某办公楼薄膜光伏发电系统的应用

朱 亮 亮

(重庆市设计院, 重庆 400015)

0 引 言

近年来,我国对气候环境危害的影响越来越重视,对新能源,特别是无污染的清洁可再生能源(如太阳能)越来越渴求,同时随着薄膜光伏发电技术的不断发展,光伏发电在能源消费中占比势必越来越重,发展前景广阔。国家发展改革委“发改价格规[2017]2196号”[1]文件再次落实并明确“自发自用、余量上网”模式的分布式光伏发电项目电量补贴政策,补贴标准为0.37元(含税);工业信息化部、住房城乡建设部、国家能源局等6部门联合发布《智能光伏产业发展行动计划(2018～2020)》,其中住房城乡建设部牵头开展智能光伏建筑及城镇应用示范,计划明确提出在有条件的城镇建筑屋顶(政府建筑、公共建筑、商业建筑、厂矿建筑、设施建筑等)建立独立的“就地消纳”分布式建筑屋顶光伏电站和建筑光伏一体化电站,促进分布式光伏应用发展[2]。

1 薄膜太阳能电池

目前,光伏行业的技术驱动主要体现在上游太阳能电池的发展,本次项目设计考虑以铜铟镓硒为主导的第二代薄膜太阳能电池,也是目前众多企业创新和研发的新方向。几种主要的薄膜太阳能电池与晶硅太阳能电池对比如表1所示。薄膜太阳能电池是用硅、硫化镉、砷化镓等制备成的厚度在微米量级的薄膜为基体材料,通过光电效应或者光化学效应直接把光电转化成电能的装置,成本低,弱光性更佳。目前,国内硅基薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池是可以实现产业化的3种薄膜电池。

表1 几种主要的薄膜太阳能电池与晶硅太阳能电池对比

2 系统介绍

目前,根据薄膜组件的应用场合、功能以及安装方式,建筑物采取的主要分为幕墙、采光顶、遮阳板等部位。光伏发电系统主要设备包含薄膜组件、汇流设备、并网逆变器、支架等。薄膜光伏发电构架示意图如图1所示。

图1 薄膜光伏发电构架示意图

3 技术分析

某项目办公楼为多层建筑,地上5层,地下3层,建筑面积约为5 000 m2,项目位于北纬29°32′,东经106°32′。

该项目薄膜光伏发电系统设计中关键技术问题如下:

(1) 储能设备(即多余的光伏发电电能存储在蓄电池内,供晚上或者夜间使用)。该项目建筑规模较小,且办公楼用电使用时间相对集中在白天,夜晚使用量相对较少,同时考虑储能设备购置价格相对较高,而且更换维修等成本较高,为达到最大经济效益,项目考虑不设置储能设备,光伏发电即发即用、余电上网模式[3]。

(2) 薄膜太阳能电池板的铺设位置。考虑到办公楼为多层建筑,外立面幕墙面积不大,朝阳面受到前方建筑物遮挡等因素,将薄膜太阳能电池板安装在紧邻办公楼的旁边一栋办公楼屋顶,该办公楼屋顶无周围建筑物遮挡,且与太阳角度最利于薄膜太阳能电池板进行能量转换,同时办公楼屋顶同时设置(放弃立面玻璃幕墙薄膜设置),尽最大可能性铺设薄膜太阳能电池板面积,以便获得尽可能多的能源转换。

(3) 薄膜太阳能电池板施工安装。电池板屋面平铺安装,考虑排水角度;结构配重安装考虑120 kg/m2。屋面安装大样示意图如图2所示。

图2 屋面安装大样示意图

(4) 电能是否对外输出。是否对该栋建筑以外输出电能,取决于薄膜光伏发电系统发出的电量。办公楼总设备安装容量约为400 kW,同时利用安装薄膜太阳能电池板的位置,发电量约为48.16 kW,约为建筑用电设备安装容量的10%,因此不考虑对外输出电量,全部自发自用,节约不必要的并网设备费用和人力成本、施工等费用。

