屋頂太陽能發電

 

世界各地的屋頂光電系統：德國柏林（右上）、德國本斯海姆（中）和印度庫帕姆（右下）

屋頂太陽能發電系統或屋頂光伏系統是一種光伏（PV）系統，其發電太陽能電池板安裝在住宅或商業建築或結構的屋頂上。[ 1 ]此類系統的各個組件包括光伏組件、安裝系統、電纜、太陽能逆變器電池儲存系統、充電控制器、監控系統、機架和安裝系統、能源管理系統、淨計量系統、斷路開關、接地設備、保護裝置、匯流箱、防風雨外殼和其他電氣配件。[ 2 ]

與兆瓦級容量的公用事業規模太陽能地面光電發電廠相比，屋頂安裝系統較小，因此是分散式發電的一種形式。一項全面的生命週期分析研究[ 3 ]表明，屋頂太陽能比公用事業規模的太陽能對環境更好。[ 4 ]大多數屋頂光電站都是併網光電發電系統。住宅建築的屋頂光電系統的容量通常約為 5-20 千瓦(kW)，而安裝在商業建築上的屋頂光電系統的容量通常達到 100 千瓦至 1 兆瓦 (MW)。非常大的屋頂可以容納 1-10 MW 範圍內的工業規模光電系統。

截至 2022 年，全球約有 2,500 萬個家庭依賴屋頂太陽能。[ 5 ]澳洲迄今人均屋頂太陽能容量最多。[ 6 ]

安裝

工人安裝住宅屋頂太陽能板
加州Googleplex的屋頂光電系統

城市環境提供了大量的空屋頂空間，本質上可以避免潛在的土地利用和環境問題。估計屋頂日照量是一個多方面的過程，因為屋頂日照值受到以下因素的影響：

  • 一年中的時間
  • 緯度
  • 天氣狀況
  • 屋頂坡度
  • 屋頂方面
  • 鄰近建築物和植被的遮擋[ 7 ]

有幾種方法可以計算潛在的太陽能光電屋頂系統，包括使用光達[ 8 ]和正射影像。[ 9 ]複雜的模型甚至可以確定市政級光伏部署大面積的遮陽損失。[ 10 ]

屋頂太陽能電池陣列的組件

以下部分包含屋頂太陽能電池陣列最常使用的組件。儘管設計可能會因屋頂類型（例如金屬與木瓦）、屋頂角度和遮陽問題而異，但大多數陣列由以下組件的一些變體組成

  1. 太陽能板在陽光照射下產生無碳電力。太陽能電池板通常由矽製成，由較小的太陽能電池製成，每個電池板通常有六個電池。多個太陽能電池板串在一起組成太陽能電池陣列。太陽能電池板通常由鋼化玻璃保護並用鋁框架固定。[ 11 ]太陽能板的正面非常耐用，而背面通常更脆弱。
  2. 安裝夾通常由鋁支架和不銹鋼螺栓組成，將太陽能電池板彼此固定在屋頂上和軌道上。為了適應不同的屋頂和軌道配置，夾具的設計通常會有所不同。[ 12 ]
  3. 架子或導軌由金屬製成，通常平行放置在屋頂上，以便麵板放置。重要的是，導軌必須足夠水平，以便麵板能夠均勻安裝。[ 13 ]
  4. 安裝座將導軌和整個陣列連接到屋頂表面。這些安裝座通常是 L 形支架，透過防水板用螺栓固定在屋頂的椽子上。由於屋頂配置和材料多種多樣，安裝座的設計也各不相同。[ 12 ]
  5. 防水板是一種耐用的金屬板，可在支架和屋頂表面之間提供防水密封。通常，填縫劑用於將防水板密封到屋頂，它類似於金屬屋頂瓦。
  6. 逆變器的直流/交流接線將面板之間的電線連接到微型逆變器或串聯逆變器。[ 13 ]電纜不得接觸屋頂表面或懸掛在陣列上，以避免電纜風化和劣化。
  7. 微型逆變器安裝在電池板的底部，將電池板的直流電轉換成可以發送到電網的交流電。微型逆變器可以在發生陰影時優化每個面板，並可以提供各個面板的特定資料。[ 13 ]

財政

安裝費用

光電系統價格（2022年）

[需要更新]

住宅
國家成本（美元/瓦）
澳洲1.0
中國0.8
法國1.1
德國1.2
印度1.0
義大利1.3
日本1.2
巴基斯坦0.6
英國1.2
美國1.1
商業的
國家成本（美元/瓦）
澳洲0.85
中國0.64
法國0.9
德國0.9
印度0.75
義大利0.9
日本0.95
英國1.0
美國1.0







激勵措施

主詞條：光伏發電的財政激勵

美國

美國各州的太陽能激勵措施可以幫助抵消初始安裝成本，並使太陽能發電更經濟實惠。在美國，每個州都有自己的一套太陽能激勵措施和回扣，包括報稅表、稅收抵免和併網太陽能發電系統的淨計量。 [ 14 ]

