A Comprehensive Study on the Potential of Rooftop-Distributed Photovoltaics in the Pearl River Delta Urban Agglomeration
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摘要:
屋顶光伏发电仅利用屋顶空间和太阳辐射，不额外占用土地资源，因此成为推动绿色能源转型的重要选择。珠江三角洲（珠三角）城市群是我国城市化进程最快的地区之一。本研究基于区域地理和当前技术条件提出 5°和20°两种安装角度、单晶硅和多晶硅两种光伏板材料，共计4种屋顶光伏安装方案，分析在珠三角城市群开展大面积屋顶光伏项目的技术、经济以及减排潜力。结果显示，珠三角地区的城市屋顶总面积为2493.255 km2，占珠三角土地面积的4.5%；珠三角地区的最大屋顶光伏发电潜力约为440.6×108～721.2×108 kW h，且每年能够减少47.83%～78.14%的广东省电力部门温室气体排放；通过净现值指标对屋顶光伏发电的经济收益进行评估，5°单晶硅的安装方案所带来净现值最高，达到了2151亿元，同时其初始投资也是4种安装模式中最小的；4种安装方案均在第四年可实现成本回收，表明在珠三角地区推行大面积屋顶光伏具有显著的潜力，未来屋顶光伏发电项目具有较强的投资吸引力。
Abstract:Rooftop photovoltaic (RPV) systems utilize roof space and solar radiation without occupying additional land resources, making them an important choice for promoting the transition to green energy. Based on the regional geography and current technical conditions, we propose four RPV installation scenarios, including two installation angles (5° and 20°) and two photovoltaic panel materials (monocrystalline silicon and polycrystalline silicon), to analyze the technical, economic, and emission reduction potential of RPV projects in the Pearl River Delta (PRD) urban agglomeration, one of the fastest urbanizing regions in China. Our results show that the total urban roof area in the PRD region is 2493.255 km2, accounting for 4.5% of the PRD’s land area. The maximum RPV power generation potential in PRD cities ranges from approximately 44.06 to 72.12 billion kW h, which can reduce greenhouse gas emissions from the Guangdong power sector by 47.83% to 78.14% annually. By evaluating the economic benefits of RPV, the scenario with 5° monocrystalline silicon panels exhibits the highest net present value, reaching 215.1 billion Yuan, and its initial investment is the smallest among the four scenarios. All four scenarios can achieve cost recovery in the fourth year, indicating significant potential for promoting large-scale RPV in the PRD region and highlighting the strong investment attraction for future RPV projects.
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1. 引言
随着城市化进程的快速发展，城市建筑的数量和密度急剧增长，使得建筑成为了能源消耗和温室气体排放的主要场所（Ardente et al., 2011），与建筑相关的温室气体排放量超过CO2总排放量的30%（Costa et al., 2013）。屋顶分布式光伏发电作为光伏技术的重要分支，其最大优点是可以以较低的成本集成到建筑物中，实现就地发电和供电，减少对中央电网的依赖（Chen et al., 2013），并且在满足自身能源需求与减少建筑温室气体排放的过程中，不会额外增加城市日益紧张的土地资源压力。目前，作为未来能源领域最具潜力的方向之一，屋顶分布式光伏在推动低碳城市建筑建设方面具有显著优势，是未来新型电力系统的重要组成部分（Huang et al., 2022）。