(5) 光伏发电的使用。该项目没有设置储能设备,应在白天尽可能多地使用光伏发电所发出的电能。项目设计人员经过分析办公楼电能使用特点,决定优先将光伏发电的电能输送给办公楼的地下车库照明、建筑内部公共走道照明、卫生间照明、电梯厅照明(白天也需维持照度的持续性用电)、小功率蓄热式热水器、车库送排风机(平时送排风)、部分办公用电设备插座等白天需要持续性供电的用电设备。

4 经济性分析

薄膜光伏发电收益分为显性收益和隐形收益,显性收益包括发电收益、降低建筑能耗、绿色建筑政府补贴,隐形收益包括建筑附加值的提升[4]。该项目自身屋顶薄膜太阳能电池板安装面积为80.08 m2(每块1.43 m2,56块),邻近建筑屋顶安装面积为264 m2(每块1.0 m2,264块),合计安装面积约为344 m2,单位组块发电功率为140 Wp,则理论发电量为140×344 kW=48.16 kW。总发电机的总电量Ps=PHKN,其中P为装机容量;H为平均日照时间,重庆属于年总辐射量一般地区(3 100 MJ/m2),平均日照时间取1 100 h(数据来源于重庆市能源局关于引导全市光伏发电产业有序发展的通知“渝能源电[2017]51号”文件,光资源分析如表2所示);K为各种损耗修整系数,取79%(一般推荐值为78.8%～82.1%);N为设备寿命25 a,质保期10 a)。

表2 光资源分析

因此,总发电量Ps= 48.16×1 100×79%×25万kWh =104.6万kWh,商业用电价格(峰谷平均电价)按1.10元/kW(暂不考虑涨价因素),国家补贴电价0.37元/kW(暂不考虑地区补贴),则节约电费1.1×104.6万元=115.1万元,补贴电费0.37×104.6万元=38.7万元,建设成本为344×1 600元=55.0万元,经济收益=节约电费+补贴电费-建设成本=98.8万元,项目静态投资回收期=建设成本÷(每年节约电费+每年补贴电费)=55.0÷[48.16×1 100×79%×1×(1.1+0.37)]a=8.9 a。

利用工程经济学公式,计算动态投资回收期(年利率按4%考虑):

其中P为净现值,表示建设投资;A为年值,表示每年节约电费+每年补贴电费,取6.15万元;n为投资回收期,取整数;i为年利率)。

根据公式将每年电费效益折算为净现值,逐年累加,直到累加值等于初设建设投资值,则该时间即为动态投资回收期,经过计算在第11年到第12年之间可以收回投资,再利用分数比例法计算出动态回收期:第11年后剩余初设投资净现值为1.13万元,第12年电费收益净现值为3.84万元,则剩余需要回收的时间为0.3 a(1.13/3.84),算出最终动态投资回收期为11.3 a。

从以上经济数据来看,经济效益较为明显,净现值远大于0(总理论经济收益98.8万元,静态投资回收期8.9 a,动态投资回收期11.3 a);当然系统运行保质仅10 a,10 a后还应考虑维修费用及更换零部件费用,同时还有光伏发电电量并不会完全使用等负面因素,但同时也有电费上涨、建筑物面积未完全利用等有利因素,实际投资回收期并不等于计算理论回收期;而且该项目系初次尝试,如果充分利用建筑外面积作为光伏发电,经济价值将更可观。总体分析,光伏发电经济效益显著,具有推广应用的可行性。

5 结 语

薄膜光伏发电除了节约电费、政府补贴经济效益外,还有绿色建筑能耗效益(建筑物空调能耗的节约)、减排效益以及对绿色建筑评星贡献效益、建筑附加值等显性和隐性效益;薄膜光伏发电值得大力推广,在综合对比分析后有选择性地在合适的项目中广泛应用。