在 2000 年代中期，太陽能公司為客戶使用了各種融資計劃，例如租賃和購電協議。客戶可以在幾年內支付太陽能電池板的費用，並從淨計量計劃的信用付款中獲得幫助。截至 2017 年 5 月，安裝屋頂太陽能係統的平均成本為 20,000 美元。過去，它的價格更高。[ 15 ]

Utility Dive 寫道，“對於大多數人來說，在其他賬單和優先事項之上添加太陽能係統是一種奢侈”，“屋頂太陽能公司基本上迎合了美國人口中較富裕的部分。” [ 15 ]大多數獲得太陽能板的家庭都是「中上收入」。太陽能客戶的平均家庭薪資約為 10 萬美元。[ 15 ]然而，在一項關於收入和太陽能係統購買的研究中，出現了「數量驚人的低收入」客戶。 “根據研究結果，GTM 研究人員估計，四個太陽能市場包括超過 100,000 個安裝在低收入房產的裝置。” [ 15 ]

消費者能源聯盟於 2018 年 6 月發布的一份報告分析了美國太陽能激勵措施，顯示聯邦、州和地方激勵措施的結合，加上安裝光伏系統淨成本的下降，導緻美國各地更多地使用屋頂太陽能。根據Daily Energy Insider 報導，「報告稱，2016 年，住宅太陽能光電裝置容量比去年增加了20%。同時，住宅太陽能的平均安裝成本在2016 年第一季下降了21%，至每瓦特直流電2.84 美元。[ 16 ]事實上，在該小組研究的八個州中，政府對安裝屋頂太陽能光電系統的整體激勵實際上超過了這樣做的成本。[ 17 ]

2019 年，扣除稅收抵免後，美國 6 kW 住宅系統的全國平均成本為 2.99 美元/瓦，典型範圍為 2.58 美元至 3.38 美元。[ 18 ]

由於規模經濟，工業規模的地面安裝太陽能係統的發電成本 (2 c/kWh) 是小型屋頂安裝系統 (4 c/kWh) 的一半。[ 19 ]

上網電價補貼機制

在併網屋頂光電站中，所產生的電力有時可以出售給服務電力公司以在電網的其他地方使用。這種佈置為安裝者的投資提供了回報。由於所產生的收入，來自世界各地的許多消費者正在轉向這種機制。公用事業委員會通常會設定公用事業公司支付該電力的費率，該費率可能是零售費率或較低的批發費率，這極大地影響了太陽能發電的投資回報和安裝需求。

眾所周知的 FIT 導致了全球太陽能光電產業的擴張。透過這種形式的補貼創造了數以千計的就業機會。然而，它會產生氣泡效應，當 FIT 被移除時，氣泡效應就會破裂。它還提高了本地化生產和嵌入式發電的能力，減少了電力線的傳輸損耗。[ 2 ]

太陽能瓦

太陽能瓦

太陽能瓦或光伏瓦是太陽能電池板，其外觀和功能與傳統屋頂材料（如瀝青瓦或板岩）相似，同時也能發電。太陽能瓦是一種被稱為光伏建築一體化（BIPV）的太陽能解決方案。 [ 20 ]

混合系統

屋頂光電混合系統。

屋頂光電站（併網或離網）可以與柴油發電機、風力渦輪機、電池等其他電力組件結合使用。[ 2 ]

優點

安裝商有權將太陽能電力輸入公共電網，因此每發電千瓦時可以獲得合理的溢價電價，反映太陽能電力的好處，以補償當前光伏電力的額外成本。[ 2 ]

對消費者來說，太陽能光電系統可以利用太陽的免費能源來產生家庭使用的電力，幫助他們減少對化石燃料的依賴。因此，太陽能光電發電可以幫助房主降低碳足跡，並節省水電費。[ 21 ]

缺點

包含光電站 10% 貢獻的電力系統將需要比傳統系統增加 2.5% 的負載頻率控制(LFC) 容量[行話] ——這個問題可以透過在直流/交流中使用同步逆變器盈虧平衡成本，但出於經濟和 LFC 考慮，光伏發電對整個電力系統的貢獻上限為 10% 左右。[ 22 ]

拆除太陽能板以更換木瓦屋頂

瀝青瓦屋頂太陽能

更換瀝青瓦屋頂時，需要卸載並取下太陽能電池板以重新鋪瓦屋頂，並在重新鋪瓦屋頂後重新安裝。在此期間，房子可能會停電。太陽能電池板安裝人員必須出來兩次進行卸載，並在屋頂完工後重新安裝，而且他們的勞動力通常比瀝青瓦屋頂工人的工資更昂貴。[ 23 ]

技術挑戰

將大量屋頂光電系統併入電網面臨許多技術挑戰。

反向潮流

電網並不是為配電級的雙向功率流而設計的。配電饋線通常設計為徑向系統，用於將單向功率流從大型集中式發電機長距離傳輸到配電饋線末端的客戶負載。對於屋頂上的局部和分散式太陽能光電發電，逆流會導致電力流向變電站和變壓器，帶來重大挑戰。這對保護協調和電壓調節器產生不利影響。

