分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源效益實(shí)證分析——以山東省膠州光伏及其儲(chǔ)能系統(tǒng)為例

王小虎,楚春禮*,曹 植,楚春亮,鞠美庭

分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源效益實(shí)證分析——以山東省膠州光伏及其儲(chǔ)能系統(tǒng)為例

王小虎1,楚春禮1*,曹 植2,楚春亮3,鞠美庭1

(1.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300350；2.安特衛(wèi)普大學(xué)可持續(xù)建筑與道路工程研究組,比利時(shí) 安特衛(wèi)普 2000；3.秦皇島驪驊淀粉股份有限公司,河北 秦皇島 066300)

建立光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)成本收益經(jīng)濟(jì)模型和全生命周期碳排放和能源分析模型,以靜態(tài)投資回收期和內(nèi)部收益率、碳排放強(qiáng)度和碳補(bǔ)償回收期、能量回收期分別作為經(jīng)濟(jì)效益、碳減排效益和能源效益的評(píng)價(jià)指標(biāo),并以山東省膠州農(nóng)村5, 8, 10, 15kW光伏和11kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)為案例,分析增加儲(chǔ)能系統(tǒng)后的經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源特征.案例表明,增加儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng),其中經(jīng)濟(jì)效益變化最大,碳減排效益次之,能源效益變化最小.以10kW系統(tǒng)為例,靜態(tài)投資回收期延長(zhǎng)34.7% ,內(nèi)部收益率降低20%,碳排放強(qiáng)度增加5.36%,碳補(bǔ)償時(shí)間延長(zhǎng)5.83%,能量回收期延長(zhǎng)0.56%.通過(guò)延長(zhǎng)系統(tǒng)使用時(shí)間,擴(kuò)大光伏安裝規(guī)模,能夠增加用戶經(jīng)濟(jì)收益,同時(shí)能夠降低碳排放強(qiáng)度,縮短碳補(bǔ)償時(shí)間,從而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源效益的負(fù)面影響.在離網(wǎng)情景下,安裝儲(chǔ)能電池能夠有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益,碳減排效益和能源效益顯著.

分布式光伏；儲(chǔ)能系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源

作為主要的溫室氣體排放國(guó)[1],中國(guó)積極參與全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng),提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo).為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),到2030年太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上[2].

光伏發(fā)電,利用光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,作為替代其他電力資源的理想方案,在全球光資源區(qū)廣泛采用[3].近年來(lái),中國(guó)積極發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè),2019年全國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)世界總裝機(jī)的35.45%,居世界第一[4].

國(guó)家能源局指出,截至2020年底我國(guó)光伏總裝機(jī)規(guī)模達(dá)2.53億kW[5],相比2019年增加47.92GW,為實(shí)現(xiàn)“2030年光伏和風(fēng)能達(dá)到12億kW以上(2020年為5.34億kW)”的目標(biāo),未來(lái)10a中國(guó)仍需大量安裝光伏項(xiàng)目.

盡管具有清潔、可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn),但同傳統(tǒng)化石能源相比,光伏發(fā)電間歇性、波動(dòng)大等缺點(diǎn)導(dǎo)致供電不穩(wěn)定[6],沖擊電網(wǎng)電力平衡,增加電網(wǎng)調(diào)節(jié)難度.光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)借助電池的存放電能力,有效調(diào)節(jié)光伏用電峰谷,緩解光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)沖擊,提高光伏“消納”,因此開(kāi)始被科學(xué)界關(guān)注和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)可[7-8].據(jù)中國(guó)電力技術(shù)市場(chǎng)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),截至2021年3月,已有8個(gè)省市要求新能源配置儲(chǔ)能設(shè)施(配置比例5%～ 20%).以山東省為例,全省新型儲(chǔ)能規(guī)模預(yù)計(jì)2021年底達(dá)20萬(wàn)kW左右.