近年来对屋顶分布式光伏发电在城市维度中普及与推广潜力的研究逐渐增多。目前国内外对城市地区屋顶光伏发电的分析与评估研究取得了显著的进展，Singh（2020）提出一种基于模拟软件PVsyst中的数学模型和微观模拟以确定潜力因子的方法，用以评估印度多个城市的屋顶光伏潜力。Bódis et al.（2019）基于卫星和统计数据源与机器学习相结合的方法，使用欧盟建筑存量的最新空间信息来量化光伏系统的可用屋顶面积，为欧盟（EU）屋顶光伏发电的技术潜力提供可靠的评估。Assouline et al.（2018）通过结合地理信息系统（ GIS ）技术和随机森林 RF 算法，评估瑞士屋顶光伏的安装潜力。Lukač et al.（2016）提出了一种利用高分辨率LiDAR（光探测和测距）数据估算安装在斯洛文尼亚马里博尔市建筑物屋顶上的光伏系统所能产生的经济和环境效益的方法。Hong et al.（2017）开发了一种通过使用GIS山体阴影分析工具来估算可用屋顶面积屋顶太阳能光伏潜力的方法，用以评估韩国首尔市江南地区的地理和技术潜力。Huang et al.（2019）使用图像分割和深度学习算法识别城市大范围的建筑屋顶，从而得到中国武汉建筑物屋顶的光伏潜力。Jiang et al.（2023）使用MS-GeoNet模型从高分辨率遥感图像中提取建筑足迹的方法评估了江苏省的光伏发电潜力，并计算了反映屋顶光伏开发经济可行性的指标。Wang et al.（2023）通过BRL模型结合社会经济统计数据的方法量化了南宁市屋顶光伏项目的综合潜力。An et al.（2023）利用三维建筑建模软件Rhinoceros及其Grasshopper和Ladybug插件，结合GIS数据、典型的当地气象数据和电力需求对深圳市太阳能潜力进行了评估。Wang et al.（2022）提出了一种利用机器学习模型以高地理分辨率处理由国内生产总值、建筑足迹、道路长度和人口组成的大数据评估中国屋顶光伏发电潜力的方法。
城市的规模化屋顶光伏发电应用对于推动我国能源转型具有重要的意义，由于我国的产业基础与人口高密度区域几乎都集中于东部地区，但东部地区的土地资源却非常紧张，是典型的高密度区域，因此采用就地消纳的分布式光伏发电具有相当可观的发展潜力（王文静和王斯成, 2016）。
过往的研究中，在研究范围上多集中于城市、街区以及单体建筑物尺度，而对城市群范围的研究却相对较少，且在该范围下对国内城市群特别是南方城市群的研究更少。因此，本文在综合前人研究的基础上，着眼于城市群尺度，提出基于GIS对地图资料处理得到大范围的屋顶面积，并对建筑进行分类统计，旨在得到不同类型建筑的屋顶空间可利用系数，并从技术、经济以及减排3个角度分析其所能产生的效益，以期为屋顶光伏发电在城市群尺度的深入推广和应用提供科学依据和参考。
2. 研究材料与方法
2.1 研究区域
本研究选取的目标区域为珠江三角洲，其位于中国南部沿海的广东省，包括广州、深圳、佛山、东莞、珠海、惠州、肇庆、中山和江门9个地级市，尽管香港与澳门在地理位置上珠三角地区紧密相邻，但是香港和澳门属于特别行政区，拥有独特的政治体制和法律体系，在能源政策和电力需求方面也与内地城市存在一定差异。特别行政区有自身的电力市场和能源需求模式，在屋顶光伏方面的推广可能需要根据当地的需求和政策进行定制。在香港目前已有相关的研究成果发表（Peng and Lu, 2013），因此，研究暂不考虑将香港与澳门纳入研究范围。珠三角地区全区面积约为55368.7 km2，人口超过1亿2千万，是中国最具活力的经济区域之一。珠三角区域的城市化程度高，土地利用率高，人造地表开发程度集中（图1），人口密度大，是广东省城市能源消耗的主要区域。
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图 1 2022年珠三角区域土地利用和覆盖分布情况（资料来源：自然资源部GlobeLand30数据集）。Figure 1. Land use and cover distribution in the Pearl River Delta region in 2022 (source: Ministry of Natural Resources of the People's Republic of China GlobeLand30 dataset).2.2 研究方法
本节将对珠三角地区屋顶光伏发电潜力与效益评估进行方法学与研究路线的探讨（图2）。
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图 2 光伏技术与效益评估流程。Figure 2. Flow chart of photovoltaic technology and benefit evaluation.2.2.1 屋顶光伏可利用面积
评估城市屋顶光伏发电的首要步骤是对城市建筑屋顶的光伏可利用面积进行清点与统计。这个过程主要可分为3个部分，包括屋顶面积统计、建筑分类与计算屋顶空间可利用系数。
首先对珠三角9个城市进行大规模的屋顶统计，这个过程需要用到的建筑数据是天地图，其数据来源于国家地理信息公共服务平台（https://guangdong.tianditu.gov.cn/[2023-08-25]）。采用地理信息系统（GIS）作为分析工具，对珠三角地区城市建筑中的屋顶面积进行统计。利用GIS中的影像分析工具将天地图中的数据源提取并建立栅格图层，通过波段提取函数提取出栅格的轮廓线，然后过滤掉非建筑区域，得到珠三角地区城市建筑物的具体轮廓并进行矢量化，最后通过空间分析扩展模块中的面积计算工具获得建筑物屋顶面积。
本研究从OpenStreetMap开放数据网站（https://www.openhistoricalmap.org/[2023-08-25]）中获取珠三角9个城市的建筑地图数据（曹元晖等, 2020），参照《城市土地利用分类和开发用地规划标准规范》（GB50137-2011）对珠三角九个城市的建筑地图数据进行筛选、过滤、整合，对建筑进行重分类，将城市建筑分为9类，包括住宅建筑、工业建筑、商业建筑、公共行政和公共设施、高校、学校、医院、历史文化建筑、自然景观中的建筑。
