晶硅光伏系统在高层建筑屋顶的应用探讨

杨新明 杨庆根 朱剑跃 蔡春华 宗永明 赵荣华 杨磊 范文忠 戴杰

1 项目背景

1.1 太阳能应用背景

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018kWh，相当于1.3×106亿 t标准煤。

1.2 太阳能资源概况

技贸大厦位于上海西北面，按照太阳能资源分类属于第四类地区，年平均日照时数为2014 h左右，多年平均太阳辐射量在4542MJ／m2a左右，适合建设太阳能光伏发电项目。

2 晶硅光伏系统在高层建筑应用经济分析

2.1 高层建筑屋顶单位面积晶硅光伏系统的经济性分析

下面以上海技贸大厦安装100 m2、200 m2晶硅太阳能光伏系统为例，分析高层建筑晶硅光伏系统经济性。

2.1.1 晶硅光伏系统组件及电气安装经济性分析

根据不同的大楼面积、配电房位置、安装功率，计算出太阳能电池组件（规格190Wp），逆变器，配电柜，导线数量及电气投资。见表1及图1。

表1 设备、投资计算表

图1 容量与电气投资关系图

随着高度的增加，建筑安装工程费中的直接工程费用和措施费有明显变化。其中直接工程费中的人工费，材料费（安装支架）随着大楼高度的变化而呈现非线性变化，见表2。

表2 大楼高度与费用关系表

2.1.2 晶硅光伏系统施工及运输经济分析

施工机械使用费和临时施工费的使用主要体现在材料的运输上。根据大楼的外墙形式和大楼本身货梯的实际情况，会产生不同的运输方式，故运输费用会不同，作为案例，如表3所示。

表3 大楼高度与不同运输方式费用案例表

2.2 在经济测算中需注意的几个问题：

1）卷扬机的使用受限制很大，比如既有大楼外墙是幕墙结构、既有大楼的外形奇异或者吊装材料的过程中天气出现雷雨或大风，都不适合使用卷扬机。

2）塔吊的使用优点在于运输材料的数量大，且建筑面积大。在既有大楼顶部施工时，其缺点也很明显，比如塔吊的安装速度慢、费用高、一般实际吊装的工作量并不大等。

3）在既有高层建筑中安装晶硅光伏发电系统，尽管所安装系统的装机功率不发生变化，但是随着大楼高度的增加，安装系统的投资同时增加，投资增加的部分体现在延长导线，固定系统的钢材料，人工费，系统发电的效率的损失，而且这种投资的增加是非线性的。

4）通常情况下，既有高楼的屋顶可以安装发电系统的面积都不大，一般多在300m2～600m2之间，所安装的晶硅光伏系统功率较小。在有限的材料运输过程中，很难借助到机械运输的优势，而在超高层建筑中，在不能借助机械运输的情况下，系统的钢结构设计将不得不根据既有高层建筑货梯的最大装货尺寸设计，不可避免地增加系统的用钢量，从而进一步地提高运输成本。

5）对于相同的装机容量，由于太阳能光伏板投入基本相同，仅在施工成本、运输成本和部分电气成本方面有所变化，建议在计算总投入时，可按照单位面积的投入分项计算，将变化成本乘以规模倍数后再乘以经验系数，以保证总投入准确。按照本项目的经验，若以500m2太阳光伏电站计算，经验系数取0.6～0.8为宜。

6）根据本项目的研究，太阳能发电系统在既有建筑屋顶安装实施中，同样装机容量的系统随着安装建筑物的屋顶所处高度变化，其费用变化会在50米和100米高度有两个明显的拐点，见表4及图2、图3所示。

表4 大楼高度与实际费用关系表

图2 楼高与各项费用关系曲线

图3 楼高与运输费用关系曲线

3 结论及建议

3.1 节能及环保效益结论

装机容量每10kW年平均上网电量约0.9158万kWh，与相同发电量的火电厂相比，每年可为电网节约标煤约3.2971t(火电煤耗按2007年全国平均值360g/kWh计)，其每年的节能减排指标如表5所示。可见光伏发电项目有明显的节能效益。

表5 节能环保效益表

3.2 经济性结论

上海地区发电量计算需要考虑太阳能光伏组件温度，其年发电量是未考虑温度的96.48%。此外20年后衰减至80%，上海地区温度影响因子为0.4%。

由此我们可以计算出100 m2中安装的光伏发电系统（10kW）的每年发电量，以及25年内的总发电量，见表6所示。

表6 25年发电量测算值

如果以工业用电1.03元/kWh计算，在整个太阳能发电系统的生命周期中，可以发电292992.08kW，收益约为301781.82元。对比与不同安装高度10kW的安装价格，可以得出没有补贴的投资回收的时间，见表7所示。

表7 投资回收期

3.3 效果对比

安装前、后效果对比见表8所示。从表中可以看出：安装晶硅太阳能装置，能得到多种好处。

3.4 推广建议

在上海地区推广高层屋顶晶硅光伏系统需要克服从技术到投资回报多重困难。以上海技贸大厦为例，项目投资回收期在15年以上。因此，从推广晶硅光伏系统角度而言，在项目建设会遇到一定的压力。

表8 安装前后效果表

建议一：国家针对此类项目增加补贴力度和补贴范围。

建议二：将高层建筑太阳能建设和屋顶保温相结合，提高建筑整体节能效率。

建议三：将晶硅光伏系统组件安装模块化，例如设计标准钢结构组件，以降低初期投入。