摘要：通过对上海市居民用电情况和居民建筑屋顶结构形式的调研，分析了不同屋顶结构安装光伏系统的发电量和收益情况，及不同用电方式的经济效益估算。结果表明，与平屋顶相比，坡面的别墅屋顶更适合安装光伏系统，方便在城市推广和操作实施，若同时采用全部自发自用的消费模式，经济回收期最短，收益更大。
关键词：居民用电；户用光伏系统；经济效益
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：2095-0802-(2016)02-0100-04
0引言
近几年，光伏发电系统逐渐从太空领域应用到大型地面电站和分布式光伏电站，如今又快速走进家庭，成为家庭和个人可选择的家用发电设备。但家庭用户除关心光伏系统整体发电的转换效率和安装方式外，其所带来的经济效益也是人们关注的焦点。本文着重根据上海的实际用电类型和屋顶安装方式，结合户用系统发电量和补贴政策，分析户用系统的经济效益，为广大家庭用户提供参考。
1上海市居民用电调查
居民用电主要是指照明用电、生活用电、空调用电等，但除空调之外的其它家用电器用电负荷的影响相对平稳，一些功率较大的电器（如电热水器）可利用深夜的谷时电负荷，对白天最大负荷影响很小，然而空调功率不仅是家用电器中最大的，且是最不稳定、随意性最强的，它对气温变化敏感度较高，是高峰负荷重要的构成。同时，空调开启的同时率高度一致，尤其在高温、双休日、寒暑假期间，表现得较为明显，一般来说，当夏季室内气温超过26℃时，用电负荷就会随气温明显变化，由此增加的负荷约占社会负荷的1/3，在全电网的最高负荷中起决定性影响。因此，对居民空用电进行分析，对光伏系统的应用推广具有重要意义[1]。据居民用电调查，上海家庭年均用电量为1800kW•h，月均用电量约为150kW•h，统计显示，70%居民家庭用电量低于平均值，平均月用电量最高的为200kW•h，最低的只有63kW•h。这些低用电水平家庭消耗的电量占居民用电总量的45%，另外30%高用电水平家庭消耗的电量却要占到居民用电总量的55%，平均月用电量最高的达450kW•h，最低的为137kW•h，是低用电水平家庭的2倍以上。据上海统计局抽样调查，上海城市居民家庭人均电量为627kW•h，其中20%高收入家庭的用电量是20%低收入家庭的1.7倍。从消费结构的角度平看，城市居民家庭人均用电、燃料消费支出占全部消费的比例为3.2%，其中，低收入家庭为4.6%，而高收入家庭仅占2.3%。
2居民建筑屋顶结构类型
居民建筑屋顶的结构类型及产权决定着屋顶光伏利用的可行性。常见的屋面结构类型主要有以下三种（见图1～图3）。从居民建筑结构类型来看，有平屋顶和坡屋顶两种类型，以坡屋顶为主。在屋顶光伏利用方面，如果在小区居民楼楼顶安装光伏系统，不仅需要物业的同意书，还需要整栋楼的居民同意，所以因产权及物业城市管理等方面的限制因素，制约着小区居民楼屋顶的光伏应用推广。具有明确产权的别墅屋顶在光伏推广利用方面具有一定的优势。本文分别分析研究了坡屋顶和平屋顶的别墅类型屋顶光伏的应用模式及经济测算。
3光伏系统经济估算
本文针对占上海总用电量55%以上高用电量家庭设定装机容量在3kW和5kW两种常见光伏系统[2]，根据上海市居民用电电价表和上海市政府对光伏用电补贴进行光伏发电经济效益估算。上海市居民用户电价表见表1。在进行光伏经济估算时需了解不同地区政府对光伏补贴的差异，针对上海户用系统的补贴政策：上网电量补贴费用由电力公司支付，发电量补贴分国家及市政府两部分费用，由国家及市政府通过可再生能源基金支付，并通过电力公司依据发电量的计量结算转付给个人。具体补贴标准如下：a)余电上网电量补贴电价0.4593元/(kW•h)（当地燃煤标杆上网电价，依据每年市政府的通知）；b)发电量补贴电价由两部分组成：国家补贴0.42元/(kW•h)，补贴20a；市政府补贴个人0.40元/(kW•h)，补贴时限为5a。
3.1坡屋顶经济效益核算