一般来说，利用统计学方法统计出城市的建筑屋顶面积往往不能代表其实际的可安装光伏的面积，因此，需要引入屋顶空间可利用系数这一概念，对统计出的建筑屋顶总面积进行修正。屋顶空间可利用系数是指屋顶可安装光伏的面积与屋顶总面积之比，该系数会受到地理位置、建筑类型等因素的影响。本研究采用抽样调研（Ordóñez et al., 2010）的方法，即利用GIS软件中的随机点工具，生成一个半径为500 m的圆形研究区域，当某类型建筑（如住宅）的屋顶数量较多且分布范围较广时，则适当增加圆域内的采样点数量，随后在地图中对选中区域内的样本进行建筑类型识别并利用测量工具进行面积测量，确定建筑类型和得出屋顶可利用空间的面积，进而计算出屋顶空间可利用系数。
2.2.2 太阳辐射估算方法
本研究选取来自欧盟科学中心提供的PVGIS-SARAH（Photovoltaic Geographical Information System and Satellite Application Facility On Climate Monitoring）太阳辐射数据集（https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/#api_5.2[2023-08-25]）估算珠三角地区的太阳辐射水平。过去的研究表明，PVGIS-SARAH太阳辐射数据集所提供的辐射数据与现场测量相比，误差绝对值小于5%，具有较为良好的一致性（Paul et al., 2022）。
光伏板所接收的辐射类型具体可以分为三类：直接辐射、散射辐射和反射辐射。直接辐射是直接投射到光伏板上的太阳辐射；散射辐射是经由空气中的气体分子、气溶胶和颗粒物等散射到光伏板上的太阳辐射；反射辐射是经由地面、屋顶、墙体等表面反射到光伏板上的辐射。因此，光伏板所接收到的总辐射按以下公式计算：
$$ \mathit{I}\mathrm=\mathit{I}_{\mathrm{bt}}\mathrm+\mathit{I}_{\mathrm{dt}}\mathrm+\mathit{I}_{\mathrm{r}}\mathrm{\text{，}} $$ (1) 其中，I为倾斜面总辐射，Ibt为倾斜面直接辐射， Idt 为倾斜面散射辐射，Ir为倾斜面反射辐射，上述参数单位均为W h/m2。
光伏板接收到的直接辐射 Ibt 的计算公式如下：
$$ \mathit{I}_{\mathrm{bt}}\mathrm=\mathit{R}_{\mathrm{b}}\mathit{I}_{\mathrm{bh}}\mathrm{\text{，}} \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad$$ (2) $$\begin{aligned} R_{\mathrm{b}}&=\frac{{\mathrm{cos}}\theta_i}{{\mathrm{cos}}\theta_z}=\\ &\frac{{\mathrm{cos}}\ \delta {\mathrm{cos}}\left(\varphi - \beta\right){\mathrm{sin}}\omega'_S + {\text π}/180\omega'_S{\mathrm{sin}}\ \delta {\mathrm{sin}}\left(\varphi - \beta\right)}{{\mathrm{cos}}\ \delta \ {\mathrm{cos}}\varphi {\mathrm{sin}}\omega_S + {\text π}/180\omega_S{\mathrm{sin}}\delta {\mathrm{sin}}\varphi}， \end{aligned}$$ (3) 其中，δ为太阳偏角，$\varphi $为城市所在的纬度，β为光伏安装倾角， ωS和$ \omega'_{\mathrm{S}} $分别为平表面和倾斜表面的日落时角。
δ、ωS和$ \omega'_{\mathrm{S}} $可由下列公式计算获得：
$$ \delta=23.45\mathrm{^{\circ}}\sin\left[360\left(284+n\right)/365\right],\qquad $$ (4) $$ \omega\mathrm{_S}=\arccos\left(-\tan\varphi\tan\delta\right),\qquad\qquad\qquad $$ (5) $$ \omega _S^\prime = {\rm min}\Bigr\{ {{\omega _S}, \arccos \Bigr [ { - \tan \Bigr( {\varphi - \beta } \Bigr) \times \tan \delta } \Bigr]} \Bigr\}. $$ (6) 光伏板接收到的散射辐射Idt 计算公式如下：
$$ I_{\mathrm{dt}}=I_{\mathrm{dh}}\left[\frac{I_{\mathrm{bh}}}{H_{\mathrm{o}}}R\mathrm{_b}+\frac{1}{2}\left(1+\cos\beta\right)\left(1-\frac{I_{\mathrm{bh}}}{H_{\mathrm{o}}}\right)\right], $$ (7) 其中，Ho为天文辐射日总量（单位：W h/m2），
$$ H\mathrm{_o}=\frac{24}{\text{π}}I_{\mathrm{o}}f\left(\cos\lambda\cos\delta\sin\omega_{\mathrm{S}}+\frac{\text{π}}{180}\omega\mathrm{_S}\sin\lambda\sin\delta\right), $$ (8) $$ f=1+0.033\cos\left(360n/365\right), $$ (9) 式中，Io为太阳常数，Io =1367 W/m2，f为日地距离偏心修正系数。
光伏板接收到的反射辐射Ir的计算公式如下：
$$ I\mathrm{_r}=\frac{1}{2}\rho I\mathrm{_{gh}}\left(1-\cos\beta\right), $$ (10) 其中，Igh为水平面辐射总量，单位：W h/m2，ρ为地面反射率，地面越光滑，反照率越高，本研究近似取0.2（Pan et al., 2022）。
2.2.3 光伏板的安装方式
