(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610042)

 

   摘 要：建筑行业作为能源消费龙头，降低其化石能源消费比例、拓展可再生能源利用是国家可持续发展战略的关键环节。光伏建筑一体化将光伏发电系统和现代建筑相结合，充分利用清洁能源太阳能，具有很大的发展前景。为了探究光伏建筑一体化的现状，对光伏建筑一体化的背景及常用的应用场景进行研究。通过案例分析光伏幕墙增量成本，并采用静态投资回收期和效益费用比两个参数对薄膜类光伏幕墙、晶硅类光伏幕墙、薄膜类光伏采光顶三种光伏方案的经济性进行分析，为后续光伏建筑一体化中光伏幕墙的经济性研究提供参考。

   关键词：太阳能；光伏建筑一体化；光伏幕墙；成本分析

   0 引言

   2020年9月，我国在第七十五届联合国大会上提出2030年前实现“碳达峰”，努力争取2060年前实现“碳中和”双碳目标。随着全球气候变暖及化石燃料的日益减少，对可再生能源的需求愈加紧迫，大力发展可再生能源、全力保护地球环境，已经在全球范围内形成巨大共识。太阳能在使用过程中清洁、安全、可靠的特点，使其成为发展最快的可再生能源。同时，为应对不断攀升的建筑能耗，将太阳能光伏发电系统与现代建筑有机结合的光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）技术应运而生。

   1 光伏建筑一体化背景

   2020年9月我国提出“碳中和”双碳目标，2020年12月12日，在气候雄心峰会上又明确提出到2030年风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。2021年10月24日，中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布。

   在此背景下，BIPV系统在中国的发展势头愈发强劲，光伏发电应用市场逐步扩大。“十二五”期间光伏发电年均装机增长率超过50%，“十三五”时期年均装机增长率为75%，进入“十四五”时期光伏发电建设速度仍在加快，截至2022年底我国太阳能发电装机容量约3.9亿千瓦，同比增长28.1%。

   2021年全国新增光伏并网装机容量54.88GW，较上年增加6.68GW，同比上升13.9%；2022年我国新增光伏并网装机容量87.41GW，较上年增加32.53GW，同比上升59.27%，新增装机容量为全球第一。2017—2022年全国光伏新增装机量如图1所示，2017—2022年全国光伏新增装机量增速如图2所示[1]。

   2 光伏建筑一体化应用场景

   光伏建筑一体化主要是利用光伏发电组件与建筑外维护结构相结合，以利于光伏组件接收太阳光进行光电反应，主要应用的建筑部位为屋顶、幕墙、遮阳板、雨棚等。经过十余年的发展，我国建成了大量的光伏建筑一体化应用实例，主要包含以下三种应用场景。

   2.1 公共建筑

   此种场景一般位于城市中具有地标意义或重要功能的公共建筑中，如火车站、政府办公楼、机场、展览馆、企业总部办公楼等。在此类场景中，光伏安装形式多样，如光伏幕墙、光伏采光顶、附加式光伏屋面等。

   2.2 工业建筑

   此种场景一般在工业园区、厂房等工业建筑中。工业建筑屋顶规模大、对外观要求不高，一般采用屋顶附加式的形式，可做到自发自用、余电上网。

   2.3 住宅建筑

   此种场景主要出现在住宅屋顶上，面积一般较小，但是数量较大，且多用附加式光伏组件的形式。

   常见的BIPV应用场景见表1所示。

   3 光伏建筑一体化光伏幕墙

   光伏幕墙是光伏建筑一体化BIPV的主要应用场景之一，根据光伏玻璃组件的透明度不同可分为透明光伏幕墙和非透明光伏幕墙2种。其中透明光伏幕墙的电池片类型主要采用薄膜电池片，非透明光伏幕墙电池片类型采用晶硅电池片和薄膜电池片。光伏幕墙和光伏采光顶类型详见表2所示。

   4 光伏建筑一体化光伏幕墙的经济分析

   为了探究光伏建筑一体化（BIPV）光伏幕墙的经济性，本文对薄膜类光伏幕墙、晶硅类光伏幕墙、薄膜类光伏采光顶三种方案在成都地区的增量成本、静态投资回收期及效益费用比进行经济分析，为后续光伏建筑一体化中光伏幕墙的经济性研究提供参考。

   4.1 太阳资源潜力

   我国太阳能总辐射资源丰富，总体呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。其中，青藏高原最为丰富，年总辐射量超过1800kWh/㎡，部分地区甚至超过2000kWh/㎡。四川盆地资源相对较低，存在低于1000kWh/㎡的区域[4]。国家能源局发布的《全国太阳辐射总量等级和区域分布表》将我国的太阳能年辐射量分为最丰富带、很丰富带、较丰富带、一般带四个等级。

