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屋顶光伏发电系统及其工程造价分析
张琼丹，户 裕
（华信众恒工程项目咨询有限公司，四川 成都 610000）
摘 要：近年来，得益于国家政策的支持及光伏组件转换效率的提高，光伏发电项目的规模化部署得以促进。与此同时，“碳达峰与碳中和”的宏观目标赋予了光伏行业全球性的发展驱动力。作为全球能源消耗的主要国家之一，中国的能源产业对国家经济的增长贡献巨大，在煤炭资源日益稀缺及化石能源所引发的环境问题日益严重的背景下，提升能源效率和发展新型能源已成为不可逆转的发展方向。鉴于此，国家积极倡导并推广屋顶光伏发电系统的安装使用。文章旨在对屋顶光伏发电系统及其工程造价两方面进行综合分析，通过对其系统的构成和工作原理研究，结合实际案例和市场数据，探寻出影响工程造价的关键因素。
关键词：屋顶光伏发电系统；工程造价；综合分析
0 引言
关于推进屋顶光伏发电系统，四川省实施方案提出，需要强化低碳能源在建筑中的应用，提倡在城乡建设和市政设施中根据实际情况推广太阳能光伏的应用。屋顶光伏发电系统作为开发和利用太阳能优化能源供给结构的方式，大幅提升了可再生能源在总能源消耗中的占比，同时能有效保护环境。结合屋顶光伏发电系统在四川南充某学校中的应用情况，综合分析其对工程造价的影响。
1 光伏项目投资建设可行性
1.1 光伏建设趋势
习近平总书记在气候雄心峰会上强调，中国积极致力于实现2030年前二氧化碳排放达峰和2060年前实现碳中和。其中，推广如分布式光伏等可再生能源，是实现这一目标的关键途径。光伏建设工作行动方案及规划如图1所示。
图1 光伏建设工作行动方案及规划
1.2 光伏发电原理
光伏发电，作为一种前沿且具潜力的能源转换技术，其背后的原理依托于半导体材料独特的光电特性以及精妙的物理和化学过程。光伏发电原理如图2所示。
图2 光伏发电原理图
在光伏电池中，半导体材料是核心组成部分，硅材料便是常用的选择。通过精确的制造工艺，实现了对硅材料的掺杂，形成了P型、N型半导体，两者结合，PN结自然形成。当阳光照射到光伏电池上时，光子能量被半导体吸收，产生自由电子和空穴。在PN结内电场的推动下，自由电子会向N区移动，空穴则向P区移动，从而在PN结两侧形成电位差。通过在电池两端施加外部电路，电子在外部电路中流动，从N区流向P区，形成电流，这个电流就是光伏电池输出的电能。
光伏发电技术核心将取之不竭的太阳能转换成实用电能，从而为全球能源结构的转型和持续发展探索出一条创新之路。
2 屋顶光伏发电系统介绍
光伏发电系统主要包含光伏组件、光伏支架、逆变器以及配电箱。
2.1 光伏组件
光伏组件作为发电系统的核心，由光伏电池片组合在一起构成。
2.1.1 光伏组件类型
在目前的光伏市场中，单晶硅和多晶硅是两种主流的光伏组件类型。单晶硅组件因其更高的光电转换效率而受到关注，理论效率接近26.3%。光伏组件如图3所示。
图3 光伏组件示意图
2.1.2 光伏组件适用地区
单晶硅太阳能电池板最适合应用在大型电站和阳光充足的地区，比如云南、青海、西昌和攀枝花等地。大型电站都是经过慎重选址以后才确定建的，选择的都是日照时间长的地区，因此，如果是这类地区，建议使用单晶硅电池板。而在光照条件一般或者较差的其他地方，多晶硅电池板则更加合适，因为它在低光条件下的性能更佳。多晶硅电池板在弱光环境下的效率较高，因此更适合贵州的大部分地区以及重庆、四川等省市，同时它的阳极铝边框具有更强的耐腐蚀性能。
2.1.3 光伏组件厂家