對(duì)于光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究,早期主要基于節(jié)能理念,從技術(shù)層面設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池的最佳容量,探索該聯(lián)合系統(tǒng)同用電負(fù)載側(cè)的優(yōu)化策略[9-10].然而,對(duì)于光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)投資者來(lái)說(shuō),經(jīng)濟(jì)效益是影響該項(xiàng)目推廣的主要因素之一.因此,大部分以往研究從能源-經(jīng)濟(jì)角度,分析光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷的能效及儲(chǔ)能帶來(lái)的電費(fèi)節(jié)省收益[11-17].隨著光伏和儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展,光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究也深入到探究光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響因素[18-22],如呂雙輝等[23]探討電價(jià)收費(fèi)模式、有無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)、用戶用電特征因素,分析對(duì)光伏用戶直接收益的影響.孫波等[24]在此基礎(chǔ)上,考慮了儲(chǔ)能電池類型、規(guī)模效益等因素,并分析家庭和企業(yè)安裝光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益.此外,鄧忻依和艾欣[25]考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)改造和減少備用電力成本的外部性社會(huì)效益這一因素,建立了分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合效益評(píng)估模型,但關(guān)注點(diǎn)依然側(cè)重于經(jīng)濟(jì)方面.

光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅會(huì)影響光伏用戶重點(diǎn)關(guān)注的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也會(huì)帶來(lái)額外的環(huán)境影響,尤其是各界普遍關(guān)注的碳排放問(wèn)題.McKenna等[26]以光伏-鉛酸蓄電池為例,除了研究增加鉛酸蓄電池對(duì)用戶經(jīng)濟(jì)收益的影響,還初步定性描述該電池對(duì)環(huán)境的影響,以碳排放變化為例.劉偉[27]則以儲(chǔ)能電池類型為研究變量,比較3種不同蓄電池從生產(chǎn)到使用階段的環(huán)境影響差異,CO2特征變量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一.此外,程冬冬[28]將電池廢棄處理階段考慮在內(nèi),更為全面地分析了不同鋰電池的全生命周期環(huán)境影響,為儲(chǔ)能電池生命周期碳排放分析提供更客觀的數(shù)據(jù)支持.這為研究光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)同效應(yīng)奠定了基礎(chǔ).事實(shí)上,光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的生產(chǎn)與使用,其能源效益將直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和碳減排效益.對(duì)此,Tsuchiya等[29]以坦桑尼亞農(nóng)村地區(qū)為例,著重分析了離網(wǎng)式光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和能源效益.Kavian等[30]則對(duì)光伏系統(tǒng)參與的光伏-地?zé)崧?lián)用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估.然而,當(dāng)前較少文章直接對(duì)光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源效益進(jìn)行評(píng)估,而光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)的綜合效益取決于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、碳減排和能源效益的內(nèi)在耦合.

對(duì)此,本文以并網(wǎng)分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象,以其經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源耦合特征為研究?jī)?nèi)容,通過(guò)建立并網(wǎng)分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的生命周期框架、成本收益模型、生命周期碳排放和能源分析模型分析儲(chǔ)能系統(tǒng)引入光伏系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、碳減排效益和能源效益的影響,為制定光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展策略提供科學(xué)支持.

1 研究方法與內(nèi)容

1.1 研究方法

在界定光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期框架的基礎(chǔ)上,構(gòu)建全生命周期成本收益經(jīng)濟(jì)模型、全生命周期碳排放和能源模型,建立光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)-碳排放-能源耦合特征分析方法,篩選系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、碳減排效益和能源效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.研究思路如圖1.

圖1 研究技術(shù)路線

1.2 研究?jī)?nèi)容

1.2.1 系統(tǒng)全生命周期過(guò)程界定與描述 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)工作機(jī)制如圖2所示,光伏組件借助支架調(diào)整至最佳傾角,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能,通過(guò)逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電,或者傳輸至公共電網(wǎng),或者存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng),供負(fù)載使用.

