公共建筑光伏系統(tǒng)太陽能利用潛力評價

徐 偉，張慧慧

(內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

據(jù)《2019世界能源展望》統(tǒng)計，建筑物占全球能源增長的1/3以上，建設終端能耗將占到全社會總能耗的40%左右。隨著中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度的加快，對于建筑新能源的開發(fā)利用越來越受到重視，在可再生能源中太陽能是安全清潔、頗具潛力的替代能源，由于其自身具有品位低、分布廣的特點，最適宜在建筑領域推廣[1]。為了緩解城市中能源危機、降低建筑能耗，評價城市中建筑光伏利用潛力已成為研究熱點。以往學者多從兩方面對光伏建筑太陽能利用潛力進行評價，其一，以城市建筑為研究對象，利用GIS等工具進行城市控規(guī)階段的建筑光伏利用潛力研究[2-5]；其二，以區(qū)域住宅及民用建筑為研究對象，對建筑屋頂?shù)募夹g、經(jīng)濟、環(huán)境利用潛力進行定性及定量評估[6-9]。

綜上，學者對光伏建筑太陽能利用潛力的研究多集中在城市控規(guī)階段的區(qū)域建筑，民用建筑及住宅建筑。隨著城市化進程的加快，公共建筑在城市建筑中占比逐漸增大，相比住宅建筑，公共建筑具有更豐富的輻射面積，且公共建筑應用的商業(yè)電價遠高于居民用電。因此，以公共建筑為例系統(tǒng)地構建了光伏建筑太陽能利用潛力評價體系，量化利用太陽能替代傳統(tǒng)能源所產(chǎn)生的效益，展示公共建筑采用分布式光伏系統(tǒng)的發(fā)展前景，為光伏行業(yè)發(fā)展及該領域的科學研究提供參考。

1 包商銀行商務大廈光伏系統(tǒng)概況

內(nèi)蒙古地區(qū)太陽能資源豐富，僅次于西藏，居全國第二位，包頭市地理坐標為 109°50′E～111°25′E、41°20′N～42°40′N，太陽能年總輻射量在 1 658.05～1 675.14 kWh/m2之間，年日照時數(shù)2 806 h，年日照百分率為0.6～0.75，屬于太陽能資源較豐富地區(qū)(見表1)，可利用的太陽能資源量巨大。選擇最佳光伏組件配置方案對位于包頭市新都市區(qū)包商銀行商務大廈光伏應用示范項目進行潛力最大化評價。包商銀行光伏系統(tǒng)配置方式如圖1所示，建筑屋頂配置260 kWp的多晶硅發(fā)電系統(tǒng)，分別安裝在B座辦公樓和C座酒店的屋頂，光電轉化效率為14.49%，采用1臺33 kW及3臺20 kW逆變器，其轉化效率為98%，設計壽命25 a；建筑立面為光伏遮陽板系統(tǒng)，采用漢能歐瑞康BIPV光伏組件，尺寸1 100 mm×1 300 mm，5%透光，共計2 070塊，總安裝面積2 960 m2，分別安裝在A座辦公樓、裙樓、B座辦公樓的南立面和東立面，總裝機量420 kW，可替代傳統(tǒng)遮陽設備，并實現(xiàn)微透光。

表1 內(nèi)蒙古太陽能資源區(qū)域對比表Table 1 Comparison table of solar energy resources in Inner Mongolia

