“双碳”背景下屋顶分布式光伏开发环境效益分析

张敏，刘进，林江刚，赵孝保

(1.江苏省工程咨询中心有限公司，南京 210003；2.南京师范大学能源与机械工程学院，南京 210042)

2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上作出“中国力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的重大承诺，明确了中国未来低碳发展的新目标。2021年3月，中央财经委员会第九次会议指出，“十四五”是碳达峰的关键期和窗口期，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，实施可再生能源替代行动，构建以新能源为主体的新型电力系统，意味着光伏、风能、核能等新能源作为未来电力系统的主体地位将进一步凸显。

在“双碳”的背景下，清洁能源必然会迎来快速发展，屋顶分布式光伏电站将迎来发展的高峰期。我国建筑屋顶资源丰富、分布广泛，开发建设屋顶分布式光伏潜力巨大。依据《国家能源局综合司关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》、《江苏省发展和改革委员会<关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知>》等相关文件，开展整县(市、区)推进屋顶分布式光伏建设，可充分发挥分布式光伏就近发电、就近并网和就近消纳等优势，有利于整合资源实现集约开发，有利于节约优化配电网投资，有利于引导居民绿色能源消费，对促进地方绿色低碳建设，推动形成绿色生产方式和生活方式，提高绿色发展水平，对引领城市高质量发展具有重要意义。

1 光伏发电系统概述

光伏发电系统主要由光伏组件、汇流箱、逆变器、负载以及其它有关监测和配电设备等组成，光伏发电系统结构如图1所示。发电系统可按供电方式、太阳能采集方式及建筑应用方式等进行分类。按供电方式可分为离网型和并网型；按太阳能采集方式可分为固定型、单轴跟踪型和双轴跟踪型；按建筑应用方式可分为无建筑型、建筑结合型(BAPV)和光伏建筑一体化(BIPV)等[1]。

图1 光伏发电系统结构图

随着分布式光伏的发展，光伏发电与建筑的结合越来越受到人们的重视。在城市里应用光伏发电系统，只能利用建筑物的有效面积安装太阳能电池。安装在建筑物上的光伏发电系统，统称为建筑光伏(BMPV)。建筑光伏的光伏组件与建筑物的结合形式主要有 “安装型”太阳能光伏建筑(BAPV)和光伏建筑一体化(BIPV)，建筑光伏应用场景如图2所示。

图2 建筑光伏应用场景图

本文主要通过梳理所在地整县域范围内现有党政机关，学校、医院和村委会等公共建筑，工商业厂房和农村居民建筑四大类建筑主体屋顶资源，测算其可安装光伏风电装机规模，利用排放因子法，研究分析BAPV建筑光伏开发对碳减排、氮氧化物减排和硫化物减排等的贡献情况。

2 分析方法

2.1 数据来源

以江苏省某县级市为研究对象，基于该县级市太阳能资源情况，分析开发屋顶分布式光伏的环境效益。该县级市地处温带，属亚热带季风性海洋气候，四季分明，气候温和，雨量充沛。年平均气温为16.9 ℃，年发电利用小时数约为1 104 h，适宜光伏发电项目开发的空间资源较为充足。根据“Solargis”太阳能资源分析，该县级市水平面总辐照度为1 325.1 kW·h/m2，根据《太阳能资源评估方法》(GB/T37526-2019)，该县级市属于“太阳能资源丰富”区域[2]，日照小时数满足光伏系统设计要求，发展与推广屋顶分布式光伏电站具有光照资源丰富的优势。

对该县级市现有建筑屋顶资源现状进行调研、收集、整理和分析，搜集的数据包括：建筑面积、屋顶总面积、屋顶可利用面积、房屋建筑结构、房屋建设年限和屋面形式等。该县级市可利用屋顶总面积约为976.34万m2，在考虑屋面形式(平屋顶/坡屋顶等)、建设年限、房屋建筑结构(框架结构/钢结构/钢、钢筋混凝土结构等)和建筑主体类别等因素下，该市可安装屋顶分布式光伏装机规模约73.86万kW，其中党政机关建筑屋顶可安装装机规模约为0.97万kW，学校、医院和村委会等公共建筑屋顶可安装装机规模约为4.87万kW，工商业厂房屋顶可安装装机规模约为39.11万kW，农村居民屋顶可安装装机规模约为28.91万kW。

2.2 环境效益评估方法

(1)碳减排效果计算方法。光伏发电项目碳减排效果主要采用的方法学为《可再生能源并网发电方法学(第二版)》(CM-001-V02)[3](以下简称“方法学”)，其减排原理主要为通过建设可再生能源并网发电项目来替代由化石能源占主导的电网产生的同等电量，实现温室气体的减排。截至目前，超过80%的光伏CCER项目(装机容量超过15 MW的大型项目)采用《可再生能源并网发电方法学》(第一版或第二版)进行开发，剩余的光伏CCER项目(装机容量不超过15 MW的小型项目)采用《联网的可再生能源发电(第一版)》(CMS-002-V01)。本文所述该县级市光伏开发碳减排采用的方法学为《可再生能源并网发电方法学(第二版)》(CM-001-V02)。边界确定：边界的空间范围包括项目发电厂以及与本项目接入的电网中的所有电厂。一般光伏项目的项目边界包括的温室气体种类仅为二氧化碳。本文所述光伏整市开发项目的边界为对应装机规模的项目发电厂以及与该项目接入的华东区域电网中所有电厂[4]。我国区域电网覆盖省份见表1。