圖2 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)工作示意

將光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期過(guò)程劃分為6個(gè)階段:系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)、生產(chǎn)運(yùn)輸、建設(shè)與安裝、運(yùn)行與維護(hù)、退役運(yùn)輸和系統(tǒng)退役,如圖3所示.

①系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn):該階段包括光伏組件生產(chǎn)及系統(tǒng)平衡輔件生產(chǎn).光伏組件生產(chǎn)是指前期工業(yè)硅制備多晶硅到最后電池片封裝成組件的完整過(guò)程.考慮數(shù)據(jù)的有效性和采用相同來(lái)源的不間斷性,系統(tǒng)平衡輔件主要考慮逆變器、組件支架、儲(chǔ)能電池等設(shè)備.

②生產(chǎn)運(yùn)輸:該階段包括將系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)輸至安裝地點(diǎn).

③建設(shè)與安裝:該階段是指在安裝地點(diǎn)安裝系統(tǒng)各設(shè)備到整套系統(tǒng)投入運(yùn)行.

④運(yùn)行與維護(hù):該階段包括系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的組件擦洗以及其它設(shè)備的維護(hù).

⑤退役運(yùn)輸:該階段包括系統(tǒng)退役時(shí)各設(shè)備回收運(yùn)輸?shù)酵艘厶幚韴?chǎng)所.

⑥系統(tǒng)退役:該階段是指光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)各設(shè)備拆解、回收、處理與處置.其中,組件大部分、支架基本可再利用,其它設(shè)備僅部分可再利用.

圖3 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期邊界

1.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是指研究時(shí)段內(nèi)扣除系統(tǒng)成本后的系統(tǒng)凈收益.構(gòu)建生命周期成本收益經(jīng)濟(jì)模型,分析光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益.在全生命周期,系統(tǒng)總成本(式1)包括初始投資成本(式2)[31]、維護(hù)更換成本(式6)和退役成本(式10)[7-13].

式中:I是初始投資成本;OM是維護(hù)更換成本;R是退役成本,單位均為元.

式中:PV是光伏系統(tǒng)初始投資成本;BSS是儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資成本,單位均為元.

式中:a是光伏組件的峰值功率,W;1～8分別表示組件、逆變器、支架、匯流箱、計(jì)量裝置、其它輔件、安裝建設(shè)和并網(wǎng)的單位成本,元/W.

式中:stor是儲(chǔ)能系統(tǒng)單位容量成本,元/(kW·h);是電池容量,kW·h.

式中:N是夜間用電量, kW·h;是電池放電效率,%;是能量轉(zhuǎn)換效率,%;是放電深度,%.

式中:是系統(tǒng)運(yùn)行周期,a;PV是光伏系統(tǒng)年均維護(hù)成本,元/a;BSS是儲(chǔ)能系統(tǒng)年均維護(hù)成本,元/a;X是系統(tǒng)設(shè)備更換成本,元.

式中:1是光伏系統(tǒng)年維護(hù)系數(shù);2是儲(chǔ)能系統(tǒng)年維護(hù)系數(shù).

式中:1～2分別表示儲(chǔ)能電池、逆變器的更換次數(shù);4～5分別表示匯流箱、計(jì)量裝置的更換次數(shù).2、4、5分別表示逆變器、匯流箱和計(jì)量裝置單位成本,元/W.

式中:是退役成本系數(shù).

系統(tǒng)總收益包括發(fā)電收益(式11)和設(shè)備回收收益(式19).

式中:ei是第年發(fā)電收益,元;r是設(shè)備回收收益,元.

發(fā)電收益來(lái)源包括補(bǔ)貼收益ui、電費(fèi)節(jié)省ai以及余電上網(wǎng)收益,ui,如式12所示.

補(bǔ)貼收益由度電補(bǔ)貼及B及發(fā)電量G組成(式13).對(duì)于度電補(bǔ)貼,其來(lái)源包括中央政府Ni、省級(jí)政府Pi、當(dāng)?shù)厥锌h政府Ci,如式14所示.系統(tǒng)年發(fā)電量G由首年理論發(fā)電量及t及組件衰減率v決定,如式15～16.