圖1 包商銀行及光伏系統(tǒng)配置圖Fig. 1 Baoshang Bank and PV system configuration diagram

2 光伏建筑全年太陽輻射模型的測設

以包商銀行商務大廈為例并選取典型輻射區(qū)域，采用包頭地區(qū)中國標準氣象數(shù)據(jù)(CSWD，Chinese standard weather data)，利用 Autodesk Ecotect 軟件進行了區(qū)域外圍護結構全年太陽輻射量的模擬計算，從而得出圖2中建筑能量3D彩色輻射分布圖。所選典型建筑物表面的年太陽輻射總量約為14 659 800 kWh,最大年輻射密度為1 472 kWh/m2，定義為黃色，最小年輻射密度為960 kWh/m2，定義為藍色。為了分析屋頂和立面的太陽能潛力，表2 列出了相關的輻射指標。屋頂在建筑物表面中每單位面積接收的年度太陽輻射最多，平均太陽能密度可達到 1 334.4 kWh/m2，其次為南立面的平均密度為921.6 kWh/m2，東立面平均密度為577.6 kWh/m2。在不同季節(jié)，夏季太陽輻射產(chǎn)量占太陽輻射總產(chǎn)量的38%，春季為31%，秋季為19%，冬季為12%。根據(jù)建筑物輻射分布圖配置合適的光伏組件，使光伏建筑太陽能利用能力達到最大化，由分布圖可知建筑屋頂區(qū)域輻射密度遠高于立面，適合配置發(fā)電效率較高的多晶硅電池，從而提高光伏系統(tǒng)整體發(fā)電量；而在立面等輻射密度較小的區(qū)域配置非晶硅薄膜電池，利用其形式多樣、生產(chǎn)能耗低、弱光響應好、功率溫度系數(shù)低、成本相對較低等特點來提高光伏系統(tǒng)的美觀性及太陽能利用潛力，保證系統(tǒng)整體效率在97%以上。以上光伏系統(tǒng)配置方式與包商銀行光伏系統(tǒng)配置一致，驗證了輻射模型及配置方式的準確性。

圖2 建筑表面3D年輻射圖Fig. 2 3D annual radiation pattern of the building surface

表2 包商銀行典型建筑表面相關輻射指數(shù)

3 光伏建筑太陽能利用潛力評價模型的構建

研究遵循科學性、數(shù)據(jù)可獲得性，可計算性的原則，通過光伏系統(tǒng)高峰期能源潛力、經(jīng)濟潛力、社會潛力3個維度構建評價模型，對光伏建筑太陽能利用潛力進行最大化評價。

3.1 高峰期能源潛力評估

3.1.1 光伏系統(tǒng)發(fā)電量計算

光伏系統(tǒng)年發(fā)電量是其性能評價的重要指標，也是衡量光伏建筑太陽能利用潛力的基礎。根據(jù)光伏組件性能參數(shù)及Meteonorm 7.1氣象數(shù)據(jù)庫中包頭市氣象數(shù)據(jù)，利用PVsyst軟件分別對多晶硅光伏系統(tǒng)及薄膜光伏系統(tǒng)進行模擬計算，得到光伏系統(tǒng)25 a生命周期總發(fā)電量為6 695 777.78 kWh，典型建筑物表面的逐月及全年光伏系統(tǒng)年發(fā)電量如圖3所示。由圖3可知，在典型氣象年條件下，多晶硅系統(tǒng)與薄膜系統(tǒng)全年發(fā)電量共計287 856.11 kWh,其中多晶硅系統(tǒng)年發(fā)電量為118 501.43 kWh，薄膜系統(tǒng)年發(fā)電量為169 354.68 kWh，月均發(fā)電高峰期集中在4，5，6月份，其中又以5月份發(fā)電量最多，7月份太陽輻射量較高而發(fā)電量低是由溫度過高，光伏板發(fā)電效率降低所致。其結果與表3中Meteonorm 7.1氣象數(shù)據(jù)庫中包頭市峰值日照時數(shù)相吻合。

圖3 包商銀行光伏系統(tǒng)逐月發(fā)電量Fig. 3 Monthly sales of photovoltaic system of Baoshang Bank

利用包商銀行商務大廈監(jiān)測典型建筑物的能源使用量，太陽能光伏系統(tǒng)提供的能源比例從夏季的20%左右到冬季的10%左右。圖4顯示了太陽能發(fā)電系統(tǒng)和當?shù)仉娋W(wǎng)輸送能源的季節(jié)性貢獻，隨著光伏板質(zhì)量、技術性能及其后期維護水平的提高，太陽能發(fā)電量占建筑總用能的比重將進一步增加。

表3 包頭市峰值日照時數(shù)Table 3 Peak sunshine hours in Baotou City

圖4 包商銀行光伏系統(tǒng)產(chǎn)能與電網(wǎng)供能貢獻率Fig. 4 Baoshang Bank’s photovoltaic system capacity and grid energy contribution rate

3.1.2 高峰期能源潛力計算

實現(xiàn)光伏建筑一體化，除了直接滿足建筑本身的用能需求以外，還能夠有效減少大量的輸變電損失，能夠在用電高峰期起到削峰填谷的作用，在氣候變化和由此導致的極端氣候事件增加的背景下，光伏建筑的廣泛應用可在一定程度上緩解區(qū)域電網(wǎng)的壓力。

