全壽命周期下考慮環(huán)境效益的集中式光伏發(fā)電成本-效益分析

楊 茂，王少帥，李大勇，蘇 欣，孫 涌，賈云彭

(1.東北電力大學 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(吉林省重點實驗室),吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司配電運檢室,吉林 吉林 132001;3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司,吉林 通化 130022;4.東北電力大學 理學院,吉林 吉林 132012;5.國網(wǎng)淄博供電公司,山東 淄博 255000;6.國網(wǎng)吉林供電公司客戶服務中心計量室,吉林 吉林 132012)

化石燃料的日益枯竭、環(huán)境污染的日益嚴重，加重人類對能源安全的擔憂和環(huán)境惡化的焦慮，使得充分利用可再生能源已經(jīng)成為全球共識[1～2].太陽能毋容置疑是當今世界最大的可開發(fā)能源.40分鐘照射在地球上的太陽能足以供全球人類消耗一年[3].太陽能是人類取之不盡，用之不竭的可再生能源，由于分布廣泛、無污染、安全可靠、廣泛持久及經(jīng)濟潛力大等優(yōu)點，具有重要的戰(zhàn)略地位，已逐漸成為新世紀能源的寵兒[4].以太陽能、風能為代表的大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)不可阻擋的發(fā)展趨勢，許多國家已經(jīng)做出大規(guī)模開發(fā)利用太陽能發(fā)電、風力發(fā)電的決策和規(guī)劃，一個以新能源發(fā)電為標志的電力系統(tǒng)新時代正在到來.

根據(jù)新能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃，預計到2020年，太陽能發(fā)電裝機將占到電源總裝機的6%～7%左右.屆時新能源裝機占電源總裝機的比例將達到20%，發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重達到9%以上.所以，無論分布式光伏發(fā)電還是集中式光伏發(fā)電，在今后很長時間內(nèi)都有很大的發(fā)展空間[5].

集中式光伏發(fā)電一般是以大型地面電站的形式建設，發(fā)出的電力目前是全部提供給電網(wǎng)公司，即全額上網(wǎng).集中式光伏電站建設規(guī)模大、投資規(guī)模大、見效快、外部條件單純、運行穩(wěn)定可靠，但項目投資大、投資回收期長、成本及效益計算困難，導致很多投資者對集中式光伏投資望而卻步.

文獻[6]分析了電站單位初始投資、年滿負荷發(fā)電時間、年運營維護成本、貸款條件對大型地面光伏電站發(fā)電成本的影響，簡單對其成本效益進行了分析，對光伏電站的全壽命周期成本刻畫不夠詳盡.文獻[7]從時間、空間、費用三個維度建立了一個針對電力系統(tǒng)整體的三維全壽命周期成本模型，改進了傳統(tǒng)經(jīng)濟性指標.文獻[8]建立了分布式光伏的全壽命周期成本-效益模型，然后分析了用戶和能源投資商這兩種投資主體下的三種經(jīng)營模式(業(yè)主運營、委外運營和合作運營)所產(chǎn)生的不同效益情況.文獻[9-11]是國外研究人員利用全壽命周期成本對不同地區(qū)光伏系統(tǒng)進行的經(jīng)濟性分析.現(xiàn)有文獻分析分布式光伏發(fā)電成本-效益的較多，但對集中式光伏分析卻寥寥無幾.

然而，任何技術能否形成大規(guī)模的商業(yè)化應用，均取決于項目投資后的收益狀況[12].為了更加全面客觀地建立集中式光伏發(fā)電的成本-效益模型，為光伏投資決策和電站定價提供有力參考，本文將對集中式光伏發(fā)電的全壽命周期成本進行了詳細分類刻畫，建立集中式光伏的度電成本模型，并引入碳排放權交易將環(huán)境效益量化為經(jīng)濟效益，對影響集中式光伏效益的不同影響因素進行敏感性分析，更加客觀地分析集中式光伏發(fā)電的經(jīng)濟效益.