对于光伏板的安装朝向，由于珠三角地区位于北回归线附近，太阳位置几乎全年位于南面，因此本研究设定光伏板的方位角朝向为正南。对于安装倾角，光伏板与太阳光越接近垂直，接收到的太阳辐射量越大，即是光伏板的最佳倾斜角度。但由于太阳的高度角与方位角时刻在变化，光伏板的最佳倾斜角度会有所不同（图3）。朝向/倾角可调的光伏板价格昂贵，为了节省安装和维护成本，使用固定朝向和倾角的安装方式，则需要测算出一个最佳的安装倾角。由于太阳辐射角度在珠三角地区不同季节的差异较大，本研究将对不同季节的光伏板安装倾角进行评估。
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图 3 光伏板上的太阳辐射示意图（α为组成面方位角，β为光伏板倾斜角，Ω为太阳方位角度，δ为太阳高度角，θ为太阳与组成面角度的夹角）。Figure 3. Schematic diagram of solar radiation on photovoltaic panels (α is the azimuth angle of the component plane, β is the inclination angle of the photovoltaic panel, Ω is the azimuth angle of the sun, δ is the elevation angle of the sun, and θ is the included angle between the sun and the component plane angle).本研究采用PVsyst7.2软件（https://www.gsesinternational.com/introduction-to-pvsyst-the-best-solar-design-software-for-2021/[2023-08-25]）对光伏板安装倾角进行参数化测试，旨在寻求最适合珠三角地区的安装倾角范围。由于珠三角地区9个城市地理位置相近，气象条件相似，因此以Meteonorm8.0（1996～2015年）的气象数据，包括水平面的总辐射、水平面的散射辐射以及环境温度等数据，并选取广州、深圳、珠海3个气象站点的数据近似代表珠三角地区的整体水平。本研究以5°为间隔点，将光伏板倾斜角度在0°～40°设置9个变量，探究不同安装倾角在夏季半年（4～9月）、冬季半年（10月至次年3月）以及全年辐射总量的差异，考虑到过高的安装倾斜角度会引发相应的安全隐患，因此本次测试不考虑40°以上的角度。测试结果如下表1所示，可以看出，当倾斜角度为固定 5°时，夏季半年（4～9月）的辐射量最大，当倾斜角度为固定 40°时，冬季半年（10月至次年3月）的倾辐射量最大，当倾斜角度为固定20°时，全年的辐射量总量最大。由于珠三角地区的台风天气较多，较高的安装倾斜角度会导致光伏组件因台风天气而发生损毁或高空飘坠等风险的可能性增大（孟丹等, 2020），由此造成相应的辐射接收减少，并且提高了光伏系统的维护成本，降低了经济效益，故本研究不考虑40°的屋顶光伏倾斜安装角度。
表 1 2022年珠三角地区不同光伏板倾斜角度下的辐射接收量Table 1. Solar panel tilt angle radiation reception in the Pearl River Delta region in 2022光伏板倾
斜角度夏季半年辐射
量/kW h m−2冬季半年辐射
量/kW h m−2全年辐射量总
量/kW h m−20° 1213.43 653.18 1866.61 5° 1246.22 709.01 1955.23 10° 1243.68 761.21 2004.89 15° 1238.71 808.54 2047.25 20° 1215.54 886.76 2102.30 25° 1182.37 917.08 2099.45 30° 1149.21 942.32 2091.53 35° 1053.10 960.67 2013.77 40° 1009.43 973.19 1982.62 因此根据上述参数化测试以及相关文献综述（孟丹等，2020），本研究将光伏板安装倾角设定为5°与20°，下文将以此倾角设置不同的安装情景，用以寻求能实现发电效益最大化的安装方案。
组成光伏面板的吸收材料主要包括硅（非晶硅和晶硅）、碲化镉（CdTe）和硫化镉（CdS）、有机聚合物、以及薄膜电池等（Parida et al., 2011）。由于晶体硅在导电性能和电子迁移率方面表现较非晶体硅更优异，因此更适合于用作光伏面板的吸收材料（Battaglia et al., 2016）。单晶硅太阳能电池的光电转换效率通常在16%～18%，而多晶硅太阳电池通常在14%～16%，相比之下，单晶硅太阳能电池拥有更加优良的发电效益（苗青青等, 2022）。在成本方面，单晶硅的制造过程相对复杂，需要高纯度的硅原料与精细的工艺技术，因而单晶硅的生产成本较多晶硅高（陈俊帆等, 2019）。
3. 研究结果
3.1 屋顶光伏可利用面积评估
珠三角地区的建筑分布空间和面积情况可见图4，广州、深圳、佛山、东莞市的建筑分布相对密集，城镇化率高，特别是部分商业、政治或文化中心区域的建筑密集程度尤为明显。江门、珠海、中山、惠州、肇庆市的建筑密度则较为稀疏，建筑的分布特点多以主城区为聚集核心，而除主城区之外的地区建筑零星分散，城镇化率相对较低。珠三角9个城市建筑屋顶总面积为 2493.255 km2，占珠三角土地面积的 4.5%。珠三角地区各个城市的建筑屋顶面积情况相差较大，佛山、东莞、广州市的建筑屋顶面积相对最大，屋顶面积均超过了350 km2，佛山、东莞的屋顶面积分别达到了约462 km2和433 km2；江门、肇庆、惠州、中山市的建筑屋顶面积次之，屋顶面积在200 km2到300 km2的范围内；深圳市虽然建筑密度高，但由于其行政区域小，因此建筑屋顶面积较小，约为156 km2，在珠三角地区城市建筑屋顶总面积中占比小；珠海市的建筑屋顶面积约为70 km2，为珠三角地区建筑屋顶面积最小的市。
