公共建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化與評(píng)估

班銀銀, 任洪波, 楊　健, 邱留良, 蔡　強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海　200090)

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公共建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化與評(píng)估

班銀銀, 任洪波, 楊健, 邱留良, 蔡強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,構(gòu)建了適用于公共建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,可應(yīng)用于公共建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化與評(píng)估分析.基于該模型,以上海地區(qū)辦公樓、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng)等4類典型公共建筑為例,分析了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效果.模擬結(jié)果表明,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在上述4類建筑中均可取得可觀的經(jīng)濟(jì)收益,但在很大程度上依賴于政府補(bǔ)貼的支持;如果每度電的補(bǔ)貼降低到0.1 元/kWh,則投資回收期將增加1倍.

公共建筑; 光伏發(fā)電; 數(shù)學(xué)模型; 經(jīng)濟(jì)性; 投資回收期

作為太陽(yáng)能利用的重要方式之一,光伏發(fā)電得益于其靈活的發(fā)電方式和友好的環(huán)境性能,受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注.[1-2]然而在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)一直存在著重生產(chǎn)輕應(yīng)用的現(xiàn)象,只見(jiàn)光伏而不見(jiàn)發(fā)電.西方發(fā)達(dá)國(guó)家盡享我國(guó)光伏產(chǎn)品的環(huán)保紅利,而其生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的環(huán)境污染卻由我國(guó)來(lái)承擔(dān).這使得光伏產(chǎn)品在我國(guó)僅僅淪為一個(gè)逐利工具,完全背離了其作為節(jié)能環(huán)保技術(shù)的本質(zhì).另一方面,就光伏應(yīng)用而言,我國(guó)早期也一直沿用傳統(tǒng)集中電站的發(fā)展思路,熱衷于大型光伏電站的投資與應(yīng)用,忽略了太陽(yáng)能作為一種分布式能源的本質(zhì)特征,與世界光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的潮流背道而馳.近年來(lái),在國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩、歐美等國(guó)又相繼采取貿(mào)易保護(hù)措施限制我國(guó)光伏產(chǎn)品出口的背景下,作為光伏系統(tǒng)的另外一種重要模式,分布式光伏發(fā)電在我國(guó)越發(fā)受到重視.[3-4]中央和地方政府連續(xù)出臺(tái)了一系列政策以推動(dòng)分布式光伏的推廣應(yīng)用.根據(jù)最新統(tǒng)計(jì),截至2014年底,我國(guó)分布式光伏累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)4.68×106kW,同年新增裝機(jī)容量2.05×106kW.

作為國(guó)內(nèi)外分布式光伏的主要應(yīng)用領(lǐng)域,建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)可以利用閑置屋頂,實(shí)現(xiàn)電能就地消納,減少輸送損失,為此被寄予厚望.同時(shí),與住宅建筑相比,公共建筑應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)往往更具優(yōu)勢(shì).一方面,公共建筑擁有更為寬廣與平整的屋頂,具備放置光伏電池板的條件;另一方面,公共建筑所適用的商業(yè)電價(jià)要遠(yuǎn)高于居民電價(jià),因此分布式光伏發(fā)電更能凸顯其經(jīng)濟(jì)性,而經(jīng)濟(jì)性也是影響分布式光伏投資決策的關(guān)鍵因素.國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域已進(jìn)行了大量研究.李芬等人[5]以武漢某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為對(duì)象,研究了氣象條件對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響.王斯成[6]在分布式光伏發(fā)電政策現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的研究中,提出了分布式光伏發(fā)電成本曲線和制定光伏發(fā)電分區(qū)電價(jià)的考慮因素.金強(qiáng)等人[7]應(yīng)用國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目的國(guó)民經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià).邵漢橋等人[8]對(duì)居民和工商業(yè)用戶分布式光伏發(fā)電提出了經(jīng)濟(jì)性分析方法.然而公共建筑種類繁多,不同功能的建筑也呈現(xiàn)不同的用能特點(diǎn),這會(huì)對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行策略產(chǎn)生影響.

本文基于線性規(guī)劃理論構(gòu)建了適用于公共建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.利用此模型,以上海地區(qū)不同類型公共建筑(辦公樓、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng))為研究對(duì)象,分析比較了4種建筑年用能費(fèi)用節(jié)省率和投資回收年限,并且討論了國(guó)家補(bǔ)助等政策因素對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響.

1　分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型

圖1 為公共建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源流動(dòng)圖.該系統(tǒng)的理想運(yùn)行方式為:白天充分利用太陽(yáng)能電池發(fā)電,在太陽(yáng)能充沛的時(shí)間段內(nèi),太陽(yáng)能電池發(fā)電優(yōu)先滿足用戶用電負(fù)荷;多余電量可以給蓄電池充電或出售給電網(wǎng),電網(wǎng)將高價(jià)回收;從傍晚開(kāi)始,利用蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存的電能供電以減少電網(wǎng)的購(gòu)電量.另外,為了賦予供能系統(tǒng)更大的自由度,本文也考慮了電網(wǎng)對(duì)蓄電池的充電,這樣也可以通過(guò)充分利用低谷電力,達(dá)到削峰填谷的效果.