在2023年全球光伏组件制造商的排名中，中国企业的表现令人瞩目，伍德?肯兹公司发布的研究报告显示，位列前12名的企业中有9家由中国制造商占据，以下是中国光伏企业2024年上半年出货量排行榜。
表1 中国光伏企业2024年H1组件出货量前十排行榜
2.2 光伏支架
光伏支架应采用热镀锌型材、不锈钢或铝合金，抗风抗雪能力须满足当地极端天气标准，保证25 年不能被锈蚀或破坏，通常屋顶光伏支架多采用3mm厚的热镀锌Q235B钢材。热镀锌抗腐蚀年限长，防腐蚀性能优于电镀锌。光伏支架样式及安装如图4所示。
图4 光伏支架样式及安装图
2.3 光伏逆变器
2.3.1 光伏逆变器作用
光伏逆变器是将光伏系统产生的直流电转换为交流电，在光伏发电阵列中扮演着至关重要的角色，它使得光伏发电能够与传统的交流电网相兼容，太阳能逆变器具备与光伏阵列相配合的特殊功能。
2.3.2 光伏逆变器品牌排行榜
表2 光伏逆变器十大排行榜
2.4 并网配电箱
并网配电箱属于整个发电系统中极其重要的部分。它就像是一个电力中枢，起着连接和控制的关键作用，实现电网的安全、稳定。并网配电箱是计量光伏系统发电量、上网电量、下网电量等数据的关键设备。配电箱主要含断路器 1（光伏输入），电表 1（记录光伏总发电量）、电表 2（双向电表，记录光伏上网电量及用户下网电量）、断路器 2（市电输入）、熔断器（保护）、防雷器（防感应雷）等设备，影响其造价的主要因素是内部元器件品牌，国际一线品牌比国内一线贵20%—40%左右。
3 光伏组件市场价格的变动状况说明
2024年之前，多晶硅组件价格在2元/W左右，2024年多晶硅组件价格已降至0.8-0.9元/W。造成光伏组件价格下降的原因主要有两个：一是原料的价格从2023年高点150000元/t逐步下降至35500元/t；二是多个生产厂家为了占有市场份额及技术革新带来的市场竞争导致材料价格下降。下附某集团2024年第一季度招标价格，如表3所示。
表3 某集团2024年第一季度招标价格
4 屋顶光伏发电系统造价案例分析
四川南充某小学屋顶光伏项目采用的是550Wp的光伏组件，以该项目为例，综合探析其工程造价及经济效益。
4.1 光伏建面
根据国家能源局综合司发布的通知可知，不同建筑类型所需安装的光伏屋顶面积比例有所不同。因此，就这所小学而言，其屋顶可安装光伏的面积比例应不低于40%。在实际项目中，学校光伏安装面积是按照屋顶面积扣除屋顶烟囱洞口面积、扣除考虑安全因素屋顶边缘面积后确定。
4.2 光伏组件价格
光伏组件功率为550W/块，其价格按照0.9元/W考虑。
4.3 装机容量分析
根据建设方提供的图纸及相关资料进行初步设计，统计各区域数据如下表所示表4所示。
表4 项目装机容量分析
该项目屋顶总面积为350㎡，其中光伏安装面积为286.74㎡，通过组件型号和尺寸，可计算出光伏组件数量和总装机容量，总装机容量约 61.05kWp。具体计算方式如图5所示。
图5 （550W）光伏组件型号规格图
（1）光伏组件数量=项目安装面积/每块光伏组件面积=286.74/2.58=111张；
（2）总装机容量=光伏组件数量*单块光伏组件功率=111*550=61.05kWp。
4.4 发电量分析
项目拟采用0.4kV电压等级就近接入电网，结合太阳能资源情况系统效率，组件衰减等因素，结合该地区光照度分析，该项目光伏板每天1KWp可供电量约2度，预估年均发电量：61.05KWp*2度*365（天）=4.47万KWh，该项目 25 年运行期内累计发电 111.7万kWh。
4.5 项目加权电价
