“雙碳”背景下屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)環(huán)境效益分析

張敏，劉進(jìn)，林江剛，趙孝保

(1.江蘇省工程咨詢中心有限公司，南京 210003；2.南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，南京 210042)

2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上作出“中國(guó)力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的重大承諾，明確了中國(guó)未來(lái)低碳發(fā)展的新目標(biāo)。2021年3月，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議指出，“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期和窗口期，要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，意味著光伏、風(fēng)能、核能等新能源作為未來(lái)電力系統(tǒng)的主體地位將進(jìn)一步凸顯。

在“雙碳”的背景下，清潔能源必然會(huì)迎來(lái)快速發(fā)展，屋頂分布式光伏電站將迎來(lái)發(fā)展的高峰期。我國(guó)建筑屋頂資源豐富、分布廣泛，開(kāi)發(fā)建設(shè)屋頂分布式光伏潛力巨大。依據(jù)《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于報(bào)送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知》、《江蘇省發(fā)展和改革委員會(huì)<關(guān)于報(bào)送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知>》等相關(guān)文件，開(kāi)展整縣(市、區(qū))推進(jìn)屋頂分布式光伏建設(shè)，可充分發(fā)揮分布式光伏就近發(fā)電、就近并網(wǎng)和就近消納等優(yōu)勢(shì)，有利于整合資源實(shí)現(xiàn)集約開(kāi)發(fā)，有利于節(jié)約優(yōu)化配電網(wǎng)投資，有利于引導(dǎo)居民綠色能源消費(fèi)，對(duì)促進(jìn)地方綠色低碳建設(shè)，推動(dòng)形成綠色生產(chǎn)方式和生活方式，提高綠色發(fā)展水平，對(duì)引領(lǐng)城市高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、匯流箱、逆變器、負(fù)載以及其它有關(guān)監(jiān)測(cè)和配電設(shè)備等組成，光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)電系統(tǒng)可按供電方式、太陽(yáng)能采集方式及建筑應(yīng)用方式等進(jìn)行分類。按供電方式可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型；按太陽(yáng)能采集方式可分為固定型、單軸跟蹤型和雙軸跟蹤型；按建筑應(yīng)用方式可分為無(wú)建筑型、建筑結(jié)合型(BAPV)和光伏建筑一體化(BIPV)等[1]。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著分布式光伏的發(fā)展，光伏發(fā)電與建筑的結(jié)合越來(lái)越受到人們的重視。在城市里應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，只能利用建筑物的有效面積安裝太陽(yáng)能電池。安裝在建筑物上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，統(tǒng)稱為建筑光伏(BMPV)。建筑光伏的光伏組件與建筑物的結(jié)合形式主要有 “安裝型”太陽(yáng)能光伏建筑(BAPV)和光伏建筑一體化(BIPV)，建筑光伏應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 建筑光伏應(yīng)用場(chǎng)景圖

本文主要通過(guò)梳理所在地整縣域范圍內(nèi)現(xiàn)有黨政機(jī)關(guān)，學(xué)校、醫(yī)院和村委會(huì)等公共建筑，工商業(yè)廠房和農(nóng)村居民建筑四大類建筑主體屋頂資源，測(cè)算其可安裝光伏風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模，利用排放因子法，研究分析BAPV建筑光伏開(kāi)發(fā)對(duì)碳減排、氮氧化物減排和硫化物減排等的貢獻(xiàn)情況。

2 分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以江蘇省某縣級(jí)市為研究對(duì)象，基于該縣級(jí)市太陽(yáng)能資源情況，分析開(kāi)發(fā)屋頂分布式光伏的環(huán)境效益。該縣級(jí)市地處溫帶，屬亞熱帶季風(fēng)性海洋氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。年平均氣溫為16.9 ℃，年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)約為1 104 h，適宜光伏發(fā)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的空間資源較為充足。根據(jù)“Solargis”太陽(yáng)能資源分析，該縣級(jí)市水平面總輻照度為1 325.1 kW·h/m2，根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》(GB/T37526-2019)，該縣級(jí)市屬于“太陽(yáng)能資源豐富”區(qū)域[2]，日照小時(shí)數(shù)滿足光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，發(fā)展與推廣屋頂分布式光伏電站具有光照資源豐富的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)該縣級(jí)市現(xiàn)有建筑屋頂資源現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研、收集、整理和分析，搜集的數(shù)據(jù)包括：建筑面積、屋頂總面積、屋頂可利用面積、房屋建筑結(jié)構(gòu)、房屋建設(shè)年限和屋面形式等。該縣級(jí)市可利用屋頂總面積約為976.34萬(wàn)m2，在考慮屋面形式(平屋頂/坡屋頂?shù)?、建設(shè)年限、房屋建筑結(jié)構(gòu)(框架結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)/鋼、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等)和建筑主體類別等因素下，該市可安裝屋頂分布式光伏裝機(jī)規(guī)模約73.86萬(wàn)kW，其中黨政機(jī)關(guān)建筑屋頂可安裝裝機(jī)規(guī)模約為0.97萬(wàn)kW，學(xué)校、醫(yī)院和村委會(huì)等公共建筑屋頂可安裝裝機(jī)規(guī)模約為4.87萬(wàn)kW，工商業(yè)廠房屋頂可安裝裝機(jī)規(guī)模約為39.11萬(wàn)kW，農(nóng)村居民屋頂可安裝裝機(jī)規(guī)模約為28.91萬(wàn)kW。

