户用分布式光伏幕墙在四川地区的经济与环境效益分析

■ 唐华宇 吕胜男 赵干荣

(1.四川省建筑科学研究院；2.成都理工大学)

0 引言

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应，将太阳能转换为电能的清洁可再生能源技术。光伏发电系统主要由光伏组件、控制器和逆变器3大部分组成。户用分布式光伏发电系统是与住宅建筑结合，优先满足家庭用电需求，并就近接入当地电网的小型光伏电站。光伏幕墙是光伏建筑一体化的一种形式，即把光伏组件集成到建筑物外墙上，成为建筑物围护结构的一部分。若户用分布式光伏发电采用光伏幕墙的形式，安装不占用建筑使用面积，可节省架设光伏阵列的费用；而且由于各光伏组件处于同一平面，相互遮蔽小，可比同等面积的屋面安装更多组件。

四川省的太阳能资源丰富，据统计数据[1]显示，四川省的太阳能理论储量为7.36×1014kWh，位居全国第5名；其中，可开发量为0.877×1014kWh。四川省内的太阳能资源储量分布以川西北的甘孜州、阿坝州这种高海拔地区最为丰富，如图1所示，在这些地区推广光伏发电技术，不仅可以解决当地的用电需求，保护环境，还可以将多余电能并入电网，以获得经济收益。

本文利用软件对四川省各地区应用户用分布式光伏幕墙接收的年均辐射量情况进行了分析，通过建模并结合当地的气象数据，重点分析了川西北地区使用户用分布式光伏幕墙的能源、经济和环境效益。

1 墙面辐射量的计算方法

水平面总辐射量Hs由水平面直接辐射量Hsz和水平面散射辐射量Hss两个分量组成。倾斜面的总辐射量Hq由倾斜面直接辐射量Hqz、倾斜面散射辐射量Hqs、地面反射辐射量Hr3部分组成。

1.1 墙面直接辐射量的计算

一般倾斜面的直接辐射量Hqz的计算式为：

式中，Rb为直接辐射转换系数。

Rb的定义为：

式中，θz为太阳天顶角，与太阳高度角α互为余角；θi为太阳入射角，即太阳直射光线与倾斜面法线之间的夹角，对于垂直墙面而言，θi=α。墙面各角度参数的定义如图1所示，其中，β为倾斜面与水平面的倾角，对于墙面而言，β=90°；γ为太阳方位角。

图1 墙面各角度参数示意

因此，对墙面而言，式(2)可转换为：

墙面直接辐射量H′qz的计算式为：

1.2 墙面散射辐射量的计算

目前计算散射辐射的常用数学模型为Hay模型[2]，该模型将散射辐射分为太阳周围发散的辐射和其余天空穹顶均匀分布的散射。

一般倾斜面的散射辐射量Hqs的计算式为：

因此，墙面散射辐射量H′qs的计算公式为：

1.3 地面反射辐射量的计算

一般倾斜面的地面反射辐射量Hr的计算式为：

式中，ρ为地面反射率。

因此，墙面的地面反射辐射量H′r的计算式为：

2 四川省各地区应用户用分布式光伏幕墙的年均辐射量的计算

四川省全省位于北回归线以北，为能充分接收太阳辐射，本次模拟的户用分布式光伏幕墙均为正南朝向，方位角为0°。从Cythelia Energy公司的温度和太阳能辐射数据库(Ta Température：2000～2009，Ins.Rayonnement: 1991～2010)中查询各地的逐时总辐射量、水平面直接辐射量和水平面散射辐射量，再根据气象软件中的逐时太阳高度角α(见图2)，分别代入式(4)、式(6)和式(8)，计算出四川省各地区应用户用分布式光伏幕墙的逐时辐射量，继而统计出年均辐射量，结果如表1所示。

图2 甘孜州稻城县1年中每月21日的太阳逐时轨迹

从表1可以看出，由于垂直安装的原因，导致户用分布式光伏幕墙的年均辐射量远低于水平面的年均辐射量，因此，户用分布式光伏幕墙并不适用于太阳辐射量较低的四川盆地地区。由于川西北高海拔地区的水平面年均辐射量远高于四川其他地区，在这些地区安装的光伏幕墙接收的太阳辐射量相对较高，因此，户用分布式光伏幕墙仅在川西北地区具备推广价值。

表1 水平面与垂直面的年均辐射量统计结果

3 户用分布式光伏幕墙的建模及发电量计算

3.1 户用分布式光伏幕墙的建模

为分析户用分布式光伏幕墙的运行效益，采用Sketchup软件建模。模拟地点位于甘孜州稻城县；搭建1栋2层高的民居，建筑形式属于川西北地区常见的藏式民居，朝向正南；总建筑面积为258.2 m2，建筑高度为6.25 m，采用钢筋混凝土框架结构；模型建立在空旷地面上，不受其他物体遮挡的影响。

本次模拟选用27块单晶硅光伏组件，以垂直贴壁的方式，安装在建筑南侧外墙上，具体的安装方式如图3所示。光伏组件长1390 mm，宽1080 mm，单块组件的标称功率为270 Wp，额定转换效率为17%，使用寿命为20年。

3.2 光伏幕墙的光电转换效率的修正

光伏幕墙年均发电量的理论计算式为：

图3 模型建筑的光伏墙立面

但在实际应用中，光伏发电系统的输出功率和发电量通常受到很多影响因素的限制，具体包括以下几方面：

1)太阳电池经过串、并联，封装成为光伏组件，但电池总面积小于光伏组件的表面积，因此应考虑面积修正系数η1。

2)光伏组件在各安装角度下均存在反光损耗，设反光损耗系数为η2。

3)光伏组件的转换效率是在实验室标准测试条件下测定的，在实际发电中允许存在5%的偏差，设转换偏差系数为η3[3]。

4)太阳电池的标准工作温度为25 ℃，电池温度越高，开路电压越低，太阳电池的输出功率随之降低，降低比率用功率温度系数表示，本模拟项目中，该数值为-0.35%/℃。设太阳电池的平均温升为20 ℃，则温升偏差损失为7%，该温升偏差系数设为η4。