式中:st是年輻射總量,單位為kW·h/m2;是標(biāo)準(zhǔn)條件輻照度,單位為1000W/m2;是系統(tǒng)發(fā)電效率,分布式光伏在75%～80%之間.

研究表明,借助儲(chǔ)能電池調(diào)峰能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益[23],光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)在“峰谷梯度電價(jià)”模式下,電費(fèi)節(jié)省收益可以拆分成峰時(shí)節(jié)省電費(fèi)Spμp與谷時(shí)節(jié)省電費(fèi)兩Svμv兩部分.在我國(guó),用電量差異導(dǎo)致電費(fèi)出現(xiàn)3個(gè)檔的梯度差異,用電量達(dá)到高梯度檔時(shí)度電價(jià)格最高;用電量下降到中梯度時(shí)電價(jià)下降一個(gè)梯度;用電量下降到低梯度時(shí)度電價(jià)格最低.因此,自發(fā)自用電量處于不同梯度收益有所差別,如式17.

式中:Sp、Sv分別表示第梯度峰時(shí)、谷時(shí)電價(jià),=1,2,3,元/(kW·h);μp、μv分別表示第梯度峰時(shí)、谷時(shí)自用光伏電量,kW·h.

第年余電上網(wǎng)收益ui由余電上網(wǎng)電價(jià)和上網(wǎng)量決定,如式18所示.

式中:r是余電上網(wǎng)電價(jià),由當(dāng)?shù)孛摿蛎荷暇W(wǎng)電價(jià)決定,元/(kW·h);μ是光伏自用電量,kW·h.

系統(tǒng)退役回收收益r也被考慮在內(nèi),如式19所示.

式中:s是設(shè)備回收的次數(shù);θ是設(shè)備的殘值系數(shù);s8和8分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的回收次數(shù)及殘值系數(shù),出于研究目的單獨(dú)列出.

采用靜態(tài)投資回收期(PBPs)和內(nèi)部收益率(IRR)兩個(gè)指標(biāo)分析光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益.PBPs是指在不體現(xiàn)資金時(shí)間價(jià)值的情景下累計(jì)凈現(xiàn)金流量等于零時(shí)的年份[25],反映投資者的收支平衡時(shí)刻.本文考慮分析比較對(duì)象為有無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)以及在規(guī)模效益下的系統(tǒng)效益比較,不影響結(jié)果判斷;此外,本文還對(duì)系統(tǒng)碳排放和能源效益進(jìn)行分析,考慮評(píng)價(jià)的統(tǒng)一性,采用該指標(biāo)可滿足要求.IRR是指項(xiàng)目投資的凈現(xiàn)值為零時(shí)的折現(xiàn)率,與電力行業(yè)基準(zhǔn)收益率作比較,能夠反映項(xiàng)目投資的經(jīng)濟(jì)可行性[32].

式中:表示累計(jì)凈現(xiàn)金流量第1次出現(xiàn)正值的年份,單位為a;C為第年初尚未收回的投資,單位為元;A為第年凈現(xiàn)金流量,單位為元;(I-C)為第年的凈現(xiàn)金流量,單位為元.

1.2.3 碳減排效益及能源效益分析 構(gòu)建全生命周期碳排放和能源模型,分析光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)碳減排效益和能源效益.

對(duì)于光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng),其碳減排效益及能源效益指通過(guò)光伏發(fā)電替代化石燃料發(fā)電所減少的CO2排放以及減少的能源消耗.

系統(tǒng)全生命周期碳排放由各生命周期階段共同構(gòu)成.

式中:CE是光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期碳排放量;P是系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)階段碳排放量;r1是生產(chǎn)運(yùn)輸階段碳排放量;CA是建設(shè)與安裝階段碳排放量;OM是運(yùn)行維護(hù)碳排放量;r2是退役運(yùn)輸階段碳排放量;De是系統(tǒng)退役階段碳排放量.