1 集中式光伏全壽命周期成本-效益模型

1.1 全壽命周期成本及度電成本模型

集中式光伏全壽命周期成本(Life Cycle Cost，LCC)構成，如圖1所示.由投資成本(Cost of Inves- tment，CI)、運行成本(Cost of Operation，CO)、維護成本(Cost of Maintenance，CM)、故障成本(Cost of Fault，CF)和廢棄成本(Cost of Disposal，CD)組成.

圖1 全壽命周期成本構成

(1)投資成本

集中式光伏電站的投資成本細分,如圖2所示.

圖2 集中式光伏電站投資成本細分

一般情況下，建設階段占整個壽命周期的比例非常小，我們可以假設建設階段在項目開始的點就己完成，因此在此階段不涉及到折現(xiàn)率的問題[13].本文中X(t)表示項目X在第t年的費用，X(0)表示項目X折算后的現(xiàn)值.

集中式光伏的投資成本CI的現(xiàn)值可表示為

(1)

式中：m為投資成本所含項目總數(shù)；CIi表示投資成本里第i個項目的費用.

(2)運行成本

運行階段是全壽命周期中從項目建成到項目報廢的整個階段.在這個階段，運營維護方案的不同會對整個全壽命周期的成本產(chǎn)生很大的影響，所以我們應該堅持全壽命周期成本最小的原則，將運行成本進行細分，制定科學合理的運營維護方案.運行成本細分，如圖3(a)所示.

圖3 集中式光伏電站運行、維護及各故障成本細分

貸款利息取決于項目總成本CI、貸款比例R、還款方式、年利率η及還款年限a.還款年限一般比項目的全壽命周期(n)短.還款年限內(nèi)每年貸款利息計入運行成本，第a年還給銀行所貸全部資金，不再計入運行成本.第t年的貸款利息為

CO6(t)=CI×R×η，

(2)

則圖3(a)貸款利息CO6總計現(xiàn)值為

(3)

式中：r為折現(xiàn)率.

前a年的年運行成本(包含貸款利息，且t≤a)為

(4)

式中：COm為運行成本細分項的費用.

a年～n年的年運行成本(貸款已還，a

(5)

所以運行成本的現(xiàn)值為

(6)

式中：n為全壽命周期年限(下同).

(3)維護成本

集中式光伏發(fā)電運營過程中，不需要原材料，機械磨損也可以忽略，因此維護費用比較低，也完全可以預見，主要包括光伏組件的維護保養(yǎng)費用、設備的保養(yǎng)更換及線路老化更換.維護成本的細分，如圖3(b)所示.

第t年的維護成本為

CM(t)=CM1(t)+CM2(t)+CM3(t)，

(7)

所以，維護成本現(xiàn)值為

(8)

(4)故障成本

故障成本細分，如圖3(c)所示.

第t年的故障成本為

(9)

所以故障成本現(xiàn)值為

(10)

(5)廢棄成本

固定資產(chǎn)殘值R與處置廢棄設備所產(chǎn)生的費用Cd抵消后的值認為是廢棄成本，即

CD=Cd-R，

(11)

(12)

(6)全壽命周期成本

LCC全壽命周期成本現(xiàn)值為

TC(0)=CI(0)+CO(0)+CM(0)+CF(0)+CD(0).

(13)

(7)集中式光伏電站度電成本

集中式光伏發(fā)電全壽命周期總發(fā)電量為TQ，除去廠用電(廠用電率為μ)，得到度電成本

(14)

1.2 全壽命周期效益模型

(1)經(jīng)濟效益

集中式光伏發(fā)電的年發(fā)電量是分析經(jīng)濟效益的重要指標，主要取決于光伏電站的裝機容量.在全壽命周期內(nèi)，由于地球和太陽的固有規(guī)律，太陽對某一電站所在地區(qū)的年輻射量的變化很小，所以在模型的研究過程中，為了簡化模型方便研究，假設每年的太陽能年輻射量相等，那么光伏電站年發(fā)電量也是不變的.集中式光伏發(fā)電的年發(fā)電量計算方法為

(15)

式中：Q為年發(fā)電量，kW·h；Hi為該地區(qū)第i年的太陽能年輻射量，kW·h/m2；H為標準太陽能輻射強度，kW/m2；T為光伏發(fā)電的裝機容量，kW；C為傾斜光伏組件輻射量系數(shù)，一般情況取值為1.05～1.15；λ為發(fā)電系統(tǒng)綜合影響系數(shù)，一般情況取值為72%～78%.