5)直流电经过逆变器转换成交流电后入网，期间会产生损失，设入网损失系数为η5。

6)光伏组件长期工作后，表面会形成不同程度的污垢，从而减弱接收的太阳辐射量，影响光伏组件的发电性能，设污垢系数为η6[3]。

7)云层、建筑物的遮挡会导致太阳辐射不均匀，造成光伏组件的失配、输出功率降低，设遮挡系数为η7[4]。本模型的各项修正系数值及总修正系数值具体如表2所示。

表2 户用分布式光伏幕墙模型的光电转换效率修正系数

根据表2可计算出，户用分布式光伏幕墙安装后第1年的实际光电转换效率为10.3%，实际交流电发电量为6908 kWh。在未来的使用年份中，由于光伏组件老化会导致转换效率逐年降低，因此设转换效率每年的衰减幅度为0.5%。由此可推算出光伏发电系统在20年寿命期内历年的发电量，具体如表3所示。

根据表中的数据，在20年的使用期内，本模拟的户用分布式光伏幕墙的总发电量为131790 kWh。

3.3 户用分布式光伏幕墙的经济效益预测

近年来光伏产品的市场售价大幅下降，经询问厂家，本户用分布式光伏幕墙所使用的光伏产品当前的市场售价约为28000元；因高原地区运输及安装成本较高，估算运输及安装费用约为7000元。因此，本光伏幕墙的成本约为35000元。

光伏幕墙首年维修费用设置为成本的1%，考虑通货膨胀因素，每年维护费按3%的幅度递增。

户用分布式光伏幕墙所发电量，在满足家庭使用的前提下，余量销售给电网。目前，甘孜州、阿坝州地区1户家庭的年用电量约为800 kWh，考虑经济发展，本模型此后每年的用电量以5%的幅度递增。

根据四川省电网销售电价表，2019年度，四川省城乡一户一表居民使用中高压线路(35～110 kV)供配电的电价为0.5124元/kWh；本模型此后每年的电价增幅按5%模拟。

据2019年《国家发展改革委关于完善光伏发电上网电价机制有关问题的通知》，采用“自发自用，余量上网”的户用分布式光伏全发电量补贴标准调整为0.18元/kWh，因此，本模型目前的上网销售光伏电价为0.6924元/kWh。鉴于我国对光伏发电的补贴标准已大幅下降，在模拟未来年份的上网电价时，对补贴金额不做增加。

按以上标准可计算出稻城县户用分布式光伏幕墙在20年寿命期内历年的发电收入，具体如表3所示。

根据表3中的统计数据，本模型中的户用分布式光伏幕墙在使用期的第8年内可以收回投资，在整个使用期内的净收入为85309元。

3.4 户用分布式光伏幕墙的环境效益预测

现阶段我国的电力生产结构仍以使用煤炭的火力发电为主，单位发电量的耗煤量约为0.32 kgce/kWh。燃煤发电会产生大量的CO2、SO2、NOx和粉尘等污染物。每燃烧1000 kgce所排放的污染物，以及单位污染物排放所对应的环境成本如表4所示[5]。

表3 稻城县户用分布式光伏幕墙模型的历年发电量及发电收入

利用光伏发电可以避免上述污染物的产生。根据表3的发电量数据，户用分布式光伏幕墙使用第1年可节省标准煤2210.56 kg，按原煤折标系数0.7143计算，可节省原煤3094.72 kg。稻城县户用分布式光伏幕墙对各种污染物的减排量和环境收益如表4所示。随着我国节能技术的发展，单位发电量的耗煤量有逐渐下降的趋势，而光伏发电系统的光电转换效率会逐年衰减，因此，户用分布式光伏幕墙在第1年的减排量和环境收益为各年相应数值中的最大值。

表4 稻城县户用分布式光伏幕墙模型对各种污染物的减排量和环境收益

4 川西北地区采用户用分布式光伏幕墙的经济与环境效益统计

通过前文的计算流程，可以预测该户用分布式光伏幕墙模型在川西北地区各地应用的发电量、经济效益和环境效益，具体如表5、表6所示。

表5 户用分布式光伏幕墙模型的发电量和经济效益预测

表6 户用分布式光伏幕墙模型的环境效益预测

由表5、表6可以看出，在川西北地区应用户用分布式光伏幕墙，可在7～8年内收回成本， 净收益可达成本的2倍以上，可节约发电用标准煤2 t以上。

5 结论

本文利用川西北常见的独栋2层民居作为模型，结合气象资料，模拟了户用分布式光伏幕墙在20年寿命期内的发电量、经济效益和环境效益。从模拟结果分析得到：

1)户用分布式光伏幕墙在川西北的甘孜州、阿坝州这种高海拔地区具备推广价值，在四川盆地不具备推广价值。

2)利用川西北地区民居的南向外墙设置光伏幕墙，每年可产生丰富的电能，除满足家庭自用电外，还可以将余电上网以获得经济收益。由此可在使用期7～8年内收回成本，净收益可达到成本的2倍以上。

3)川西北地区民居使用光伏幕墙发电，每户每年生产的电能可节约发电用标准煤2 t以上，有效降低了污染物排放，具有显著的环境效益。