摘要:我國太陽能光伏利用主要爲地面光伏電站和分布式光伏兩種,地面電站所占份額達到70%,主要分布在西北太陽能資源豐富區域,而分布式光伏主要分布在中東經濟發達、用能需求大的地區,是未來光伏的主要發展趨勢;本文分析中國建築光伏分布式利用現狀,並探究其未來發展趨勢。
關鍵詞:地面光伏電站;分布式光伏;光伏建築一體化
現代化社會中,人們對舒適的建築環境的追求越來越高,導致建築采暖和空調的能耗日益增長。在發達國家,建築用能已占全國總能耗的30%-40%,對經濟發展形成了一定的制約作用,節能減排、綠色發展、開發利用各種可再生能源已成爲世界各國的發展戰略。
太陽能屬于可再生能源的一種,具有清潔無汙染、可再生等特點,因此成爲目前人類所知可利用的最佳能源選擇。自上世紀五十年代美國貝爾實驗室三位科學家研制成功單晶矽電池以來,光伏電池技術經過不斷改進與發展,目前已經形成一套完整而成熟的技術。隨著全球可持續發展戰略的實施,該技術得到了許多國家政府的大力支持,在全球範圍內廣泛使用。尤其在二十一世紀,光伏産業以令世人驚歎的速度向前發展。
光伏建筑一体化(简称BIPV)是与新建筑物同时设计、同时施工和同时安装并与建筑形成完美结合的光伏發電系統,是建筑物必不可少的一部分,既发挥建筑材料的功能(如遮风、挡雨、隔热等),又具备发电的功能,使建筑物成为绿色建筑。这与附着在建筑物上的太阳能光伏發電系統(简称BAPV)不同,BIPV的电池作为建筑物外部结构的一部分,既具有发电功能又具有建筑材料的功能,BAPV为依附于建筑的太阳能光伏系统应用形式,实际项目以屋顶光伏电站为主,本研究统计分析的对象包含BIPV和BAPV。
1. 光伏建筑一体化行业现状
1.1.行業發展現狀
從2015年開始至今,中國的光伏組件出貨量以及新增和累計光伏裝機容量繼續保持全球雙料第一位置。截至2019年底,累計並網量達到204.30GW,同比增長17.3%;全年光伏發電量2243億千瓦時,同比增長26.3%[1]。從國家能源局取得數據,曆年來光伏的裝機容量數據如表1所示:
在能源局統計的“分布式光伏”應用中,截至2019年底,國內光伏累計裝機204.3GW,包括141.67GW集中式電站、62.63GW分布式電站。“分布式光伏”中估計有50%在建築中安裝,也就是2019年約6GW爲建築光伏系統,截止2019年累計約30GW爲建築光伏系統。
1.2.應用成本分析
近10年,光伏組件與傳統的光伏系統的價格降低了近80%,標准光伏組件甚至降到了1.5元/瓦,不到300元/m2。這就加大了光伏組件集成到其他産品(如建築構件)中的可能性,光伏的度電成本已經實現用戶側全面平價,揭示了光伏能源與建築結合具有巨大的技術和經濟潛力。
光伏建築一體化的大部分潛力仍未被利用,主要是因爲標准化的産品還無法滿足各種建築性能要求,設備或者工藝的局限性還無法爲建築師提供更大設計自由度的創新光伏建築一體化産品,如顔色、感官、尺寸、透光率等。因此光伏建築一體化系統大部分設計都需要進行“光伏組件”到“光伏構件”的二次加工,非標産品的定制大大增加了系統使用成本,因此未來在該領域需要進一步突破,進行技術革新、降低二次加工成本、産品標准化、加強産業鏈整合與創新。
2.建築光伏系統發展潛力分析
有多少建築圍護面積可用于安裝光伏系統,是本文分析的基礎數據,本文擬從建築面積的估算比例來分析各省的建築資源條件,從而對建築光伏系統可安裝容量進行分析。
2016年,全國建築總面積達到634.87億平方米,其中公共建築面積約115.06億平方米,占比18.12%;城鎮居住建築面積278.64億平方米,占比43.89%;農村居住建築241.17億平方米,占比37.99%[9]。假設建築屋頂面積平均占建築面積的15%,南立面面積也占建築面積的15%,屋面可安裝光伏比例系數取20%,南牆可安裝光伏比例系數取20%。截至2016年,可利用的南牆和屋面面積爲190.46億平方米,按照可用面積的20%用于安裝光伏系統計算,屆時可安裝光伏的建築面積約爲38億平方米。根據屋面安裝120W/m2、南牆安裝80W/m2光伏系統進行計算,2016年建築光伏最大裝機容量可高達380GW,光伏建築一體化發展空間巨大。
3.建築光伏系統發展中長期預測