2.2 環(huán)境效益評(píng)估方法

(1)碳減排效果計(jì)算方法。光伏發(fā)電項(xiàng)目碳減排效果主要采用的方法學(xué)為《可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)(第二版)》(CM-001-V02)[3](以下簡(jiǎn)稱“方法學(xué)”)，其減排原理主要為通過(guò)建設(shè)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目來(lái)替代由化石能源占主導(dǎo)的電網(wǎng)產(chǎn)生的同等電量，實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排。截至目前，超過(guò)80%的光伏CCER項(xiàng)目(裝機(jī)容量超過(guò)15 MW的大型項(xiàng)目)采用《可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)》(第一版或第二版)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，剩余的光伏CCER項(xiàng)目(裝機(jī)容量不超過(guò)15 MW的小型項(xiàng)目)采用《聯(lián)網(wǎng)的可再生能源發(fā)電(第一版)》(CMS-002-V01)。本文所述該縣級(jí)市光伏開(kāi)發(fā)碳減排采用的方法學(xué)為《可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)(第二版)》(CM-001-V02)。邊界確定：邊界的空間范圍包括項(xiàng)目發(fā)電廠以及與本項(xiàng)目接入的電網(wǎng)中的所有電廠。一般光伏項(xiàng)目的項(xiàng)目邊界包括的溫室氣體種類僅為二氧化碳。本文所述光伏整市開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的邊界為對(duì)應(yīng)裝機(jī)規(guī)模的項(xiàng)目發(fā)電廠以及與該項(xiàng)目接入的華東區(qū)域電網(wǎng)中所有電廠[4]。我國(guó)區(qū)域電網(wǎng)覆蓋省份見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)區(qū)域電網(wǎng)覆蓋省份表

基準(zhǔn)線識(shí)別：基準(zhǔn)線情景即若不建設(shè)現(xiàn)有項(xiàng)目、但產(chǎn)生相同結(jié)果(例如產(chǎn)生相同發(fā)電量)或延續(xù)歷史情形持續(xù)發(fā)展的情景，減排量就是基于基準(zhǔn)線情景進(jìn)行計(jì)算的。在光伏項(xiàng)目中基準(zhǔn)線的識(shí)別方式包括三種，如果項(xiàng)目活動(dòng)是建設(shè)新的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電廠/發(fā)電機(jī)組，那么基準(zhǔn)線情景為項(xiàng)目活動(dòng)生產(chǎn)的上網(wǎng)電量由并網(wǎng)發(fā)電廠及其新增發(fā)電源替代生產(chǎn)。本文所述擬開(kāi)發(fā)的光伏整市項(xiàng)目為新建項(xiàng)目。因此，基準(zhǔn)情景為擬開(kāi)發(fā)項(xiàng)目活動(dòng)生產(chǎn)的上網(wǎng)電量由華東區(qū)域電網(wǎng)中發(fā)電廠及其新增發(fā)電源替代生產(chǎn)。

減排量計(jì)算：根據(jù)方法學(xué)《可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)(第二版)》(CM-001-V02)，光伏項(xiàng)目減排量=基準(zhǔn)線排放量-項(xiàng)目排放量-泄露量[3,5]，光伏項(xiàng)目減排量計(jì)算示意圖如圖3所示，其中，電量邊際排放因子、容量邊際排放因子、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)(或負(fù)荷因子)和棄風(fēng)率等參數(shù)與項(xiàng)目所在省份風(fēng)速和政策有關(guān)。

(2)其它污染物的減排效果計(jì)算方法。目前，我省火力發(fā)電主要以燃煤發(fā)電為主，燃煤會(huì)產(chǎn)生大量污染環(huán)境的氣體和粉塵，對(duì)環(huán)境與人體有損害，而光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)期間幾乎不產(chǎn)生污染物，有利于減少污染物的排放和環(huán)境保護(hù)。依據(jù)孫可[6]的研究，以國(guó)內(nèi)電廠的平均能耗為參照，每節(jié)約1 kW·h電，可減少污染排放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總懸浮顆粒物。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 碳減排效果