內(nèi)蒙古地區(qū)作為中國北方重要生態(tài)屏障，據(jù)有關研究表明其暖晝?nèi)諗?shù)具有顯著增加趨勢，變化速率為每10 a將出現(xiàn)1.7 d暖晝?nèi)誟10]。閆慧敏等相關研究也指出內(nèi)蒙古地區(qū)表征高溫時間的夏日指數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)、熱持續(xù)指數(shù)等均呈上升趨勢[11]。據(jù)《2017年內(nèi)蒙古氣象公報》統(tǒng)計，2017年日最高氣溫達到極端事件監(jiān)測標準的站點中，內(nèi)蒙古區(qū)域于2017年5月18日出現(xiàn)43.6 ℃的極端高溫天氣，其中包頭市于2017年5月18日和7月中旬分別出現(xiàn)2次高溫天氣。以5月18日前后高溫天氣為例，分析包頭市包商銀行商務大廈用電高峰期能源潛力情況。表4為包頭市氣象局統(tǒng)計的2017年包頭市高溫天氣，5月18日前后3天的每日最低和最高溫度，以及包商銀行光伏系統(tǒng)功率峰值、凈電力需求峰值和最小值。由表4 可以看出，為了提高人類熱舒適性，極端氣候期間的最大環(huán)境溫度與電氣負載峰值狀態(tài)相對應，而光伏系統(tǒng)在負載峰值狀態(tài)對電網(wǎng)有一定的緩解作用，如圖5所示，為極端氣候期間對包商銀行光伏系統(tǒng)發(fā)電量、凈電力及總電力實施監(jiān)測的需求狀況。由圖5可得：①極端氣候期間包商銀行典型建筑平均每日總電力需求為460.41 kW，凈電力需求為403.78 kW，光伏系統(tǒng)平均日發(fā)電量為57.7 kW，其中凈電力需求對總電力需求的貢獻為87.7%，光伏發(fā)電對其總電力需求的貢獻為12.5%，即包商銀行光伏系統(tǒng)能以總電力需求的12.5%來緩解高峰期當?shù)仉娋W(wǎng)的壓力。②選取包商銀行典型建筑由銀行辦公大樓及商務酒店組成，由圖5看出，第一個用電高峰期為銀行上班時間9:00～17:00，在光伏系統(tǒng)發(fā)電期間6:00～19:00以內(nèi)。第二個用電高峰期為20:00，而當?shù)仉娋W(wǎng)高峰期為18:00，則光伏系統(tǒng)在18:00以后的建筑用能高峰期間持續(xù)做出貢獻，將用能高峰延遲了2 h，減少了高峰期間電網(wǎng)供應無法滿足用電需求而導致的停電事件的發(fā)生。③光伏系統(tǒng)對建筑用能的貢獻，減少了對昂貴的電網(wǎng)基礎設施的需求，從而降低了區(qū)域經(jīng)濟的能源成本。

表4 2017包頭市極端氣候期每日極端溫度、光伏系統(tǒng)和凈電力需求峰值Table 4 2017 Daily extreme temperature and peak PV system and net electricity demand during the extreme climatic period in Baotou City

圖5 極端氣候期間包商銀行光伏系統(tǒng)發(fā)電量、凈電力及總電力需求狀況Fig. 5 Overview of PV system’s photovoltaic system power generation, net power and total electricity demand during extreme climate

3.2 光伏建筑太陽能利用經(jīng)濟及社會潛力評價

通過選取一系列相關的經(jīng)濟性及社會潛力評價指標，對包商銀行光伏系統(tǒng)太陽能利用的經(jīng)濟及社會潛力進行量化，并對相關的經(jīng)濟指標進行耦合性分析，為實現(xiàn)太陽能利用經(jīng)濟潛力最大化提供參考。

3.2.1 經(jīng)濟性潛力評價

通過全生命周期凈收益、單位供電成本、單位造價、投資回收期等經(jīng)濟指標對包商銀行光伏建筑太陽能利用的經(jīng)濟潛力進行評價，并分析了政府補貼、單位供電成本與投資回收期的耦合關系。