考慮到“光伏發(fā)電優(yōu)先上網(wǎng)”的政策傾向，光伏發(fā)電除去廠用電所有電量均上網(wǎng)交易.每年的經(jīng)濟效益的計算公式為

Sc(t)=(Q-q)×P+(Q-q)×φ，

(16)

式中：Q為年發(fā)電量;q為廠用電;P為上網(wǎng)電價;φ為政府補貼額度.

因此，全壽命周期的經(jīng)濟效益現(xiàn)值為

(17)

(2)環(huán)境效益

太陽能作為一種清潔能源，其節(jié)能減排效益、環(huán)境效益和社會效益都十分顯著.光伏發(fā)電的節(jié)能效益主要體現(xiàn)在運行時減少常規(guī)能源的消耗.其環(huán)境效益主要表現(xiàn)為在發(fā)電過程中不排放有害氣體，如不排放煙塵、SO2、氮氧化合物以及其它有害的物質，而且剩余的碳排放權可以進行交易，認為是一種環(huán)境收益，所以第t年的環(huán)境效益為

(18)

因此，全壽命周期的環(huán)境效益現(xiàn)值為

(19)

集中式光伏電站考慮環(huán)境收益的度電成本為

(20)

(3)總發(fā)電收益

總發(fā)電效益=經(jīng)濟效益+環(huán)境效益，總發(fā)電收益現(xiàn)值為

S(0)=Sc(0)+Se(0).

(21)

(4)全壽命周期凈收益現(xiàn)值

NS(0)=S(0)-TC(0).

(22)

2 經(jīng)濟效益評估模型

2.1 評估指標

(1)凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值NPV是投資項目所付出的現(xiàn)金流出量現(xiàn)值與投資所產(chǎn)生的現(xiàn)金流入量現(xiàn)值的代數(shù)和.NPV投資評價法的原理簡單而又重要，因為只有當投資項目的產(chǎn)出大于或至少等于其投入時，該投資才是可行的.具體公式為

(23)

式中：NPV為集中式光伏在全壽命周期的凈現(xiàn)值(元)；Bi為第i年現(xiàn)金流入量(元/a)；Ci為第i年現(xiàn)金流出量(元/a)；r為基準折現(xiàn)率(%).

(2)內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率(IRR)是公認的除凈現(xiàn)值以外的另一個最重要的經(jīng)濟評價指標.按定義，內(nèi)部收益率就是凈現(xiàn)值為零時的折現(xiàn)率[14].由此可得內(nèi)部收益率的方程為：

(24)

式中：IRR為項目的內(nèi)部收益率(%)；(Bi-Ci)為項目第i年的凈現(xiàn)金流量(元/a).

(3)投資回收期

動態(tài)投資回收期是把投資項目各年的凈現(xiàn)金流量按基準收益率折成現(xiàn)值之后，再來推算投資回收期[15]，公式為

(25)

式中：T為動態(tài)投資回收期(a)；t′為凈現(xiàn)值大于0的年份.

2.2 敏感性分析

集中式光伏自身的不確定因素主要包括年發(fā)電量、上網(wǎng)電價、貸款利率、政府補貼額度、碳排放權交易價格、折現(xiàn)率、運維率、廠用電率、單位光伏排放的CO2等.本文將就這些可變因素對全壽命周期收益的凈現(xiàn)值進行敏感性分析，敏感程度的公式為

(26)

式中：SAF為敏感程度；ΔF/F表示不確定因素F的變化率(%)；ΔA/A表示當不確定因素F發(fā)生ΔF變化時，評價指標A的相應變化率(%).SAF絕對值越大，表明評價指標A對不確定因素F越敏感；反之，則不敏感.

