重慶地區(qū)分布式光伏電站的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益分析

蔣 玲

重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶 402260

0 引言

在當(dāng)今油、碳等能源短缺，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提高。隨著光伏扶貧政策的興起，原本光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后的重慶地區(qū)，光伏裝機(jī)容量正在快速增長。目前，對于太陽能光伏研究一般都針對太陽能資源豐富和較豐富區(qū)域，對于重慶等太陽能資源不豐富地區(qū)的研究較少。為此，文章針對重慶能源職業(yè)學(xué)院20 kW非晶硅薄膜光伏電站，開展了光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析，為在太陽能資源不豐富地區(qū)更好地開展太陽能光伏系統(tǒng)的建設(shè)及效益分析提供了理論支撐，對推廣光伏技術(shù)在重慶地區(qū)的應(yīng)用具有重要意義。

1 基本情況

重慶能源職業(yè)學(xué)院光伏電站位于重慶市江津區(qū)，組件采用HNS-ST63HA標(biāo)準(zhǔn)組件，單塊組件額定最大功率63 W，尺寸為1 245 mm×635 mm×7.5 mm，固定傾角設(shè)定為30°，方位角為0°?？傃b機(jī)容量為20 kW，逆變器采用SMA的320-800VTL 50/60 Hz Sunny Tripower20000TL-30。逆 變器額定功率20 kW，具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，最大逆變效率＞98.1%。該光伏電站于2018年建成并完成上網(wǎng)。

2 仿真分析

在進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用國際通用的與中國氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度較好的Meteonorm氣象數(shù)據(jù)作為依據(jù)，模擬軟件采用PVsyst V6.43，選擇“全年發(fā)電量最大”模式進(jìn)行建模，默認(rèn)遠(yuǎn)處無陰影。

組件排布為9串36并，組件垂直安裝。光伏系統(tǒng)建模2個(gè)方陣之間的間距為4.47 m，每個(gè)方陣寬度為2.53 m，長度為5.89 m，組件最低點(diǎn)離地0.4 m，設(shè)備室長10 m、寬6 m、高3 m，距離光伏方陣4 m。系統(tǒng)建模如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)建模

通過仿真可知，該光伏電站第一年產(chǎn)生的電能為13 767 kW·h，逐月發(fā)電量如圖2所示。其中，綜合效率為77.7%，每年按0.8%的速度遞減，根據(jù)光伏電站設(shè)計(jì)壽命25年計(jì)算，全周期內(nèi)共計(jì)發(fā)電303 507 kW·h。

圖2 光伏電站逐月發(fā)電量

3 運(yùn)營成本與收入計(jì)算

光伏電站建設(shè)的初始投資費(fèi)用[1]可表示為

運(yùn)營期成本包括折舊費(fèi)、利息、電站運(yùn)維費(fèi)用、保險(xiǎn)費(fèi)、土地使用費(fèi)、稅金等[2]。目前，行業(yè)內(nèi)一般按平均年限法進(jìn)行折舊，折舊年限為15年，殘值率為5%，則從第二年開始，每年折舊值L可表示為

式中：L為年折舊值；為殘值；N為折舊年限。

光伏電站的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用費(fèi)用Mg為

2018年分布式光伏系統(tǒng)運(yùn)維成本為0.06元/W，預(yù)計(jì)未來幾年地面光伏電站以及分布式系統(tǒng)的運(yùn)維成本將持續(xù)保持在這個(gè)水平并略有下降。電站運(yùn)營期間的保險(xiǎn)費(fèi)用為固定資產(chǎn)折舊現(xiàn)值的0.25%。

4 光伏電站經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算分析

4.1 投資回收期

投資回收期是衡量光伏電站效益的主要指標(biāo)之一，也被稱為返本期。投資回收期是在不考慮資金時(shí)間價(jià)值的條件下，以技術(shù)方案的凈收益回收其總投資所需的時(shí)間，以年為單位，對某一光伏電站而言，投資回收期越短，意味著資金回籠速度越快，盈利能力越強(qiáng)，潛在風(fēng)險(xiǎn)越低。因?yàn)榉植际焦夥娬镜慕ㄔO(shè)周期較短（小于1年），所以該項(xiàng)目按照電站發(fā)電上網(wǎng)開始計(jì)算投資回收期。其計(jì)算公式為