   4.2 成都地区光伏幕墙经济分析

   成都市年平均气温17.0-18.9℃，年平均日照时数为1000—1400小时，年辐射总量3344-4180MJ/m2。经查询气象资料显示，成都市4-9月太阳能日辐射量均充足，1年中有200天左右的晴好天气可以利用，属太阳能资源一般地区。春季3-5月的辐射量占全年的30%左右，夏季6-8月的辐射量占全年的40%左右。

   4.2.1 光伏幕墙费用

   本文案例项目光伏幕墙面积为2240m2，光伏采光顶面积为200m2，方案一为薄膜类光伏幕墙，采用3.2mm碲化镉（CdTe）玻璃+1.52PVB+6mm钢化LOW-E（三银）玻璃+12A+6mm钢化玻璃；方案二为晶硅类光伏幕墙，采用6mm超白钢化玻璃+1.14PVB+晶硅类电池片+1.14PVB+6mm钢化LOW-E（三银）玻璃+12A+6mm钢化玻璃；方案三为薄膜类光伏采光顶，采用5mm超白钢化玻璃+1.52PVB+3.2mm碲化镉（CdTe）玻璃+1.52PVB+5mm钢化LOW-E（三银）玻璃+12A+5mm钢化玻璃+1.52PVB+5mm钢化玻璃。方案一薄膜类光伏幕墙综合单价约为2044元/m2，工程费为C1=458万元；方案二晶硅类光伏幕墙综合单价约为1888元/m2，工程费为C2=423万元；方案三薄膜类光伏采光顶综合单价约为1950元/m2，工程费为C3=39万元。

   4.2.2 光伏幕墙增量成本

   在分析其经济性之前，还需考虑光伏幕墙材料替代原有建筑幕墙的差值，即光伏幕墙的增量费用，并以增量费用作为经济性分析的依据。常规的建筑幕墙墙体材料有铝板、石材和玻璃幕墙等。本文案例以玻璃幕墙为计算基数，计算增量费用。目前，普遍玻璃幕墙的成本在900~1300元/m2之间，取值1105元/m2，方案一和方案二常规玻璃幕墙费用为248万元，方案三常规玻璃采光顶费用为22万元[5]。

   同时，光伏幕墙需配置部分电气配件，主要包括直流汇流箱、光伏逆变器、光伏组串电缆、交流并网柜等。方案一薄膜类光伏幕墙光伏电气的增量成本K1为44万元，方案二晶硅类光伏幕墙光伏电气的增量成本K2为38万元，方案三薄膜类光伏采光顶光伏电气的增量成本K3为3万元。

   综合以上分析，方案一薄膜类光伏幕墙的增量成本为K4=458-248+44=254万元，方案二晶硅类光伏幕墙的增量成本为K5=423-248+38=213万元，方案三薄膜类光伏采光顶的增量成本为K6=39-22+3=20万元。各方案光伏幕墙投资增量成本详见表3所示。

   4.2.3 光伏幕墙发电收益

   本文案例项目光伏幕墙面积为2240m2，玻璃采光顶面积为200m2，太阳能光伏组件安装在建筑四周立面形成光伏幕墙。根据光伏软件PVSYST计算出方案一薄膜类光伏幕墙首年发电量为66213KWh，按光伏组件的初始衰减为2%计，以后逐年衰减0.45%，25年总发电量为1564107KWh。详见图3所示。

   方案二晶硅类光伏幕墙首年发电量为143406KWh，按光伏组件的初始衰减为2%计，以后逐年衰减0.45%，25年总发电量为3387594KWh。详见图4所示。

   方案三薄膜类光伏采光顶首年发电量为11175KWh，按光伏组件的初始衰减为2%计，以后逐年衰减0.45%，25年总发电量为263979KWh。详见图5所示。

   电价在不同时段价格不同，分为峰时段、平时段、谷时段三个时间段。成都市峰时段为11：00-12：00、14：00-21：00，平时段为7：00-11：00、12：00-14：00、21：00-23：00，谷时段为23：00－次日7：00。

   考虑成都市光伏幕墙发电时段主要为9:00-16：00之间的7个小时，其中峰段3个小时，平段4个小时。本案例项目光伏幕墙运行模式采用自发自用，电价按国网四川省电力公司购电价格公告2023年1月计取，其中峰时段电价1.04263元/kwh，平时段电价0.66277元/kwh。综上所述，方案一薄膜类光伏幕墙光伏发电收益合计129万元，光伏发电平均年收益5.17万元/年；方案二晶硅类光伏幕墙光伏发电收益合计280万元，光伏发电平均年收益11.19万元/年；方案三薄膜类光伏采光顶光伏发电收益合计22万元，光伏发电平均年收益0.87万元/年。详见表4所示。