圖1　分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能源流動(dòng)示意

基于上述系統(tǒng)能流結(jié)構(gòu),為實(shí)現(xiàn)可能的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和減排效果,有必要協(xié)同考慮建筑物的電力負(fù)荷、光伏電池板和蓄電池等設(shè)備的技術(shù)特性、太陽(yáng)輻射的時(shí)刻波動(dòng)型、上網(wǎng)電價(jià)和國(guó)家補(bǔ)貼的變化等相關(guān)因素,并制定合理的優(yōu)化策略.[9-10]本文基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,構(gòu)建了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.

模型輸入條件包括用戶逐時(shí)能源負(fù)荷、電價(jià)、政府補(bǔ)貼,以及光伏電池和蓄電池等系統(tǒng)組成部件的性能參數(shù).需要指出的是,本模型只考慮了電力負(fù)荷,而未考慮供熱、供冷和生活熱水等其他建筑用能需求.通過(guò)模擬分析,一方面可以得到系統(tǒng)配置、運(yùn)行等優(yōu)化策略,另一方面也可對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等作出評(píng)價(jià).

1.1目標(biāo)函數(shù)

本模型以經(jīng)濟(jì)性作為優(yōu)化目標(biāo),以1年為周期,設(shè)定包括投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用在內(nèi)的系統(tǒng)總費(fèi)用最小作為目標(biāo)函數(shù):

(1)

式中:Ctotal——年總供能費(fèi)用;

設(shè)備(包括光伏電池和蓄電池)初期投資折算到每年為:

(2)

式中:A——光伏板的面積;

PPV——光伏板的價(jià)格;

Pbatt——蓄電池價(jià)格;

i——利率;

TPV,Tbatt——光伏板和蓄電池的使用年限;

Qbatt——蓄電池容量.

電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用主要由購(gòu)電量和電價(jià)決定,表示為:

(3)

式中:dm——每月天數(shù);

m,h——月數(shù)和小時(shí)數(shù);

Pm,h,elec——電價(jià),這里采用分時(shí)電價(jià).

系統(tǒng)年收益由兩部分組成,包括光伏系統(tǒng)自發(fā)自用所獲得的補(bǔ)貼和余電上網(wǎng)所獲得的收益,表示為:

(4)

1.2約束條件

模型的約束條件主要包括能源供需平衡和單元設(shè)備(光伏電池和蓄電池)的技術(shù)特性約束兩大類.

1.2.1電力供需平衡

建筑物任意時(shí)刻的電力供求平衡是確保供能穩(wěn)定性的首要條件.在本文所構(gòu)建的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中,電力負(fù)荷可以通過(guò)光伏電池發(fā)電滿足,也可以通過(guò)蓄電池放電提供,不足部分還可從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)獲得.電力供需平衡公式為:

(5)

1.2.2光伏電池單元

光伏電池發(fā)電量主要由電池板面積、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和系統(tǒng)效率決定,其約束條件為:

(6)

R——太陽(yáng)輻射強(qiáng)度;

A——電池板面積;

η——光伏發(fā)電系統(tǒng)效率.

1.2.3蓄電池單元

電儲(chǔ)存平衡的約束條件為:

(7)

(8)

式中:ε——蓄電池自放電率;

上述約束條件表明在某一時(shí)刻的蓄電量等于上一時(shí)刻的蓄電量加上本時(shí)期的充電量減去同期間內(nèi)的放電量.式(8)與式(7)類似,表述的是某日初始時(shí)刻的蓄電量平衡關(guān)系.

2　案例分析

2.1研究對(duì)象

為驗(yàn)證上述模型的有效性,本文選取上海地區(qū)的辦公樓、醫(yī)院、賓館和商場(chǎng)4種建筑物作為研究對(duì)象.設(shè)定上述4種建筑的總面積均為5 000 m2,樓層為10層,則屋頂面積為500 m2,即建筑上可安裝光伏電池板的面積為500 m2.其電能需求由電網(wǎng)、光伏電池和蓄電池共同滿足,當(dāng)光伏電池發(fā)電量超過(guò)用戶需求時(shí),可以將多余電量?jī)?chǔ)存在蓄電池內(nèi)或售給電網(wǎng),為用戶創(chuàng)造利潤(rùn).

2.2模型輸入

2.2.1電力負(fù)荷

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種按需供能系統(tǒng),以滿足用戶負(fù)荷為第一要?jiǎng)?wù).在本文中,公共建筑的電力負(fù)荷隨季節(jié)、時(shí)段呈明顯變化趨勢(shì),故選取冬季和夏季電力負(fù)荷為代表進(jìn)行分析,且1月和8月被確定為冬季和夏季的代表月份.4種建筑在冬季和夏季的逐時(shí)電力負(fù)荷如圖2所示.