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图 4 2022年珠三角各城市（a）建筑空间分布及（b）屋顶面积统计。Figure 4. (a) Spatial distribution of architecture and (b) roof area statistics of cities in the Pearl River Delta region in 2022.珠三角地区各城市用地分类分布情况可见图5，利用GIS对建筑图层进行裁剪，统计被裁剪的建筑面积，可得出可分类建筑的屋顶面积占总屋顶面积的比例如表2所示。可以看出，广州、深圳、佛山、东莞、珠海和中山市数据相对较完善，用地类型分布显示较为完整。结合百度在线地图对比验证，江门、惠州和肇庆市的空间覆盖情况即使城市中心区域也有很大的缺失，已知类型建筑的比例仅为34.02%、26.59%、20.65%，数据完整性上较于其他城市仍有很大差距，已知类型的建筑相对较少。
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图 5 2022年珠三角各城市用地分类分布。Figure 5. Classification and distribution of urban land use in the Pearl River Delta region in 2022.表 2 2022年珠三角各城市已知类型建筑占比Table 2. Proportion of known types of buildings in various cities of the Pearl River Delta in 2022城市 总屋顶面积/km2 已知类型建筑比例 广州 366.24 39.85% 深圳 156.23 58.24% 东莞 432.93 35.55% 佛山 461.62 37.84% 惠州 253.21 26.59% 中山 204.38 40.78% 珠海 70.55 65.32% 江门 297.84 34.02% 肇庆 250.25 20.65% 可见，利用OpenStreetMap开放数据获得的可知建筑类型占所有建筑的比例仍是少量的，将剩余的未知建筑类型，与实际标注的地图进行对比，发现住宅区、工业区、商业区、公共管理设施等中仍有很多未知建筑，而高校、学校、医院等土地覆盖比较完整，因此按照住宅区、工业区、商业区等的现有比例对未知建筑进行分配。珠三角地区9个城市重分配后的建筑类型占比如图6所示。
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图 6 2022年珠三角地区城市建筑类型占比。Figure 6. Proportion of building types in cities of the Pearl River Delta in 2022.基于GIS与谷歌地图对不同类型建筑的抽样调研情况如表3所示。可见，工业区与住宅区的屋顶空间可利用系数最高，为0.92与0.8，而公共管理与公共设施用地、高等院校用地、医疗卫生用地、商业服务业用地、中小学用地的屋顶空间可利用系数差距较小，均处于0.52～0.63的范围内。其中对于文物文化用地的建筑，考虑到历史的特殊性和建筑的美观性，对其屋顶空间可利用系数设置为 0，对于自然景观中的建筑，考虑收到林木遮挡较多，故屋顶空间可利用系数也设置为 0。
表 3 基于谷歌地图测量工具得到的屋顶面积可利用系数Table 3. Utilization coefficient of roof area based on Google Map measurement tool建筑用地类型 涵盖建筑类型 样本数 屋顶空间可利用系数 住宅区用地 小区住宅、自宅、别墅 100 0.80 公共管理与公共设施用地 政府、消防、公安、邮局、图书馆、银行、法院、监狱等 20 0.60 高等院校用地 大学、学院 20 0.55 学校用地 中小学、幼儿园 50 0.61 医院用地 医院 20 0.52 历史和文化用地 遗址、教堂、寺庙、陵园、艺术中心、博物馆、剧院、戏院等 0 0 公园绿地用地 公园、森林、动物园 0 0 商业区用地 酒店、商场、批发市场、售车部、加油站等 30 0.63 工业区用地 工业园、科技园、水厂、发电站等 50 0.92 3.2 技术潜力评估
3.2.1 光伏板安装方式的效益评估
本研究设置了4种安装情景：（1）安装倾角5°的单晶硅光伏板；（2）安装倾角5°的多晶硅光伏板；（3）安装倾角20°的单晶硅光伏板；（4）安装倾角20°的多晶硅光伏板。对5°和20°两种光伏板摆放倾角所产生的辐射接收量比较如图7所示。图7a展示了散射辐射的全年变化值，在3～9月，5°的摆放倾角能够产生较20°倾角高的散射辐射，而在10月至次年的2月则相反。图7b展示了直接辐射的全年变化值，由于珠三角地处北回归线附近，在夏季半年（4～9月）太阳位于北半球中，太阳辐射在倾斜角越小的表面上越接近于垂直，直接辐射的接收面更加大，故5°光伏摆放倾角能够在此半年接收到比20°光伏摆放倾角更高的直接辐射量。而在冬季半年（10月至次年3月），20°的光伏摆放倾角能产生较大的直接辐射接收面，接收到更高的直接辐射量。图7c展示了地面/屋顶辐射反射的全年变化值，20°的光伏摆放倾角所接收的地面/屋顶辐射反射远高于5°。图7d展示了总辐射的全年变化值，即直接辐射、散射辐射以及地面/屋顶反射辐射的的总和，在夏季半年（4～9月），5°摆放倾角能够接收更多的辐射量，而在冬季半年（10月至次年3月）则相反。
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图 7 5°和20°光伏板摆放倾角产生的太阳（a）散射辐射量、（b）直接辐射量、（c）地面/屋顶反射辐射量和（d）总辐射量全面变化（阴影区表示误差带）。Figure 7. (a) Scattered radiation, (b) direct radiation, (c) reflected radiation and (d) total radiation using 5° and 20° inclined plane installation angles (shaded ares are error zones).3.2.2 光伏发电潜力评估