   4.2.4 光伏幕墙的经济性评价

   光伏幕墙的经济性可以从两个指标进行评价，即静态投资回收期和效益费用比。

  （1）静态投资回收期分析

   静态投资回收期是指投资项目从开始投资到全部投资回收并实现利润的时间期限。其计算方法是根据投资现金流量的净现值和每期现金流量的平均值，用总投资金额除以平均年现金流净收益，得到的结果就是投资回收期。静态投资回收期越短，则意味着投资的风险越小、资本回收的速度越快。为简化计算，收益按每年均值等值计算，设定项目建成投产后各年的净收益（即净现金流量）均相同，则静态投资回收期的计算公式可简化如下：

   P=C/APr

   式中C为光伏幕墙增量成本，APr为光伏发电年平均收益。

   计算：方案一薄膜类光伏幕墙静态投资回收期P1=254/5.17=49.18年，方案二晶硅类光伏幕墙静态投资回收期P2=213/11.19=19.04年，方案三薄膜类光伏采光顶静态投资回收期P3=20/0.87=22.94年。根据计算，方案一静态投资回收期大于光伏建筑的寿命期，表明项目投资不能在规定的时间内收回成本；方案二和方案三静态投资回收期均小于光伏建筑的寿命期，表明项目投资能在规定的时间内收回成本，此项目在经济上可以接受。光伏幕墙系统的寿命一般为25年，则方案二有5.96年的净收益，方案三有2.06年的净收益。从静态投资回收期看，一般光伏电站的回收期是8年左右，光伏幕墙的回收期稍长，但在合理的经济性范围内。[5]

  （2）效益费用比 (BCR)

   效益费用比是一个衡量投资项目经济效益的指标。它是指项目收益与项目成本之比。方案一效益费用比为B1=129/254=0.51；方案二效益费用比为B2=280/213=1.31，方案三效益费用比为B3=22/20=1.1。

   如果效益费用比大于1，则表示项目的总现值收益大于总成本，投资具有积极的经济效益；如果效益费用比小于1，则表示总现值收益小于总成本，该项目的投资可能不具有经济可行性。

   综上所述，方案二和方案三效益费用比均大于1，其投资具有经济可行性。

   5 结语

   通过对以上薄膜类光伏幕墙、晶硅类光伏幕墙、薄膜类光伏采光顶三种方案的增量成本、静态投资回收期及效益费用比的经济分析，发现在同等太阳能辐射量地区，晶硅类光伏幕墙的发电量比薄膜类光伏幕墙的发电量高。因此，晶硅类光伏玻璃可应用于立面的玻璃幕墙和顶面的玻璃采光顶；薄膜类光伏幕墙用于顶面的玻璃采光顶比用于立面的玻璃幕墙经济性更高。各方案静态投资回收期见图6所示。

   光伏幕墙采用太阳能清洁能源，可以有效降低因使用煤炭带来的环境污染。在我国鼓励光伏系统加入碳交易的背景下，光伏幕墙能有效减少建筑碳排放量，可以增大经济效益[6]。同时，光伏幕墙作为一种新型建筑材料，具有发电、隔热保温等多重效益。该材料的经济性主要取决于其建设成本和电力收益。由于光伏材料价格下降趋势明显，且光电转化效率和使用寿命进一步提高，未来光伏幕墙发电系统将产生更加良好的经济效益。

   参考文献：

   [1]任小玲，周逸铖，杨晨旭.光伏建筑一体化应用及经济效益分析[J].建筑经济,2022,43(S1):975-978.

   [2]中国光伏建筑一体化市场前景及投资研究报告[R].新能源光伏,2022(2):44-59.

   [3]崔静恩，彭明强，李锐等.光伏幕墙在建筑工程中的应用研究[J].绿色建筑,2021,18(406):54-56.

   [4]谭志昆.光伏建筑一体化光伏系统设计探讨[J].建筑电气,2022(10):31-36.

   [5]姜凯，顾凤英，李想等.铜铟镓硒光伏幕墙技术的经济性分析[J].建筑学报,2019(增刊）:92-95.

   [6]徐勇亮，曹明哲，王雪森等.光伏建筑一体化在综合性医院的应用潜力及效益研究[J].建筑行业节能,2021(12):1-3.