由于光伏電站各年的凈收益不相同，其靜態(tài)投資回收期可根據(jù)累計(jì)凈現(xiàn)金流量求得，即累計(jì)凈現(xiàn)金流量由負(fù)值變?yōu)榱愕臅r(shí)點(diǎn)。

4.2 財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值

財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是指用一個(gè)預(yù)定的基準(zhǔn)收益率（或設(shè)定的折現(xiàn)率、 年利率），分別將整個(gè)計(jì)算期間內(nèi)各年所發(fā)生的凈現(xiàn)金流量都折現(xiàn)到技術(shù)方案開始實(shí)施時(shí)的現(xiàn)值之和[1]。其計(jì)算式為

式中：FNPV為財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值；ic為基準(zhǔn)收益率；n為計(jì)算期。

其中，F(xiàn)NPV=0時(shí)，表示光伏電站投資方案可行，滿足基準(zhǔn)收益率下盈利水平；FNPV＞0時(shí)，表示光伏電站投資方案可行，可以得到超額收益；FNPV＜0時(shí)，表示光伏電站投資方案不可行。FNPV考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，并將其作為主要經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)。光伏行業(yè)的基準(zhǔn)收益率ic取8%。

4.3 內(nèi)部收益率

常規(guī)技術(shù)方案中的財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率FIRR的實(shí)質(zhì)是使技術(shù)方案在整個(gè)計(jì)算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值累計(jì)等于零時(shí)的折現(xiàn)率，是考查項(xiàng)目盈利能力的相對指標(biāo)。其計(jì)算公式為

式中：FIRR為財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率。

其中，當(dāng)FIRR≥ic，F(xiàn)NPV（ic）≥0時(shí)，表示光伏電站投資方案可行；當(dāng)FIRR＜ic，F(xiàn)NPV（ic）＜0時(shí)，表示光伏電站投資方案不可行。

根據(jù)重慶能源職業(yè)學(xué)院20 kW光伏電站建設(shè)情況，計(jì)算光伏電站的效益。該電站項(xiàng)目方案的基本條件：容量為20 kW的單個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目；工程造價(jià)平均為5 000 元/kW，總造價(jià)為100 000元，項(xiàng)目資本金占總體資金的20%，即自有資金20 000元；計(jì)算期采用25年，其余采用國內(nèi)商業(yè)銀行貸款，貸款期為15年，年利率為4.5%，等額本息支付利息；增值稅稅率為17%，企業(yè)所得稅稅率為25%，享受“減三免三”政策。年發(fā)電量以首年發(fā)電量13 767 kW·h為準(zhǔn)，預(yù)計(jì)25年壽命期共發(fā)電303 507 kW·h。光伏組件衰減特性按前兩年衰減2%，第10年衰減至90%，第25年衰減至80%，電價(jià)按照0.54元/（kW·h）計(jì)算，補(bǔ)貼0.37元/（kW·h）[3]，所發(fā)電能按照全額上網(wǎng)模式運(yùn)行。財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率基準(zhǔn)值為8%。財(cái)務(wù)評價(jià)參數(shù)值參照行業(yè)平均水平選取。

根據(jù)式（4）～式（6）及相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，重慶能源職業(yè)學(xué)院光伏電站靜態(tài)回收期為6.04年，項(xiàng)目動(dòng)態(tài)回收期為9年，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值41.32元，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益為8%。理論上財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率等于內(nèi)部收益率基準(zhǔn)值，表明該項(xiàng)目可行，滿足基準(zhǔn)收益率下盈利水平。

5 光伏電站環(huán)境效益計(jì)算分析

在越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題困擾的今天，環(huán)保的重要性逐漸得到社會(huì)的認(rèn)可和關(guān)注。光伏發(fā)電作為清潔可再生能源，對環(huán)境保護(hù)具有重要作用。對光伏系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)保效益分析時(shí)，按照光伏電站產(chǎn)生的能量，并從制造端開始，考慮償還因制造、加工、運(yùn)輸而消耗的能量，進(jìn)行全面細(xì)致的分析。