已知至2016年,中國的建築光伏系統的最大裝機容量,以此爲數據分析的基數,綜合考慮建築逐年增量面積、減量面積、各省太陽能資源(w1)、各省經濟強度(w2)、各省建築能耗強度(w3)、和各省政策力度(w4),對未來2025-2050年的建築光伏系統的發展進行預測。
建築光伏的發展潛力不能單純的用某一數據來評價,發展潛力與氣象資源、經濟發達程度、建築能耗強度、政策扶持力度等息息相關。綜合各項影響因素,XX年建築光伏系統最大安裝量=M*w1*w2*w3*w4
(1)最大發展潛力(M)
取南牆和屋面光伏可安裝量作爲該地區最大發展潛力(M);
(2)太陽能資源(w1)
因各省的可能存在跨越幾個氣象資源區域,因此系數取爲省會所在城市的氣象資源計算系數,氣象資源系數(w1)取值0.2~1,最好的一類地區年輻射量1855-2333kWh,資源系數爲1,最差的五類地區年輻射量928-1163kWh,系數爲0.2。
(3)經濟強度(w2)
經濟強度(w2)取值0.85~1,人均GDP最高省份爲北京118198元/年,系數爲1,最低爲甘肅27463元/年,系數爲0.85。
(4)建築能耗強度(w3)
建筑能耗强度与所属气候区域、经济发达程度、主导产业均有较大关系,建筑能耗强度系数(w3)取值0.8~1,单位面积建筑能耗最高省份为北京33kgce/m2.a,系数为1,最低江西、广西、云南省5kgce/ m2.a,系数为0.83。
太陽能資源(w1)、經濟強度(w2)、建築能耗強度(w3)等系數取值見表2。
(5)政策力度(w4)
政府政策力度系數(w4)取值0~1,政府逐年加強對光伏建築一體化的扶持力度,系數取值以五年一個周期遞增,到2050年政策力度達到最大。2020年暫定各省市取值一樣,政策力度系數取值爲0.05;2025年-2050年各省份政策力度系數取值,以北京、上海、浙江、江蘇、江西、山東等省市對政策的敏感度較高,響應速度快,其取值爲第一個梯度,其他省市爲第二梯度,故w4總體取值見表3。
根據預測模型和各系數的取值預測見表4-表6:
4.行業發展策略研究
近年來,光伏建築一體化作爲一種新興的光伏應用場景,在全球範圍內受到越來越多的關注,在建築行業和光伏行業中也有越來越多的企業進行光伏建築一體化業務布局,但新興事物的成長總會伴隨著一系列問題,光伏建築一體化同樣如此。目前我國光伏建築一體化項目存在的問題大致可歸納爲以下幾方面:政策影響、發展路線、行業標准及光伏和建築兩個行業的融合度。爲推動可再生能源在建築領域規模化高水平應用,促進我國光伏建築一體化産業快速健康發展,可以考慮從以下幾個方面來快速推進行業的發展:
(1)政策層面:鼓勵建築規劃、設計時,在滿足建築功能和安全條件下優先考慮光伏材料。可參考綠色建築行業的鼓勵政策通過容積率優惠、不限購、不限價等優惠措施讓開發商有動力。
(2)標准層面:推進完善光伏建築一體化國家標准體系,以便于新建光伏建築一體化項目能夠順利通過建築驗收。
(3)經濟層面:對光伏建築一體化形式給予適當的專項投資補貼,對于新建或改造建築使用符合國家標准的光伏建築一體化産品,國家驗收合格後依據安裝面積給予一次性投資補貼。通過對超低能耗、近(淨)零能耗建築的補貼間接鼓勵采用光伏建築一體化技術。
(4)其他層面:制定強制性推廣措施,要求片區內一定比例新建築規劃中,強制性采用光伏一體化産品,或者強制性規定新建築耗能必須實現一定比例能源自給。
5.結論
(1)目前我國的光伏電站主要以地面電站爲主,占到總裝機量的70%,主要分布在甘肅、青海、內蒙等太陽能資源豐富的西北地區,而我國分布式光伏發電主要集中在浙江、江蘇、山東等經濟發達、用能集中的中東地區。
(2)隨著我國光伏發展策略的調整以及西北地區日益加重的棄光現象,大型地面電站的建設將受到影響,分布式光伏所占份額將得到提高,特別是在經濟發達地區,是未來光伏利用的主要形式。
(3)隨著國家大力推動光伏建築一體化産業,並出台相關扶持政策,光伏建築一體化産業將迎來高速發展,到2025年,全國光伏建築一體化系統可安裝容量預估可達到35GW,按每瓦3元計算,十四五可預測的市場規模將超千億元。
作者:羅多 曾澤榮 李進 勞彩鳳 余國保
來源:2020-2021分析報告