对光伏发电潜力的计算可参考以往的研究方法（Peng and Lu，2013），其计算公式如下：
$$ E=1\times e\times A\mathrm{_{PV}}\times\lambda\ , $$ (11) 其中，E为城市屋顶光伏的年潜在发电量，单位：kW h；I为最佳倾斜角度下每平方光伏板的年接收太阳辐射量，单位：kW h/m2；e为所选目标光伏板的转换效率；APV为总的可用屋顶上的光伏面积；λ为光伏系统的运行效率，一般为0.75～0.8，本研究将其设定为0.791（杨晶, 2020）。
本研究假定光伏使用寿命为 25 年，发电效率的年衰减率计算为 0.5%。图8展示4种安装方式下珠三角地区第一年最大潜力下的发电量，可见，这四种方案第一年的发电量范围在440.6×108～721.2×108 kW h内，其中5°单晶硅方案的发电量最大为721.2×108 kW h，20°多晶硅方案的发电量最小，为440.6×108 kW h，而20°单晶硅和5°多晶硅两种方案的发电量则几乎相等，均约为551.7×108 kW h。
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图 8 珠三角城市群屋顶光伏4种安装方案下第一年在最大潜力下的发电量。Figure 8. Power generation under the maximum potential of the four scenarios of rooftop photovoltaic in the first year of the Pearl River Delta urban agglomeration.3.3 减排效益评估
根据2020年《中国电力行业年度发展报告》（https://www.cec.org.cn/detail/index.html?3-298413[2023-08-25]），中国火力发电行业火力发电每生产 1 kW h 电，便会消耗 0.4 kg 标准煤，产生 0.832 kg CO2、0.160g SO2、0.179g NOx、0.032 g 碳粉尘和 54 g 废水，珠三角九个城市的光伏发电在等效替代火力发电的条件下，可以减少与表4相对应的空气污染物的排放量，珠三角9个城市能够节约的标准煤总量约为75.38～124106 t/a，能够减少的CO2、SO2、NOx总排放量分别为157.58～257.59106 t、30.36～49.6106 t、33.97～55.49106 t。其中，佛山市的空气污染减排量是所有城市中相对最大的，其能节约的标准煤最多可达24.76106 t，能够减少的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量最多可达51.50106 t，9.90106 t，11.08106 t。如果所有的屋顶光伏都被开发和使用，珠三角的年度光伏发电潜力可以减少 47.83%～78.14%广东省电力部门排放的温室气体。
表 4 2022年珠三角城市的空气污染物减排量Table 4. Reduction of Air Pollutant Emissions in Pearl River Delta cities in 2022城市 节约标准煤/106 t a−1 二氧化碳/106 t a−1 二氧化硫/103 t a−1 氮氧化物/103 t a−1 广州 9.30～15.20 19.34～31.61 3.72～6.08 4.16～6.80 深圳 3.70～6.04 7.70～12.56 1.48～2.42 1.66～2.70 东莞 12.63～20.61 26.27～42.88 5.05～8.25 5.65～9.22 佛山 15.14～24.76 31.50～51.50 6.06～9.90 6.78～11.08 惠州 7.11～11.57 14.79～24.07 2.84～4.63 3.18～5.18 中山 7.08～11.57 14.43～24.08 2.83～4.63 3.17～5.18 珠海 1.96～3.21 4.09～6.68 0.79～1.28 0.88～1.44 江门 9.97～16.29 20.73～33.88 3.99～6.51 4.46～7.29 肇庆 9.00～14.75 18.73～30.69 3.60～5.90 4.03～6.60 3.4 经济效益评估
3.4.1 成本分析
建造屋顶光伏系统的成本主要包括：初始投入建设成本Cc、财务成本Cw、修理成本Cx、运维成本Cy和折旧成本Cz。根据《中国光伏协会年度发展报告》（http://www.chinapv.org.cn/road_map/927.html[2023-08-25]）指出，2020年分布式屋顶光伏的初始投资成本约3.38元/W，其中屋顶租赁费用为0.27元/W，组件价格为1.52元/ W。屋顶的租赁费用是指光伏系统的运营商租用或租赁用户屋顶空间来安装太阳能光伏电池板系统所产生的费用，其费用大小受到屋顶类型、面积、市场条件等影响，需具体问题具体分析，故本研究不考虑住宅屋顶的租凭费用；财务成本根据具体项目有所不同，这里暂不考虑；修理成本为光伏组件的修理维护费用，认为第一年为质保期，有设备供货商维护，第二年之后每年的修理费用率为0.5%；运维成本主要为光伏组件的清理费用，一般来说，污染严重的区域，光伏板积尘更严重，珠三角空气质量较好，故选用运维费用率为0.5%；折旧成本采用加速折旧法中的年数总和法，假设报废后光伏板的价值为0，加速折旧法特点是前期折旧费用高，逐年降低，其计算方法为：
$$ C_z^n = \displaystyle\frac{{\Bigr[ {\left( {{C_0} - 0} \right) \times \displaystyle\left( {25 - n+I} \right)} \Bigr]}}{{\left( {25+I} \right) \times \displaystyle\frac{{25}}{2}}}， $$ (12) 其中，$ C_z^n$为第n年折旧费用，C0为最初的光伏安装成本，0意味着报废后没有使用价值。
