設(shè)反光損耗系數(shù)為η2。

3)光伏組件的轉(zhuǎn)換效率是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)定的，在實(shí)際發(fā)電中允許存在5%的偏差，設(shè)轉(zhuǎn)換偏差系數(shù)為η3[3]。

4)太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)表示，本模擬項(xiàng)目中，該數(shù)值為-0.35%/℃。設(shè)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(shù)設(shè)為η4。

5)直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后入網(wǎng)，期間會(huì)產(chǎn)生損失，設(shè)入網(wǎng)損失系數(shù)為η5。

6)光伏組件長(zhǎng)期工作后，表面會(huì)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(fā)電性能，設(shè)污垢系數(shù)為η6[3]。

7)云層、建筑物的遮擋會(huì)導(dǎo)致太陽輻射不均勻，造成光伏組件的失配、輸出功率降低，設(shè)遮擋系數(shù)為η7[4]。本模型的各項(xiàng)修正系數(shù)值及總修正系數(shù)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(zhuǎn)換效率修正系數(shù)

根據(jù)表2可計(jì)算出，戶用分布式光伏幕墻安裝后第1年的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率為10.3%，實(shí)際交流電發(fā)電量為6908 kWh。在未來的使用年份中，由于光伏組件老化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率逐年降低，因此設(shè)轉(zhuǎn)換效率每年的衰減幅度為0.5%。由此可推算出光伏發(fā)電系統(tǒng)在20年壽命期內(nèi)歷年的發(fā)電量，具體如表3所示。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在20年的使用期內(nèi)，本模擬的戶用分布式光伏幕墻的總發(fā)電量為131790 kWh。

3.3 戶用分布式光伏幕墻的經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

近年來光伏產(chǎn)品的市場(chǎng)售價(jià)大幅下降，經(jīng)詢問廠家，本戶用分布式光伏幕墻所使用的光伏產(chǎn)品當(dāng)前的市場(chǎng)售價(jià)約為28000元；因高原地區(qū)運(yùn)輸及安裝成本較高，估算運(yùn)輸及安裝費(fèi)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(fèi)用設(shè)置為成本的1%，考慮通貨膨脹因素，每年維護(hù)費(fèi)按3%的幅度遞增。

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

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

據(jù)2019年《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于完善光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問題的通知》，采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”的戶用分布式光伏全發(fā)電量補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為0.18元/kWh，因此，本模型目前的上網(wǎng)銷售光伏電價(jià)為0.6924元/kWh。鑒于我國(guó)對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)已大幅下降，在模擬未來年份的上網(wǎng)電價(jià)時(shí)，對(duì)補(bǔ)貼金額不做增加。

按以上標(biāo)準(zhǔn)可計(jì)算出稻城縣戶用分布式光伏幕墻在20年壽命期內(nèi)歷年的發(fā)電收入，具體如表3所示。

根據(jù)表3中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本模型中的戶用分布式光伏幕墻在使用期的第8年內(nèi)可以收回投資，在整個(gè)使用期內(nèi)的凈收入為85309元。

3.4 戶用分布式光伏幕墻的環(huán)境效益預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段我國(guó)的電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)仍以使用煤炭的火力發(fā)電為主，單位發(fā)電量的耗煤量約為0.32 kgce/kWh。燃煤發(fā)電會(huì)產(chǎn)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(duì)應(yīng)的環(huán)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(fā)電量及發(fā)電收入

利用光伏發(fā)電可以避免上述污染物的產(chǎn)生。根據(jù)表3的發(fā)電量數(shù)據(jù)，戶用分布式光伏幕墻使用第1年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2210.56 kg，按原煤折標(biāo)系數(shù)0.7143計(jì)算，可節(jié)省原煤3094.72 kg。稻城縣戶用分布式光伏幕墻對(duì)各種污染物的減排量和環(huán)境收益如表4所示。隨著我國(guó)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，單位發(fā)電量的耗煤量有逐漸下降的趨勢(shì)，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)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(huán)境收益為各年相應(yīng)數(shù)值中的最大值。

表4 稻城縣戶用分布式光伏幕墻模型對(duì)各種污染物的減排量和環(huán)境收益

4 川西北地區(qū)采用戶用分布式光伏幕墻的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益統(tǒng)計(jì)

通過前文的計(jì)算流程，可以預(yù)測(cè)該戶用分布式光伏幕墻模型在川西北地區(qū)各地應(yīng)用的發(fā)電量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)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(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

表6 戶用分布式光伏幕墻模型的環(huán)境效益預(yù)測(cè)

由表5、表6可以看出，在川西北地區(qū)應(yīng)用戶用分布式光伏幕墻，可在7～8年內(nèi)收回成本， 凈收益可達(dá)成本的2倍以上，可節(jié)約發(fā)電用標(biāo)準(zhǔn)煤2 t以上。

5 結(jié)論

本文利用川西北常見的獨(dú)棟2層民居作為模型，結(jié)合氣象資料，模擬了戶用分布式光伏幕墻在20年壽命期內(nèi)的發(fā)電量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。從模擬結(jié)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(qū)具備推廣價(jià)值，在四川盆地不具備推廣價(jià)值。

2)利用川西北地區(qū)民居的南向外墻設(shè)置光伏幕墻，每年可產(chǎn)生豐富的電能，除滿足家庭自用電外，還可以將余電上網(wǎng)以獲得經(jīng)濟(jì)收益。由此可在使用期7～8年內(nèi)收回成本，凈收益可達(dá)到成本的2倍以上。

3)川西北地區(qū)民居使用光伏幕墻發(fā)電，每戶每年生產(chǎn)的電能可節(jié)約發(fā)電用標(biāo)準(zhǔn)煤2 t以上，有效降低了污染物排放，具有顯著的環(huán)境效益。