晶硅光伏系統在高層建筑屋頂的應用探討

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 項目背景

1.1 太陽能應用背景

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1.05×1018kWh，相當于1.3×106億 t標準煤。

1.2 太陽能資源概況

技貿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，年平均日照時數為2014 h左右，多年平均太陽輻射量在4542MJ／m2a左右，適合建設太陽能光伏發電項目。

2 晶硅光伏系統在高層建筑應用經濟分析

2.1 高層建筑屋頂單位面積晶硅光伏系統的經濟性分析

下面以上海技貿大廈安裝100 m2、200 m2晶硅太陽能光伏系統為例，分析高層建筑晶硅光伏系統經濟性。

2.1.1 晶硅光伏系統組件及電氣安裝經濟性分析

根據不同的大樓面積、配電房位置、安裝功率，計算出太陽能電池組件（規格190Wp），逆變器，配電柜，導線數量及電氣投資。見表1及圖1。

表1 設備、投資計算表

圖1 容量與電氣投資關系圖

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

表2 大樓高度與費用關系表

2.1.2 晶硅光伏系統施工及運輸經濟分析

施工機械使用費和臨時施工費的使用主要體現在材料的運輸上。根據大樓的外墻形式和大樓本身貨梯的實際情況，會產生不同的運輸方式，故運輸費用會不同，作為案例，如表3所示。

表3 大樓高度與不同運輸方式費用案例表

2.2 在經濟測算中需注意的幾個問題：

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

2）塔吊的使用優點在于運輸材料的數量大，且建筑面積大。在既有大樓頂部施工時，其缺點也很明顯，比如塔吊的安裝速度慢、費用高、一般實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電系統，盡管所安裝系統的裝機功率不發生變化，但是隨著大樓高度的增加，安裝系統的投資同時增加，投資增加的部分體現在延長導線，固定系統的鋼材料，人工費，系統發電的效率的損失，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電系統的面積都不大，一般多在300m2～600m2之間，所安裝的晶硅光伏系統功率較小。在有限的材料運輸過程中，很難借助到機械運輸的優勢，而在超高層建筑中，在不能借助機械運輸的情況下，系統的鋼結構設計將不得不根據既有高層建筑貨梯的最大裝貨尺寸設計，不可避免地增加系統的用鋼量，從而進一步地提高運輸成本。

5）對于相同的裝機容量，由于太陽能光伏板投入基本相同，僅在施工成本、運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計算，將變化成本乘以規模倍數后再乘以經驗系數，以保證總投入準確。按照本項目的經驗，若以500m2太陽光伏電站計算，經驗系數取0.6～0.8為宜。

6）根據本項目的研究，太陽能發電系統在既有建筑屋頂安裝實施中，同樣裝機容量的系統隨著安裝建筑物的屋頂所處高度變化，其費用變化會在50米和100米高度有兩個明顯的拐點，見表4及圖2、圖3所示。

表4 大樓高度與實際費用關系表

圖2 樓高與各項費用關系曲線

圖3 樓高與運輸費用關系曲線

3 結論及建議

3.1 節能及環保效益結論

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

表5 節能環保效益表

3.2 經濟性結論

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

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

表6 25年發電量測算值

如果以工業用電1.03元/kWh計算，在整個太陽能發電系統的生命周期中，可以發電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

在上海地區推廣高層屋頂晶硅光伏系統需要克服從技術到投資回報多重困難。以上海技貿大廈為例，項目投資回收期在15年以上。因此，從推廣晶硅光伏系統角度而言，在項目建設會遇到一定的壓力。

表8 安裝前后效果表

建議一：國家針對此類項目增加補貼力度和補貼范圍。

建議二：將高層建筑太陽能建設和屋頂保溫相結合，提高建筑整體節能效率。

建議三：將晶硅光伏系統組件安裝模塊化，例如設計標準鋼結構組件，以降低初期投入。