3.4.2 利润分析
本文对光伏发电的所获利润采用净现值指标进行分析和评估。净现值（Net Present Value，简称NPV）是一个财务指标，可用于衡量一项投资项目的价值，它表示预期未来现金流的现值与初始投资之间的差异，该指标考虑了通货膨胀和折旧，以现值呈现未来的收益，当NPV为正值时，则表明该投资项目有盈利能力。NPV的计算公式如下所示：
$$ {{\rm NPV}_i} = - {C_0}+\sum\nolimits_1^i {\frac{{\left( {{R_n}+{C_n}} \right)}}{{{{\left( {1+r} \right)}^i}}}} $$ (13) 其中，$ C_0 $为项目初始投入；Rn为第i年的净收入；Cn为第i年的净成本流出；r为社会折现率，本研究中设定为6%。
图9展示了珠三角地区的光伏项目在4种不同安装方式下的逐年累计净现值。由图可知，4种安装方式的逐年累计净现值从 3～5 年开始均转为正值，而其中5°单晶硅的安装模式的净现值最高，达到了2151×108元，且其初始投资也是4种安装模式中最小的。
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图 9 珠三角城市群屋顶光伏发电的净现值逐年变化。Figure 9. Annual change in net present value (NPV) of rooftop photovoltaic power generation in the Pearl River Delta urban agglomeration.3.4.3 投资成本回收期分析
投资成本回收期是指收回原始投资所需的预期年数，常作为衡量建设光伏电站项目效益的重要指标。在所有影响因素不变的情况下，成本回收期越短的项目的可投资性越好。
图10展示的是珠三角地区在4种不同安装模式下的成本回收情况，可见，所有安装模式都可在第四年实现成本回收，开始实现净收益。
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图 10 珠三角城市群屋顶光伏发电的成本回收期。Figure 10. Payback period of rooftop photovoltaic power generation in the Pearl River Delta urban agglomeration.4. 结论与讨论
（1）珠三角城市群的建筑屋顶面积为2493.255 km2，占珠三角地区总面积的4.5%；对城市建筑进行整理、分类及抽样调研后得到，珠三角地区的屋顶空间可利用系数在0.52～0.92的范围内，其中工业建筑与住宅建筑的屋顶空间可利用系数最高，分别为0.92和0.8，可以提供相对最多的建筑屋顶空间。
（2）在珠三角地区的夏季半年（4～9月），5°的光伏摆放倾角能够在接收到更高的总辐射量，冬季半年（10月至次年3月）20°的光伏摆放倾角能够接收到更高的辐射量。5°和20°的屋顶光伏倾角是最适合珠三角地区的安装角度，能够在最大程度上减少由于季节性因素与地理因素造成的太阳辐射损失，提高珠三角地区的屋顶光伏发电潜能。
（3）4种安装方案第一年在最大潜力下所产生的发电量范围在440.6×108～721.2×108 kW h，其中5°单晶硅方案的发电量最大，为721.2×108 kW h，这说明了以5°单晶硅方案作为珠三角地区的光伏主要方式能够带来最佳的发电效益。
（4）基于光伏发电在等效替代火力发电的条件下，珠三角地区能够节约的标准煤约为75.38～124106 t，能够减少的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量分别为157.58～257.59106 t、30.36～49.6106 t、33.97～55.49106 t，且珠三角的年度光伏最大发电潜力可以减少 47.83%～78.14%广东省电力部门排放的温室气体。
（5）4种光伏安装方案的累计净现值均可在 3～5 年开始为正值，即完成成本回收，实现净收益。其中5°单晶硅的安装模式能够获得最佳的经济效益，因为其能以最少的投资成本获得最多的收益。
本研究对珠三角地区城市群屋顶光伏发电的综合潜力进行了分析与探讨，并得出了相应的定量结果，但在方法学上仍然存在一些不足之处，如在对屋顶面积的统计与分类时，获得的建筑物并不含高度数据，而相邻的不同高度建筑之间可能会存在对太阳光相互遮挡的情况，这使得屋顶的实际可利用面积不如预期。因此，如何将建筑物高度数据纳入对屋顶光伏可利用空间的评估，将是未来研究的可行方向。
综上而言，珠三角地区具有充足的屋顶光伏安装空间，大力发展屋顶光伏产业可以获得非常可观的发电效益、减排效益与经济效益，这不仅可以减少珠三角城市群对化石燃料等传统能源的依赖，减少温室气体的排放，缓解空气污染，带来经济效益，还能够加快建设珠三角地区清洁低碳、安全高效的现代能源体系，推动能源领域的高质量发展。
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图 1 2022年珠三角区域土地利用和覆盖分布情况（资料来源：自然资源部GlobeLand30数据集）。
Figure 1. Land use and cover distribution in the Pearl River Delta region in 2022 (source: Ministry of Natural Resources of the People's Republic of China GlobeLand30 dataset).
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图 2 光伏技术与效益评估流程。
Figure 2. Flow chart of photovoltaic technology and benefit evaluation.