式中:U是系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)量;ep是單位產(chǎn)品碳排放量;是系統(tǒng)所需產(chǎn)品類別總數(shù).

式中:1f是產(chǎn)品運(yùn)輸距離;1f是產(chǎn)品質(zhì)量;tr是單位質(zhì)量距離的碳排放量;1是生產(chǎn)運(yùn)輸產(chǎn)品類別總數(shù).

式中:a是系統(tǒng)安裝規(guī)模;是單位系統(tǒng)安裝建設(shè)碳排放量.

式中:sq是單位面積光伏組件功率, W/m2;sq是單位面積組件水耗,kg水/m2;ec是單位水耗產(chǎn)生的CO2, kgCO2/kg水.

式中:2b是產(chǎn)品運(yùn)輸距離;2b是產(chǎn)品質(zhì)量;tr是單位質(zhì)量距離的碳排放量;2是退役運(yùn)輸產(chǎn)品類別總數(shù).

式中:eg是單位產(chǎn)品g處理回收碳排放量,可為負(fù)值;g是產(chǎn)品g的處理數(shù)量;是退役處理產(chǎn)品類別總數(shù).

系統(tǒng)全生命周期能源核算根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》[48],系統(tǒng)消耗的一次能源和二次能源為生產(chǎn)原料和耗能工質(zhì)消耗的能源.

式中:NH是光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期能耗總量; NH1是產(chǎn)品生產(chǎn)階段能耗;NH2是運(yùn)輸階段能耗,包括產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)輸和退役運(yùn)輸兩個(gè)階段;NH3是建設(shè)安裝階段能耗;NH4是運(yùn)行維護(hù)階段能耗;NH5是系統(tǒng)退役能耗.

選擇碳排放強(qiáng)度[33]和碳補(bǔ)償回收期[32]評(píng)價(jià)系統(tǒng)碳減排效益.碳排放強(qiáng)度表示系統(tǒng)單位發(fā)電量產(chǎn)生的CO2,碳補(bǔ)償回收期指通過(guò)光伏發(fā)電抵消產(chǎn)生CO2所用的時(shí)間,用于反映低碳效益.在分析中,將燃煤發(fā)電作為比較對(duì)象,公式如下.

式中:Em是碳排放強(qiáng)度,kgCO2/(kW·h);T是系統(tǒng)運(yùn)行周期碳排放總量,單位kgCO2;T是系統(tǒng)運(yùn)行周期總發(fā)電量,單位kW·h.CPBP是碳補(bǔ)償回收期,單位為a;是系統(tǒng)運(yùn)行周期,單位為a;ce是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)碳排放系數(shù).

選擇能量回收期(EPBT)評(píng)價(jià)能源效益,即通過(guò)光伏發(fā)電收回生產(chǎn)制造該系統(tǒng)所消耗的能量所使用的時(shí)間[34],以a表示,如下.

在進(jìn)行系統(tǒng)碳減排效益和能源效益分析時(shí),做如下假設(shè):

①只考慮光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)各設(shè)備的原材料能源消耗和碳排放,生產(chǎn)環(huán)節(jié)中生產(chǎn)設(shè)備、工廠、工人、運(yùn)輸車輛不在研究范圍之內(nèi).

②系統(tǒng)平衡輔件中的匯流箱、計(jì)量表、配電柜等設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的整體碳排放貢獻(xiàn)率較小,且清單數(shù)據(jù)無(wú)法收集,故不納入計(jì)算.