斜坡率

由於間歇性雲的影響，光電系統發電量的快速波動會導致配電饋線出現不良的電壓波動。在屋頂光電發電的高滲透率下，由於負載和發電的瞬態不平衡，這種電壓波動會降低電網的穩定性，如果不透過功率控制來應對，則會導致電壓和頻率超過設定限制。也就是說，集中式發電機的發電速度無法足夠快地匹配光電系統的變化，從而導致附近系統的頻率不匹配。這可能會導致停電。這是一個簡單的局部屋頂光電系統如何影響更大電網的例子。透過在大範圍內分佈太陽能電池板和增加存儲，可以部分緩解這個問題。

操作維護

由於屋頂設施的分散性和訪問難度，屋頂光電太陽能的運作和維護成本比地面設施更高。在屋頂太陽能係統中，由於光伏系統性能監控工具的可用性較低以及人力成本較高，通常需要較長的時間來識別故障並派遣技術人員。因此，屋頂太陽能光電系統的運作和維護品質通常較低，系統可用性和能源輸出水準也較低。

金屬屋頂上的薄膜太陽能

薄膜太陽能沿著立縫金屬屋頂運行

隨著薄膜太陽能效率的不斷提高，將其安裝在金屬屋頂上與傳統的單晶和多晶太陽能電池相比已具有成本競爭力。薄膜面板具有柔韌性，可沿著直立接縫金屬屋頂延伸，並用黏合劑黏在金屬屋頂上，因此無需打孔即可安裝。連接線在屋頂頂部的屋脊下方延伸。效率範圍為 10-18%，但每瓦裝置容量成本僅為 2.00-3.00 美元左右，而單晶矽的效率為 17-22%，每瓦裝置容量成本為 3.00-3.50 美元。薄膜太陽能重量輕，每平方英尺 7-10 盎司。薄膜太陽能板的使用壽命為 10-20 年[ 24 ]，但比傳統太陽能板的投資回報率更快，金屬屋頂在更換前可持續使用 40-70 年，而瀝青瓦屋頂的使用壽命為12-20 年。[ 25 ] [ 26 ]

不同類型太陽能屋頂的成本
類型[ 27 ]每瓦成本效率平均 6 kW 系統成本
多晶$2.80–$3.0013–17%$17,400
單晶矽$3.00–$3.5017–22%19,000 美元
薄膜面板$2.00–$3.0010–18%17,000 美元

最大的屋頂太陽能裝置

屋頂光電站（10兆瓦以上）
光電站地點國家標稱功率[ 28 ]

(分子量p)

筆記

麗億集團永隆越南38鞋類製造工廠的屋頂[ 30 ] [ 31 ]
Prologis雷德蘭茲配送中心加州雷德蘭茲美國282010 年 11 月至 2013 年 8 月，在 Prologis Redlands 配送中心的多個屋頂上進行了一系列安裝，裝置容量從 1.75 MW 到 6.77 MW [ 32 ]
麥迪拜裝瓶廠杜拜阿拉伯聯合大公國1852,000 個太陽能組件，2019 年夏季完工[ 33 ]
海倫能源公司芬洛荷蘭18芬洛的這個專案由 48,000 多個太陽能模組和 100 多個逆變器組成。使用屋頂126,000平方公尺。[ 34 ] 2020年8月安裝完成。
蘋果公園加州庫比蒂諾美國17 號主樓約 10 兆瓦，兩棟停車樓約 7 兆瓦[ 36 ]
阿爾溫德有限公司桑特伊印度16這是印度最大的單一工業廠房太陽能屋頂發電廠。 Santej 的這個專案由 46,000 多個太陽能模組和 180 多個逆變器組成。這座地標建築的安裝花費了超過 20,000 個工日，並更換了 40,000 多平方米的舊屋頂，為該工廠讓路。[ 37 ]
Permacity 倉庫 / LADWP加州洛杉磯美國16[ 38 ]
通用汽車薩拉戈薩西班牙122008年秋季安裝於通用汽車西班牙薩拉戈薩製造工廠[ 39 ] [ 40 ]
德拉巴巴賈馬爾辛格，雙魚印度12太陽能發電廠遍布 42 英畝的屋頂[ 41 ]
河濱再生能源 – Holt Logistics 格洛斯特海運碼頭新澤西州格洛斯特市美國10三座冷藏倉庫大樓。於 2012 年 4 月竣工，裝置容量為 9 兆瓦，[ 42 ] [ 43 ]於2019 年擴建。
南加州愛迪生-惠而浦公司區域配送中心加州佩里斯美國102011年9月19日安裝在惠而浦公司區域配送中心屋頂[ 45 ]

參見

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耶 穌 對 他 說 ： 你 要 盡 心 、 盡 性 、 盡 意 愛 主 ─ 你 的 神 。

—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37

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