根据用户提供的相关数据，本项目企业用电价格约为0.8 元/kWh，上网电价为0.4012元/kWh，假设该项目所发电量用户端消纳占比为90%，其余 10%用于上网。计算加权电价为：0.8*90%+0.4012*10%=0.7601 元/kWh。
4.6 经济分析
项目拟采用 0.4kV 低压接入电网，结合现阶段市场价格，估算屋顶光伏综合单价为3元/W（光伏组件+光伏支架+逆变器+并网柜+安装费），故此项目总投资3*550*111=18.32万元。项目运行期累计电能收益=年均发电量*运营年限*每度电价=4.47*25*0.7601=84.94万元，运维费综合考虑为项目运行期累计电能收益的5%，故此可估算运行期净现金流量：84.94-18.32-84.94*5%=62.37万元，25年总投资收益率=（84.94-4.247）/18.32= 440.46%，年均收益率440.46%/25=17.62%。协会分析如表5、表6所示。
表5 项目光伏安装经济分析
根据投资回收期量化指标判定，该项目投资回收期约6年，该项目经济评价等级为“良好”，方案经济上可行。
表6 项目经济评价分析
4.7 环保分析
光伏发电作为一种纯粹、环保的可再生能源形式，不会对资源直接消耗，也不会释放温室气体对大气环境造成破坏，并且不存在废渣的堆积以及废水的排放等情况，对于周边环境的保护有着显著的积极作用。以下为此学校项目光伏装机环保分析说明，可以清楚了解到屋顶光伏发电的安装在能源节约和环境保护方面的显著效果。该项目环保分析如表7所示。
表7 光伏发电环保分析
该项目装机容量 61.05kWp，25年累计发电 111.7万 kWh，与相同发电量的燃煤电厂相比，按标煤煤耗为350g/kWh计，累计节省标准燃煤390.95吨，减少碳粉尘排放303.38吨，减少温室效应气体二氧化碳排放843.33吨，减少二氧化硫排放33.51吨，同时减少氮氧化物排放16.76吨。
4.8 影响工程造价的因素
4.8.1 系统规模
装机容量越大，所需的设备数量和材料越多，成本相应增加，但在一定规模后可能会因规模效应而降低单位成本。
4.8.2 设备成本
1)光伏组件：质量、效率、品牌会对价格产生较大影响。高效、知名品牌的组件通常价格较高；
2)逆变器：类型、功率等级、品牌不同的逆变器其价格有所差异；
3)配电箱、电缆等其他电气设备，质量和规格的不同导致价格变动。
4.8.3 安装成本
1)屋顶的结构和复杂程度：如果屋顶形状不规则、坡度大或需要额外的加固措施，安装难度增加，成本上升；
2)安装人工费用：当地劳动力成本以及安装团队的经验和专业水平；
3)运输和吊装费用：设备运输到屋顶的成本以及大型组件的吊装费用。
4.8.4 当地的日照条件和政策补贴
1)不同地区的日照时间和强度不同，影响系统的发电效率和设备选型，从而影响成本；
2)当地政府的支持政策。
5 结语
光伏发电项目的建设契合国家工业发展政策，既能有效利用太阳能资源，又能降低环境污染，能够显著改善生态环境。不论是经济效益、环境效益、社会效益都是十分显著。充分了解屋顶光伏发电系统构成以及对其造价影响的主要因素，在以后的光伏项目中就可以更好地控制项目成本，帮助项目节约资金。
参考文献：
[1]李杰.整县屋顶分布式光伏应?场景经济性分析[J].建筑施工2023.
[2]刘鹏.1D@3D维度杂化钙钛矿太阳能电池的研究[D].暨南大学2020.
[3]四川省发展和改革委员会关于2022年新建风电、光伏发电项目上网电价政策有关事项的通知（川发改价格〔2022〕194号）.