由圖2可知,,醫(yī)院和賓館的電力負(fù)荷明顯比辦公樓和商場(chǎng)高.對(duì)辦公樓和商場(chǎng)而言,每天6∶00～20∶00是用電高峰時(shí)段,20∶00至次日6∶00是用電低谷時(shí)段,電力負(fù)荷的消耗比較有規(guī)律,數(shù)據(jù)曲線類似于正態(tài)分布;賓館和醫(yī)院的電力負(fù)荷變化較復(fù)雜,賓館的冬季用電量高于夏季,且賓館在冬季有兩個(gè)用電高峰期分別是6∶00～12∶00和14∶00～21∶00,在夏季則沒(méi)有較明顯的峰谷期.

圖2　4種建筑在冬季和夏季的逐時(shí)電力負(fù)荷

2.2.2電價(jià)

由于本文以系統(tǒng)年總費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù),因此電價(jià)的設(shè)定至關(guān)重要.目前,我國(guó)對(duì)分布式光伏發(fā)電實(shí)行全電量補(bǔ)貼的政策,電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42 元/kWh;根據(jù)光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià),上海市光伏上網(wǎng)電價(jià)為1.0 元/kWh.另外,根據(jù)2014年5月4日新版的《上海市可再生能源和新能源發(fā)展專項(xiàng)資金扶持辦法》,光伏發(fā)電及風(fēng)電兩類新能源項(xiàng)目將根據(jù)發(fā)電量獲得為期5年的獎(jiǎng)勵(lì).分布式光伏的“度電補(bǔ)貼”金額為工商業(yè)用戶0.25 元/kWh,個(gè)人用戶0.4 元/kWh.

2.3結(jié)果分析

2.3.1系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

圖3為4種不同建筑所配置的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期的比較.從圖3可以看出,辦公樓、醫(yī)院和賓館分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期都在6.7年左右,相差不大;商場(chǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期為6.82年,與其他類型建筑也并無(wú)較大差距.

由此可見(jiàn),對(duì)于本文所探討的4類公共建筑而言,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回報(bào)率類似;相對(duì)于光伏電池板約20～30年的使用壽命而言,不失為較佳的投資選擇.

圖3　　　　4種不同建筑物分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的

圖4為4種不同建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)年供能費(fèi)用節(jié)省率的比較.由圖4可以看出,辦公樓的費(fèi)用節(jié)省率較高,接近19%,而賓館的費(fèi)用節(jié)省率最低,只有不到6%.由此可見(jiàn),能耗低的建筑應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng),費(fèi)用節(jié)省較多;而能源需求較大的建筑,費(fèi)用節(jié)省較少.

圖4　4種不同建筑物分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資費(fèi)用節(jié)約率比較

2.3.2敏感性分析

在本模型所考慮的眾多參數(shù)中,涉及國(guó)家補(bǔ)助和上網(wǎng)電價(jià)的不確定性.特別是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有限,如果缺乏相應(yīng)的政策推動(dòng),很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用與推廣.本文對(duì)上網(wǎng)電價(jià)不變情況下的4種不同建筑物的回收期隨政府補(bǔ)助的變化而產(chǎn)生的變化進(jìn)行了分析.結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同建筑類型,投資回收期呈現(xiàn)類似的變化趨勢(shì).具體而言,投資回收期隨著國(guó)家補(bǔ)助的減少而增長(zhǎng),如果國(guó)家補(bǔ)助金額小于0.1 元/kWh,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期就會(huì)增加將近1倍,此時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性很差.由此可見(jiàn),分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與國(guó)家政策因素息息相關(guān).因此,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和推廣需要得到國(guó)家政府的各種優(yōu)惠政策的支持,而且各種優(yōu)惠補(bǔ)貼政策的合理性也將直接影響分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和推廣.

3　結(jié)　語(yǔ)

本文構(gòu)建了適用于公共建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型.基于該模型,運(yùn)用對(duì)比分析、敏感性分析等方法,分析比較了上海地區(qū)4種不同類型公共建筑(辦公樓、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng))分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的年供電費(fèi)用節(jié)省率和回收年限,并且討論了國(guó)家補(bǔ)助政策對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響.雖然本文是以4種公共建筑屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為原型進(jìn)行分析,但所提出的分析方法對(duì)其他分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化決策也具有一定的指導(dǎo)意義.

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(編輯白林雪)

Economic Optimization and Assessment of PV System for Public Buildings

BAN Yinyin, REN Hongbo, YANG Jian, QIU Liuliang, CAI Qiang

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

An economic optimization model for the building photovoltaic(PV) system is developed based on the mathematical programming method.It can be employed for the economic optimization and assessment of the PV system for the public buildings.Using the developed optimization model,taking office,hotel,hospital and store as examples of the typical public buildings,the economic performances of the PV systems for the above four buildings are examined.The simulation results show that all the PV systems within the above buildings can receive satisfactory economic performance.However,it is partly due to the existing subsidies from the governments.If the subsidies are reduced to 0.1 Yuan/kWh,the expected payback period will double.

public building; PV system; mathematical model; economic performance; payback period

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.017

2013-03-23

簡(jiǎn)介：班銀銀(1989-),女,在讀碩士,河南商丘人.主要研究方向?yàn)榉植际侥茉聪到y(tǒng)仿真與優(yōu)化.

E-mail: 410773342@qq.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71403162).

TM615;TU18;F426.61

A

1006-4729(2016)03-0288-05