5.1 能量效益分析

光伏系統(tǒng)的能量回收期取決于太陽能光伏系統(tǒng)生產(chǎn)制造、運(yùn)輸安裝和運(yùn)行過程中消耗的能量和光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。 能量回收時(shí)間的表達(dá)式為

式中：Einv為系統(tǒng)建造、加工過程的能量損耗；Epva為每個(gè)單位年內(nèi)，光伏系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的量。

不同類型的光伏組件能量回收期存在差異。由于缺乏光伏系統(tǒng)的安裝、維護(hù)、拆除所消耗能量的資料，估計(jì)其不會(huì)超過光伏組件制造所消耗能量的0.1%，故文章不予考慮。據(jù)2005—2006年歐美太陽電池產(chǎn)業(yè)水平的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)顯示，薄膜太陽電池系統(tǒng)的能耗最低，為1 995 kW·h/kW。據(jù)此，對于所設(shè)計(jì)的20 kW非晶硅薄膜光伏系統(tǒng)，共消耗的能量約為39 900 kW·h，根據(jù)上文仿真結(jié)果可知，20 kW光伏電站在25年的全周期內(nèi)預(yù)計(jì)共發(fā)電303 507 kW·h，平均每年的發(fā)電量為12 140 kW·h。由式（7）計(jì)算可得，該光伏電站能量回收期為3.29年，遠(yuǎn)低于光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用周期25年。

5.2 能量返回指數(shù)分析

由上文的定義式可知，能量返回指數(shù)的具體表達(dá)式為

式中：Etotal為全生命周期內(nèi)產(chǎn)生的總電量。

根據(jù)上文仿真的結(jié)果，該光伏系統(tǒng)在25年的全周期內(nèi)共發(fā)電303 507 kW·h，約消耗能量39 900 kW·h，計(jì)算可得ERF=7.61，表明該非晶硅光伏系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)產(chǎn)生的總能量為搭建系統(tǒng)能量的7.61倍。

5.3 減排能力分析

我國現(xiàn)階段的電力主要依靠火力發(fā)電，燃料主要為煤炭。煤炭類的化石燃料在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生污染物，主要有CO2、CO、NOx、SO2。根據(jù)上文仿真模擬得到的總發(fā)電量，及國家發(fā)改委提供的以煤作為燃料的火力發(fā)電數(shù)據(jù)，1 t標(biāo)準(zhǔn)煤大約可以發(fā)電3 000 kW·h，排放溫室氣體二氧化碳約2.6 t，排放的酸性污染物二氧化硫0.02 t，有害氮氧化物0.007 5 t，粉塵0.012 t。在重慶能源職業(yè)學(xué)院內(nèi)建設(shè)的分布式20 kW光伏項(xiàng)目，在全壽命設(shè)計(jì)周期（25年）內(nèi)，共計(jì)發(fā)電量303 507 kW·h，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤101 t，減少排放二氧化碳263.04 t，二氧化硫 2.02 t，氮氧化物0.759 t，粉塵1.21 t。

6 結(jié)束語

文章以重慶能源職業(yè)學(xué)院20 kW非晶硅薄膜光伏電站為例，分析計(jì)算重慶地區(qū)光伏電站的投資效益。經(jīng)過計(jì)算得出，項(xiàng)目靜態(tài)回收期為6.04年，動(dòng)態(tài)回收期為9年，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值41.32元，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益為8%。從財(cái)務(wù)指標(biāo)評估表明該項(xiàng)目可行。環(huán)境效益計(jì)算結(jié)果表明，項(xiàng)目能量回收期為3.29年，能量返回指數(shù)ERF為7.61，共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤101 t，減少二氧化碳排放263.04 t、二氧化硫2.02 t、氮氧化物0.759 t、粉塵1.21 t。由此可知，該光伏項(xiàng)目在節(jié)能減排上有一定的效果，降低了污染物的排放，保護(hù)了環(huán)境資源。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及環(huán)境效益指標(biāo)表明，在重慶地區(qū)推廣太陽能光伏項(xiàng)目切實(shí)可行。