依據(jù)圖3計(jì)算示意圖，結(jié)合該市年利用時(shí)間、各建筑主體屋頂資源可裝機(jī)容量等，計(jì)算該市可安裝光伏項(xiàng)目第1年碳減排量。

圖3中光伏組件功率衰減系數(shù)取值來(lái)源依據(jù)：按照“硅基組件超級(jí)聯(lián)盟”(SMSL))成員First Solar新聞發(fā)布中所述，“該公司公布的最新HiKu7單晶單面大尺寸組件系列產(chǎn)品，產(chǎn)品輸出功率在640～665 W之間，其組件首年功率衰減率不超過(guò)2%、后續(xù)每年的功率衰減率不超過(guò)0.55%、溫度系數(shù)為-0.35%/℃”[7]，則本文中光伏組件的衰減系數(shù)按首年線性衰減2%，此后每年遞增0.55%計(jì)。因此，該市光伏項(xiàng)目25年運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)各年光伏組件功率衰減比例依據(jù)楊威等[8]的研究成果計(jì)算，考慮光伏組件功率衰減后各年發(fā)電量比率如表2所示。

表2 考慮光伏組件功率衰減后各年發(fā)電量比率

圖3 光伏項(xiàng)目減排量計(jì)算示意圖

圖3中電量邊際排放因子和容量邊際排放因子依據(jù)中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部網(wǎng)站發(fā)布的各年度情況匯總[4,9-11]，中國(guó)各區(qū)域2011年—2019年度電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子(電量邊際排放因子EFOM)和(容量邊際排放因子EFBM)情況統(tǒng)計(jì)如圖4和圖5所示。其中，2019年華東區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子(電量邊際排放因子)為0.792 1、2019年華東區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子(容量邊際排放因子)為0.387 0。

圖4 中國(guó)各區(qū)域2011-2019年度電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子(電量邊際排放因子EFOM)情況統(tǒng)計(jì)

圖5 中國(guó)各區(qū)域2011-2019年度電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子(容量邊際排放因子EFBM)情況統(tǒng)計(jì)

結(jié)合表2和圖3，該縣級(jí)市可安裝屋頂分布式光伏項(xiàng)目25年運(yùn)營(yíng)期范圍內(nèi)年均碳減排量約516 576.57 tCO2，25年運(yùn)營(yíng)期范圍內(nèi)碳減排總量約12 914 414.18 tCO2，該縣級(jí)市可安裝光伏項(xiàng)目碳減排情況見(jiàn)表3。

表3 該縣級(jí)市可安裝光伏項(xiàng)目碳減排情況

3.2 其它污染物的減排效果

依據(jù)前文所述，每節(jié)約1 kW·h，可減少污染排放8.556 gSO2、3.803 gNOx、0.124 gCO、0.190 1g總懸浮顆粒物(TSP)；每節(jié)約1 kW·h，可節(jié)約標(biāo)煤消耗298 g。則該縣級(jí)市25年運(yùn)營(yíng)期范圍內(nèi)年均SO2減排量約為6 405.38 t、NOx減排量約為2 843.76 t、CO減排量約為92.72 t、TSP減排量約為142.15 t。

4 結(jié)語(yǔ)

屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)主要通過(guò)利用城市和鄉(xiāng)村中的空置屋頂資源來(lái)建設(shè)，對(duì)人口密集、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、土地資源緊缺的地區(qū)而言，是一種很好的可再生能源開(kāi)發(fā)利用模式，與傳統(tǒng)火電相比，擁有較好的減排效益。本文案例該縣級(jí)市可利用屋頂總面積約為976.34萬(wàn)m3，裝機(jī)總量可達(dá)到73.86萬(wàn)kW，與地面光伏電站建設(shè)相比，能夠節(jié)約近466.67 hm2土地。同時(shí)該規(guī)模項(xiàng)目年均凈上網(wǎng)電量可達(dá)747 767.6 MW·h，具有十分重要的意義。該規(guī)模電站每年可減少CO2排放51.7萬(wàn)t，SO2排放0.64萬(wàn)t、NOx排放0.28萬(wàn)t等。隨著城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展不斷加快，該規(guī)模效應(yīng)也將隨屋頂面積的增加而提高。

整市推進(jìn)屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)利用，有利于實(shí)現(xiàn)整市屋頂資源的集約開(kāi)發(fā)、有利于削減電力尖峰負(fù)荷，有利于節(jié)約優(yōu)化配電網(wǎng)投資，有利于引導(dǎo)居民綠色能源消費(fèi)，能夠較大程度地減少溫室氣體和污染物的排放，對(duì)保護(hù)環(huán)境有促進(jìn)作用，有助于碳達(dá)峰和碳中和的實(shí)現(xiàn)。