1)經(jīng)濟性指標評價。

光伏建筑的成本效益是太陽能利用經(jīng)濟潛力的最直觀表現(xiàn)。包商銀行光伏系統(tǒng)遵循“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的原則，2種情況都可享受20年0.42元/度的國家光伏補貼，2018年“5.31”光伏新政以后，其仍執(zhí)行0.42元/度的國家分布式光伏發(fā)電補貼政策。2018年中國工商業(yè)電價為0.8元/kWh，為各種售電類型中最高一類，同時，光伏上網(wǎng)電價也為0.8元/kWh，則包商銀行光伏系統(tǒng)整個生命周期電價均按0.8元/kWh計算，如下為包商銀行光伏系統(tǒng)經(jīng)濟潛力評價指標計算，其主要技術經(jīng)濟參數(shù)如表5所示。隨著光伏技術的提高與推廣，光伏發(fā)電效益有不斷上升的趨勢。光伏系統(tǒng)生命周期內(nèi)總發(fā)電效益為

Btotal=287 856.11×(0.8+0.42)×20+287 856.11×0.8×5=817.51萬元。

光伏系統(tǒng)總投資成本為

Ctotal=Csystem+Co&m+Cac，

(1)

式中：Ctotal為系統(tǒng)總成本；Csystem為系統(tǒng)初始投資成本；Co&m為總運行維護費用；Cac壽命期內(nèi)偶生成本。

單位供電成本[12]為

(2)

式中：Cunit為單位供電成本；Cdiscounted為總成本折現(xiàn)值；Paverage為年平均發(fā)電量；N為系統(tǒng)壽命周期。將各項成本折算到投資初期的現(xiàn)值即為總成本折現(xiàn)值，折現(xiàn)率計算公式為

(3)

取利率i為4%，通貨膨脹率g為3%，則折現(xiàn)率i′為0.97%。

光伏系統(tǒng)運行維護費用的折現(xiàn)值為

(4)

式中，年運行系數(shù)λ取0.5%。

包商銀行光伏系統(tǒng)的偶生成本Cac為逆變器的維護或更換成本，取初投資成本的20%[12]。光伏系統(tǒng)生命周期凈收益可表示為

Ia=[(B+P)×Q×20+P×Q×5]-Ctotal，

(5)

式中：B為國家財政補貼；P為當?shù)仉妰r；Q為年實際平均用電量。建筑光伏系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期計算為

T=Csystem/Ia，

(6)

光伏系統(tǒng)單位造價計算公式為

(7)

式中，p為光伏系統(tǒng)裝機容量。

綜合考慮各項費用，包商銀行光伏系統(tǒng)的總成本折現(xiàn)值為561.3萬元；單位供電成本為0.78 元/kWh；生命周期凈收益104.66萬元；投資回收期為5.15 a；光伏系統(tǒng)單位造價為7.9元/W。

表5 包商銀行光伏系統(tǒng)主要技術經(jīng)濟參數(shù)Table 5 Main technical and economic parameters of the PV system of Baoshang Bank

2)政府補貼與單位造價的耦合性分析。

當光伏系統(tǒng)發(fā)電電價與電網(wǎng)上網(wǎng)電價相同時，在光伏系統(tǒng)壽命期間內(nèi)收不回投資，因此，為了保證系統(tǒng)的經(jīng)濟性，需要國家給予一定的財政補貼。而且，隨著光伏技術的提高及單位造價的降低，光伏單位供電成本呈逐年降低的趨勢。2018年5月31日三部委聯(lián)合發(fā)布“5.31”光伏新政，新政指出將分布式光伏納入指標管理，加速補貼退坡，以解決光伏消納問題并縮小光伏財政補貼缺口。光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位供電成本降低是政府縮減補貼的重要依據(jù)，因此，以包商銀行光伏系統(tǒng)為例分析政府補貼、單位供電成本及投資回收期的三維耦合關系，以期使光伏建筑的經(jīng)濟潛力最大化并為光伏產(chǎn)業(yè)政策提供借鑒。

圖6所示為包商銀行光伏系統(tǒng)單位造價、政府補貼與投資回收期之間的三維耦合關系。由圖6可知，當政府補貼及單位造價按照一定的規(guī)律同時下降，光伏系統(tǒng)的投資回收期會維持在合理水平。從2018年“5.31”光伏新政來看，降低光伏系統(tǒng)單位造價及政府補貼是光伏建筑及光伏產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的正確趨勢。當政府補貼與單位造價之間的補貼不協(xié)調(diào)，將造成光伏產(chǎn)業(yè)的波動。