3 算例分析

3.1 案例簡介

以江蘇省射陽縣光伏項目為例，該項目的工程靜態(tài)總投資1.84億元，利息約為4 750 000元，工程動態(tài)總投資為1.887 5億元，單位千瓦靜態(tài)投資為9.2元/W，每千瓦動態(tài)投資為9.43元/W.射陽縣光伏項目基本投資情況見，如表1所示.

表1 射陽光伏項目基本投資情況

表2 經(jīng)濟評價原始數(shù)據(jù)表

建設期利息：建設期按4個月，根據(jù)工程實際情況測算資金需求，按一次取得貸款，按年計息的方式計算利息.經(jīng)測算，項目建設期利息約為475萬元.建設資金來源：電站總投資的20%使用資本金，其余從銀行貸款.建設貸款利率：按一年以內(nèi)流動資金貸款利率為6.0%計算，五年期以上長期貸款利率為6.55%計算.工資及福利：維護管理人員10人，工資按10萬元/人年計算，員工福利費用按其工資的60%計算；維修費用：約為固定資產(chǎn)的0.6%；土地租金：60萬元/年計算，租金每五年(首年支付)支付一次，每次上漲10%.其他費用：其他費用按每千瓦30元計算.固定資產(chǎn)折舊，按5%計算取殘值，折舊年限取15年.廠用電率為1%.債務費用：自有資金為20%，其余從銀行貸款，貸款利率按6.55%計算.償還貸款年限按整年計.射陽縣光伏項目經(jīng)濟評價原始數(shù)據(jù)，如表2所示.

3.2 經(jīng)濟性評價指標分析

通過模型計算，結果如表3所示.光伏發(fā)電的環(huán)境效益不可忽略，考慮環(huán)境效益將會影響集中式光伏發(fā)電的經(jīng)濟評價指標，環(huán)境效益對評價指標的影響，如表4所示.

表3 射陽光伏項目模型計算結果

表4 環(huán)境效益對評價指標的影響

從計算結果可以得到，對集中式光伏電站全壽命周期成本的詳細刻畫得到的度電成本和三個經(jīng)濟性評價指標的計算更加全面完善，考慮環(huán)境效益將有助于降低度電成本，提高凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率，縮短投資回收期，其中對凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率的改善較為明顯，分別為28.1%和7%.

圖4 不同影響因素對凈收益的敏感性對比

3.3 敏感性分析

不同影響因素對凈收益的影響程度也不一樣，通過敏感性的分析，如圖4所示.凈收益對年發(fā)電量反應最為敏感，但是年發(fā)電量在一定的技術和經(jīng)濟條件下存在不可超越性.凈收益對政府補貼、上網(wǎng)標桿電價的敏感程度體現(xiàn)了政府支持和電價機制對集中式光伏建設和發(fā)展的必要性和促進作用.敏感性從大到小為年發(fā)電量>政府補貼額度>上網(wǎng)電價>折現(xiàn)率>貸款利率>碳排放權交易價格>運維率>單位光伏排放的CO2>廠用電率.

4 結 論

本文對集中式光伏發(fā)電的全壽命周期成本進行了詳細地分類刻畫，建立了集中式光伏發(fā)電在全壽命周期下的成本和效益模型，通過算例分析得到了以下結論：

(1)引入碳排放權交易將光伏發(fā)電的環(huán)境效益量化為經(jīng)濟效益，算例中光伏電站的度電成本降低了3.6%，凈現(xiàn)值提高了28.1%，投資回收期縮短了3.0%，內(nèi)部收益率提高了7.0%，體現(xiàn)出了環(huán)境效益對集中式光伏發(fā)電不可忽略的影響.

(2)對影響集中式光伏發(fā)電凈收益的不同影響因素進行了敏感性分析，得到年發(fā)電量、政府補貼額度和上網(wǎng)電價對凈收益的影響最為敏感，為集中式光伏電站控制成本提高收益提供了方向.

(3)本文通過對集中式光伏發(fā)電成本和效益的客觀全面地評估，為更多的光伏發(fā)電投資決策和光伏電站并網(wǎng)定價提供有力參考.