国网长沙供电公司 张学敏 陈 幸

国网湖南省电力有限公司电力调度控制中心 谭文忠 陈 鹏

 

随着电力需求的持续增长、传统能源紧缺形势的不断加深，以及环境问题的日益突出，光伏发电技术的发展方兴未艾。光伏电源具有取之不尽用之不竭、清洁环保、安装地点灵活等多方面的优点，为我国节能减排措施的开展提供了技术保障。

与此同时，城市化进程快速发展，国家已经制定了城镇化的规划目标，我国在2020年要将城镇化率提高到60%，这意味着更多的人要进入城镇化的生活，要增加更多的用电容量。长沙地区近年来用电负荷增长迅速，负荷高峰也是每年屡创新高，而长沙属于电力受端地区，基本靠外界补给，因此，急需在本地寻找一种清洁有效的电源供给方式以缓解当前长沙用电“卡脖子”现象。

城镇化的进程必然伴随更多的房屋建筑尤其是高层建筑拔地而起，经济社会的发展，人民生活水平不断提高，人均住房面积也会有显著改善。人口增多，房屋占地增多，城镇地区土地已成为一种越来越稀缺的资源，在城市地面安装光伏电站已成为一种奢侈，但经济性方面欠佳。因此，充分利用屋顶资源发展屋顶光伏来补充城市电力供应，就地消纳，既缓解了城市供电压力，减少了供电设施投资，又有效利用了现成的屋顶资源，替代了部分煤电不失为一种一举多得的有效措施。

本文基于长沙城镇人口以及人均居住面积推算出长沙地区屋顶面积，用屋顶光伏的有效利用面积，计算长沙地区屋顶光伏的潜在安装容量，并与长沙地区电力电量进行比较，验证安装屋顶光伏的可行性。同时，计算屋顶光伏所发电量节省的CO2排放量，分析了光伏给环境带来的有益效果，从而给电力公司、政府解决当前用电难题以及节能减排提供参考。

1 屋顶光伏潜在安装容量模型

为了计算屋顶光伏潜在安装容量，首先要估算长沙城镇地区屋顶面积。由于国家统计局未公布长沙城镇地区屋顶面积，笔者采用城镇人均居住面积SA与城镇人口数量R得出总面积，除以长沙城镇房屋平均楼层FA得到屋顶面积S，公式如下：

          S=SA×R/FA        （1）

式中，由于2017年长沙城镇居民人均住房未公布，SA取2014年长沙城镇居民人均住房面积达到45.34平方米，2017年长沙城镇人口数量R为614.38万人，长沙城镇房屋平均楼层FA取10，可得屋顶面积S为2786万平方米。

        S=45.34×614.38/10=2786    （2）

目前，光伏组件用的规格为1650×992×45mm，功率是250W，得出每平方米可安装光伏容量PA为152W。

       PA=250/（1.65×0.992）=152     （3）

因此，屋顶光伏安装容量P的计算公式为：

          P=η×S×PA        （4）

式中，η为屋顶面积的有效利用系数，由于考虑屋顶走向、屋顶突出部分、屋顶边缘、不可利用区域及光伏阵列安装走道等因素，本文中η取20%。故由公式（4）可得：

长沙地区屋顶光伏潜在安装容量P为84.7万kW。

根据湖南省光伏项目开发建设指南，湖南省太阳能资源条件一般，属于全国四类地区，年太阳总辐射在3200～4600MJ/m2之间，光伏发电年等效利用小时数900h左右。

因此，长沙地区屋顶光伏潜在年发电量E计算公式如下：

            E=P×T       （5）

取T为900h，根据式（5）计算得出：长沙地区屋顶光伏潜在年发电量为7.6亿kWh。

2 电力电量平衡分析

近年来，随着长沙地区经济的发展，电力电量需求明显增多，从2015年起长沙电网负荷逐年刷新历史记录，2015年全网瞬时负荷达512.1万kW，创下历史新高，2016年夏季最高负荷616.9万kW，2017年最高负荷达到663.4万kW，2018年夏季最高负荷更是突破了700万kW。本文以2017年的最高电力负荷以及全年电量，与长沙地区屋顶光伏安装容量以及年发电量进行对比，从电力电量平衡的角度分析，屋顶光伏对长沙地区电力的作用。

电力方面。2017年长沙地区屋顶光伏潜在安装容量为84.7万kW，占2017年最高电力负荷663.42万kW的比例从式（6）可以看出为12.8%，占比较高，能有效地平抑尖峰负荷。

        ηP=84.7/663.4=12.8%      （6）

电量方面。长沙地区2017年全年供电量为295.4亿kWh，长沙地区屋顶光伏潜在年发电量为7.6亿kWh，由于光伏发电年等效利用小时数较低，占比较小，也能起到一定补充电量的作用。

        ηE=7.6/295.4=2.6%      （7）

3 环境影响分析

温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。

以某发电厂效率为例，发电燃煤为276.14g/kWh。同时，每燃烧1g标准煤，平均排放CO2 2.6g。

因此，长沙地区安装光伏屋顶，潜在年发电量为7.6亿kWh，估计每年可节约标准煤21万吨。

      7.6×108×276.14g=2.1×105t      （8）

由式（9）可以得出，每年减少CO2排放量为55万吨。

       2.1×105×2.6=5.5×105t       （9）

以每棵树可以吸收0.52吨CO2为例，由式（10）可以得出：减排效果相当于种植了106万棵树，对于温室气体的排放可起到举足轻重的作用。

        5.5×105/0.52=1.06×106     （10）

此外，燃煤发电的高排放引起的雾霾现状，也成为了一个不可忽视的难题。构成雾霾的三大成分：二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物，均是燃煤排放废气的成分。

太阳能发电完全没有任何附加的排放物，对于环境十分友好。落实屋顶光伏，可以减少燃煤发电的污染，从而对长沙的环境质量治理会有一定的改善作用。

4 结束语

本文旨在通过计算长沙地区的屋顶光伏安装容量，兼顾长沙地区的人均居住面积以及人口数量，得出屋顶面积；通过建立模型，计算得出2017年长沙地区屋顶光伏可安装容量以及潜在年发电量。并且通过电力电量平衡分析以及环境影响分析，同时验证安装屋顶光伏的积极效果，得到如下结论：

（1）2017年，长沙地区屋顶光伏潜在安装容量为84.7万kW，占2017年最高电力负荷的12.8%。

（2）2017年，长沙地区屋顶光伏潜在年发电量为7.6亿kWh，占2017年全年供电量比例的2.6%。

（3）2017年，长沙地区屋顶全部安装光伏，将每年节约标准煤21万吨，减少CO2排放量55万吨，相当于种植106万棵树，对地区环境起到改善作用。

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