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图 3 光伏板上的太阳辐射示意图（α为组成面方位角，β为光伏板倾斜角，Ω为太阳方位角度，δ为太阳高度角，θ为太阳与组成面角度的夹角）。
Figure 3. Schematic diagram of solar radiation on photovoltaic panels (α is the azimuth angle of the component plane, β is the inclination angle of the photovoltaic panel, Ω is the azimuth angle of the sun, δ is the elevation angle of the sun, and θ is the included angle between the sun and the component plane angle).
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图 4 2022年珠三角各城市（a）建筑空间分布及（b）屋顶面积统计。
Figure 4. (a) Spatial distribution of architecture and (b) roof area statistics of cities in the Pearl River Delta region in 2022.
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图 5 2022年珠三角各城市用地分类分布。
Figure 5. Classification and distribution of urban land use in the Pearl River Delta region in 2022.
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图 6 2022年珠三角地区城市建筑类型占比。
Figure 6. Proportion of building types in cities of the Pearl River Delta in 2022.
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图 7 5°和20°光伏板摆放倾角产生的太阳（a）散射辐射量、（b）直接辐射量、（c）地面/屋顶反射辐射量和（d）总辐射量全面变化（阴影区表示误差带）。
Figure 7. (a) Scattered radiation, (b) direct radiation, (c) reflected radiation and (d) total radiation using 5° and 20° inclined plane installation angles (shaded ares are error zones).
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图 8 珠三角城市群屋顶光伏4种安装方案下第一年在最大潜力下的发电量。
Figure 8. Power generation under the maximum potential of the four scenarios of rooftop photovoltaic in the first year of the Pearl River Delta urban agglomeration.
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图 9 珠三角城市群屋顶光伏发电的净现值逐年变化。
Figure 9. Annual change in net present value (NPV) of rooftop photovoltaic power generation in the Pearl River Delta urban agglomeration.
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图 10 珠三角城市群屋顶光伏发电的成本回收期。
Figure 10. Payback period of rooftop photovoltaic power generation in the Pearl River Delta urban agglomeration.
表 1 2022年珠三角地区不同光伏板倾斜角度下的辐射接收量
Table 1 Solar panel tilt angle radiation reception in the Pearl River Delta region in 2022
光伏板倾
斜角度夏季半年辐射
量/kW h m−2冬季半年辐射
量/kW h m−2全年辐射量总
量/kW h m−20° 1213.43 653.18 1866.61 5° 1246.22 709.01 1955.23 10° 1243.68 761.21 2004.89 15° 1238.71 808.54 2047.25 20° 1215.54 886.76 2102.30 25° 1182.37 917.08 2099.45 30° 1149.21 942.32 2091.53 35° 1053.10 960.67 2013.77 40° 1009.43 973.19 1982.62 
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表 2 2022年珠三角各城市已知类型建筑占比
Table 2 Proportion of known types of buildings in various cities of the Pearl River Delta in 2022
城市 总屋顶面积/km2 已知类型建筑比例 广州 366.24 39.85% 深圳 156.23 58.24% 东莞 432.93 35.55% 佛山 461.62 37.84% 惠州 253.21 26.59% 中山 204.38 40.78% 珠海 70.55 65.32% 江门 297.84 34.02% 肇庆 250.25 20.65%
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表 3 基于谷歌地图测量工具得到的屋顶面积可利用系数
Table 3 Utilization coefficient of roof area based on Google Map measurement tool
建筑用地类型 涵盖建筑类型 样本数 屋顶空间可利用系数 住宅区用地 小区住宅、自宅、别墅 100 0.80 公共管理与公共设施用地 政府、消防、公安、邮局、图书馆、银行、法院、监狱等 20 0.60 高等院校用地 大学、学院 20 0.55 学校用地 中小学、幼儿园 50 0.61 医院用地 医院 20 0.52 历史和文化用地 遗址、教堂、寺庙、陵园、艺术中心、博物馆、剧院、戏院等 0 0 公园绿地用地 公园、森林、动物园 0 0 商业区用地 酒店、商场、批发市场、售车部、加油站等 30 0.63 工业区用地 工业园、科技园、水厂、发电站等 50 0.92
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表 4 2022年珠三角城市的空气污染物减排量
Table 4 Reduction of Air Pollutant Emissions in Pearl River Delta cities in 2022
城市 节约标准煤/106 t a−1 二氧化碳/106 t a−1 二氧化硫/103 t a−1 氮氧化物/103 t a−1 广州 9.30～15.20 19.34～31.61 3.72～6.08 4.16～6.80 深圳 3.70～6.04 7.70～12.56 1.48～2.42 1.66～2.70 东莞 12.63～20.61 26.27～42.88 5.05～8.25 5.65～9.22 佛山 15.14～24.76 31.50～51.50 6.06～9.90 6.78～11.08 惠州 7.11～11.57 14.79～24.07 2.84～4.63 3.18～5.18 中山 7.08～11.57 14.43～24.08 2.83～4.63 3.17～5.18 珠海 1.96～3.21 4.09～6.68 0.79～1.28 0.88～1.44 江门 9.97～16.29 20.73～33.88 3.99～6.51 4.46～7.29 肇庆 9.00～14.75 18.73～30.69 3.60～5.90 4.03～6.60
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