圖6 包商銀行光伏系統(tǒng)投資回收期、政府補貼及單位造價的耦合關系Fig. 6 Coupling relationship between investment recovery period, government subsidy and unit cost of PV system of Baoshang Bank

3.2.2 社會潛力評價

光伏建筑除了通過產(chǎn)生電力給相關經(jīng)濟主體帶來良好的經(jīng)濟效益外，還在使用過程中產(chǎn)生一定的外部效益[13]。光伏建筑的外部效益主要表現(xiàn)在社會效益方面，通過光伏建筑的國民經(jīng)濟價值及環(huán)境價值對外部效益進行量化，以評估光伏建筑太陽能利用的社會潛力。

1)社會潛力評價模型。

光伏建筑的國民經(jīng)濟價值指增加單位電力貢獻帶來的GDP增加值，以電力的國民經(jīng)濟影子價格來表示。光伏建筑的環(huán)境價值指因發(fā)展光伏建筑而避免的環(huán)境破壞及節(jié)約的環(huán)境效益。則光伏建筑的社會效益為

bs=ps+bE，

(8)

式中：bs為光伏建筑的社會效益；ps為電力影子價格；bE為光伏建筑的環(huán)境效益。

2)社會潛力評價。

隨著中國電力資源的短缺，電力的影子價格遠遠大于其市場價格，則可用電力的平均經(jīng)濟價值即GDP與年發(fā)電量的比值來替代其影子價格[14]。表6給出中國2013～2017年電力平均經(jīng)濟價值的變化情況，由表6可以看出，中國電力平均經(jīng)濟價值從2013年的11.03元/kWh 逐年增長到2017年的12.73元/kWh,取其5年的平均值11.83元/kWh作為當前光伏系統(tǒng)的平均經(jīng)濟價值。

表6 2013～2017年中國電力平均經(jīng)濟價值Table 6 Average economic value of China’s electricity from 2013 to 2017

目前中國建筑用電仍以燃煤發(fā)電為主，且燃煤發(fā)電產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx及粉塵等污染物增加了建筑能耗的同時給環(huán)境保護帶來巨大的威脅。因此文中對比燃煤發(fā)電方式，評價包商銀行光伏發(fā)電系統(tǒng)給建筑物帶來的環(huán)境效益。包商銀行光伏系統(tǒng)25 a生命周期的總發(fā)電量為6 695 777.78 kWh，2017年中國平均供電煤耗為308 g/kWh，則包商銀行光伏系統(tǒng)在其壽命期可節(jié)約2 062.30 t標準煤，表7為1 t標準煤燃燒排放的污染物及每單位污染物排放帶來的環(huán)境成本。表8為包商銀行光伏系統(tǒng)污染物減排量及其環(huán)境效益，由表8可以看出與燃煤發(fā)電相比，包商銀行光伏系統(tǒng)25 a壽命期內(nèi)的污染物減排量為5 590.90 t，故包商銀行光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境效益為0.096元/kWh，由式(8)可得包商銀行光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的社會效益為11.93元/kWh。

表7 單位減排系數(shù)及環(huán)境成本[15]Table 7 Unit emission reduction coefficient and environmental cost [15]

表8 污染物減排量及環(huán)境效益Table 8 Pollutant emission reductions and environmental benefits

4 結 論

以公共建筑光伏系統(tǒng)為例，在求取光伏建筑全年太陽輻射模型的基礎上，系統(tǒng)地構建了光伏建筑太陽能利用潛力評價模型，從高峰期能源潛力、經(jīng)濟潛力、社會潛力3個方面對其太陽利用潛力進行評價。研究指出：光伏系統(tǒng)在公共建筑用能高峰期以總用能的12.5%緩解當?shù)仉娋W(wǎng)的壓力，并可將用能高峰推遲；選取相關經(jīng)濟及環(huán)境指標進行評價，并對相關經(jīng)濟指標的耦合性進行分析，得出公共建筑光伏系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟及社會效益，并為光伏政策的制定提供建議。

隨著智能電網(wǎng)技術的發(fā)展，太陽能等清潔能源越來越受到重視。文章所提出的光伏建筑太陽能利用潛力的評價方法，對于光伏建筑一體化的推廣，光伏產(chǎn)業(yè)政策的制定及可再生能源在建筑上的應用具有一定的指導意義。