表1 我国区域电网覆盖省份表

基准线识别：基准线情景即若不建设现有项目、但产生相同结果(例如产生相同发电量)或延续历史情形持续发展的情景，减排量就是基于基准线情景进行计算的。在光伏项目中基准线的识别方式包括三种，如果项目活动是建设新的可再生能源并网发电厂/发电机组，那么基准线情景为项目活动生产的上网电量由并网发电厂及其新增发电源替代生产。本文所述拟开发的光伏整市项目为新建项目。因此，基准情景为拟开发项目活动生产的上网电量由华东区域电网中发电厂及其新增发电源替代生产。

减排量计算：根据方法学《可再生能源并网发电方法学(第二版)》(CM-001-V02)，光伏项目减排量=基准线排放量-项目排放量-泄露量[3,5]，光伏项目减排量计算示意图如图3所示，其中，电量边际排放因子、容量边际排放因子、年运行小时数(或负荷因子)和弃风率等参数与项目所在省份风速和政策有关。

(2)其它污染物的减排效果计算方法。目前，我省火力发电主要以燃煤发电为主，燃煤会产生大量污染环境的气体和粉尘，对环境与人体有损害，而光伏发电系统在运营期间几乎不产生污染物，有利于减少污染物的排放和环境保护。依据孙可[6]的研究，以国内电厂的平均能耗为参照，每节约1 kW·h电，可减少污染排放8.556 g二氧化硫、3.803 g氮氧化物、0.124 g一氧化碳和0.190 1 g总悬浮颗粒物。

3 计算结果

3.1 碳减排效果

依据图3计算示意图，结合该市年利用时间、各建筑主体屋顶资源可装机容量等，计算该市可安装光伏项目第1年碳减排量。

图3中光伏组件功率衰减系数取值来源依据：按照“硅基组件超级联盟”(SMSL))成员First Solar新闻发布中所述，“该公司公布的最新HiKu7单晶单面大尺寸组件系列产品，产品输出功率在640～665 W之间，其组件首年功率衰减率不超过2%、后续每年的功率衰减率不超过0.55%、温度系数为-0.35%/℃”[7]，则本文中光伏组件的衰减系数按首年线性衰减2%，此后每年递增0.55%计。因此，该市光伏项目25年运营周期内各年光伏组件功率衰减比例依据杨威等[8]的研究成果计算，考虑光伏组件功率衰减后各年发电量比率如表2所示。

表2 考虑光伏组件功率衰减后各年发电量比率

图3 光伏项目减排量计算示意图

图3中电量边际排放因子和容量边际排放因子依据中华人民共和国生态环境部网站发布的各年度情况汇总[4,9-11]，中国各区域2011年—2019年度电网基准线排放因子(电量边际排放因子EFOM)和(容量边际排放因子EFBM)情况统计如图4和图5所示。其中，2019年华东区域电网基准线排放因子(电量边际排放因子)为0.792 1、2019年华东区域电网基准线排放因子(容量边际排放因子)为0.387 0。

图4 中国各区域2011-2019年度电网基准线排放因子(电量边际排放因子EFOM)情况统计

图5 中国各区域2011-2019年度电网基准线排放因子(容量边际排放因子EFBM)情况统计

结合表2和图3，该县级市可安装屋顶分布式光伏项目25年运营期范围内年均碳减排量约516 576.57 tCO2，25年运营期范围内碳减排总量约12 914 414.18 tCO2，该县级市可安装光伏项目碳减排情况见表3。

表3 该县级市可安装光伏项目碳减排情况

3.2 其它污染物的减排效果

依据前文所述，每节约1 kW·h，可减少污染排放8.556 gSO2、3.803 gNOx、0.124 gCO、0.190 1g总悬浮颗粒物(TSP)；每节约1 kW·h，可节约标煤消耗298 g。则该县级市25年运营期范围内年均SO2减排量约为6 405.38 t、NOx减排量约为2 843.76 t、CO减排量约为92.72 t、TSP减排量约为142.15 t。

4 结语

屋顶分布式光伏开发主要通过利用城市和乡村中的空置屋顶资源来建设，对人口密集、工业经济发达、土地资源紧缺的地区而言，是一种很好的可再生能源开发利用模式，与传统火电相比，拥有较好的减排效益。本文案例该县级市可利用屋顶总面积约为976.34万m3，装机总量可达到73.86万kW，与地面光伏电站建设相比，能够节约近466.67 hm2土地。同时该规模项目年均净上网电量可达747 767.6 MW·h，具有十分重要的意义。该规模电站每年可减少CO2排放51.7万t，SO2排放0.64万t、NOx排放0.28万t等。随着城市建设和工业发展不断加快，该规模效应也将随屋顶面积的增加而提高。

整市推进屋顶分布式光伏开发利用，有利于实现整市屋顶资源的集约开发、有利于削减电力尖峰负荷，有利于节约优化配电网投资，有利于引导居民绿色能源消费，能够较大程度地减少温室气体和污染物的排放，对保护环境有促进作用，有助于碳达峰和碳中和的实现。