3.1.1光伏发电量估算本文以上海市徐汇区臻园9号的别墅为例加以说明，该别墅除去别墅屋面烟囱、老虎窗等不可利用的附属设施的面积，可供安装光伏组件的有效面积[3]分别为：南面屋顶面积为30m2，有效安装面积约14m2，北面屋顶面积为8m2（一般不装组件），东西面屋顶各为10m2，有效面积约为4m2[4]。以常用的组件为例：功率为250W，单个组件面积约为1.6m2。根据屋面图纸、实际量测及电路走向，确定该屋面各个方位能放置的组件个数（见表2）。在此别墅屋顶安装完成后的现场图见图4所示。假设屋面倾角为22°，利用PVSYST软件模拟不同方位光伏组件的年发电量约为3424kW•h。3.1.2经济效益估算臻园9号的光伏装机总容量为3kW，按照光伏装机的平均造价，大概12元/W（不是批量安装的数据），则用户需对光伏投资额为3.6×104元。若该用户年用电量为4800kW•h以上，该用户为第三档用户，白天用电价格为0.977元/(kW•h)。根据实际屋顶的安装容量和补贴政策，针对3kW容量的别墅屋顶进行经济测算情况（见表3和图5）。由以上分析可看出，本例中的居民用户若初始投资为3.6×104元，若全部自发自用，投资回收期为6.32a，再之后光伏发电全部为收益，25a的现金收入为10.69×104元。同时可从表格中看出，将光伏所发电量全部自发自用，该种方案更为合算。针对此户用系统25a的节能减排效果见表4。
3.2平屋顶经济效益核算
3.2.1光伏发电量估算平屋顶具有更多可用来安装光伏组件的面积。以嘉定玉麦路16号的平顶别墅为例加以分析说明，该平屋顶有效安装光伏组件的面积为100m2，且可将所有光伏组件均安装为正南朝向[5]。可供安装光伏组件的个数约为48块组件，累计功率约为12kW•h，同时考虑到业主用电量较低，安装5kW足够使用，估算光伏系统的年发电量为5700kW•h。平屋顶户用系统安装完成后的现场图见图6。3.2.2经济效益估算嘉定玉麦路16号别墅的光伏装机容量为5kW，假设3kW和5kW的光伏系统安装成本都是12元/W。则用户需要对5kW光伏系统的投资额为6×104元。如果该用户年用电量为4800kW•h以上，按上海市目前峰谷价格，该用户为第三档用户，白天时段价格为0.977元/(kW•h)。根据实际屋顶的安装容量和补贴政策，针对5kW容量的屋顶进行经济测算情况（见表5和图7）。由以上分析可看出，本例中居民用户若初始投资为6×104元，若全部自发自用，投资回收期为6.32a，再之后光伏发电全部为收益，25a的现金收入为17.82×104元。同时可从表格中看出，将光伏所发电量全部自发自用，该种方案更为合算。针对此系统其节能减排效果见表6。
4结语
通过对上海市居民用电情况和屋顶结构状况调研，分析了不同屋顶结构安装光伏系统和不同用电方式的收益状况。得到如下应用经验，为户用光伏系统的推广提供方向。a)对于光伏系统发电的消费模式分析，可看出采用全部自发自用的模式对于居民来说投资回报率最高；b)住宅小区居民使用公共区域建设分布式电压，需提供物业、业主委员会或居委会的同意建设证明；c)因居民楼是业主的公共资源，即使整栋楼业主都统一，仍涉及管理、分配问题。所以城镇和农村的独栋楼房，别墅等住宅比较适宜建屋顶发电系统；d)工厂、学校、商业综合体、医院、企事业单位适合推广安装；e)因目前属于分散式安装，建设成本和流程申请成本较高，所以屋顶光伏更适合于集中区域安装和并网申请；f)家庭式光伏系统的材料和安装成本还需进一步降低，才能进一步走向市场化。
参考文献：
［1］张红莲.太阳能光伏发电在住宅户用供电系统的应用［J］.电力与能源，2010(21)：402-403.
［2］郑诗程，丁明，苏建徽，等.户用光伏并网发电系统的研究与设计［J］.电力电子技术，2005，39(1)：55-57.
［3］JoachimBenemann.Building-integratedPVmodules［J］.SolarEnergyMaterials&SolarCells，2001(67)：345-354.
［4］沈文忠.太阳能光伏技术与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2014.
［5］周忠敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例［M］.北京：电子工业出版社，2013.
作者：乔虹桥 冯相赛 张海磊 唐寅彬 王训春 赵欣侃 单位：上海太阳能工程技术研究中心有限公司