2 案例分析

山東省是我國(guó)太陽(yáng)能第三類資源區(qū),年日照時(shí)數(shù)為2170.5h.山東在我國(guó)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)中占據(jù)重要地位.據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì),截至2020年底,山東光伏累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)22.72GW,位列全國(guó)各省市第一.考慮前期調(diào)研基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)的可獲得性,以山東省膠州市孫家村等周圍6個(gè)農(nóng)村的戶用分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為案例開(kāi)展研究.山東統(tǒng)計(jì)年鑒2019[35]顯示,該省農(nóng)村居民人均可支配收入為17775元/(人·a),農(nóng)村平均每戶常住人口為3.11人,人均居住面積為43.6m2/人.據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局[36]和山東省統(tǒng)計(jì)年鑒,山東省農(nóng)村用戶年用電量為5500kW·h,約15kW·h /d.實(shí)地調(diào)查表明,膠州農(nóng)村戶用分布式光伏項(xiàng)目5, 8, 10, 15kW四個(gè)類型占比接近50%,因此以上述規(guī)模光伏系統(tǒng)為例進(jìn)行實(shí)證分析.

2.1 案例光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)基本信息

表1 光伏組件信息

表2 逆變器信息

表3 支架信息

單晶硅和多晶硅是當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)光伏組件的主導(dǎo)類型.其中,考慮初始投資成本和全生命周期經(jīng)濟(jì)收益,采用多晶硅性價(jià)比更高;儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)用關(guān)鍵在于儲(chǔ)能電池的技術(shù)進(jìn)步,而鋰電池在電池性能及使用壽命等方面都表現(xiàn)出優(yōu)于鉛酸電池的特征,隨著其生產(chǎn)成本不斷降低越來(lái)越為市場(chǎng)所青睞[28].對(duì)于多晶硅組件、磷酸鐵鋰電池的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō),各產(chǎn)品信息如表1～4所示.

表4 儲(chǔ)能電池信息

電線電纜使用壽命為20a,匯流箱為20a,計(jì)量裝置為20a,25a生命周期更換1次.儲(chǔ)能容量綜合考慮農(nóng)村居民用電習(xí)慣確定.依據(jù)山東統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)農(nóng)村居民耐用消費(fèi)品擁有特征及常用電器使用時(shí)間習(xí)慣,估算農(nóng)村用戶用電時(shí)間分布,如表5所示.

表5 農(nóng)村用戶電器信息

根據(jù)表5,估計(jì)用戶無(wú)儲(chǔ)能電池時(shí)自用3kW×h光伏電量,借助儲(chǔ)能電池增加用戶光伏用電量為9kW×h,剩余從電網(wǎng)公司購(gòu)買.根據(jù)儲(chǔ)能電池容配比公式5,電池需求容量約為11kW×h,電池單位成本為750元/(kW×h),質(zhì)量約50kg.不同規(guī)模光伏系統(tǒng)單位成本(以元/W計(jì))如表6.

根據(jù)SolarGIS提供的太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù),膠州最佳傾斜角度31°下太陽(yáng)能輻射總量為1656kW·h/ m2[37],5, 8, 10, 15kW光伏項(xiàng)目在膠州預(yù)計(jì)年理論發(fā)電量分別為6400, 10240, 13000, 19200kW·h.光伏系統(tǒng)年運(yùn)維費(fèi)用系數(shù)在1%～3%之間[38],考慮設(shè)備耐用性的提高,該參數(shù)取1%;儲(chǔ)能電池的年維修系數(shù)為1.5%[39].組件回收價(jià)格為初始組件成本的40%左右,由于組件在退役時(shí)發(fā)電效率仍能保持在初始的80%以上,以及回收拆解時(shí)80%以上可回收再利用[40];其它設(shè)備的回收價(jià)值按設(shè)備經(jīng)驗(yàn)殘值5%計(jì).山東用戶電價(jià)如表7.

表6 光伏系統(tǒng)單位成本(元/W)

表7 用戶峰谷電價(jià)

根據(jù)最新的光伏補(bǔ)貼政策,光伏補(bǔ)貼為0.08元/(kW×h),補(bǔ)貼期限為20a.山東省當(dāng)?shù)刈?017年起無(wú)補(bǔ)貼政策,光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.3949元/(kW×h).

2.2 經(jīng)濟(jì)-碳減排-能源效益分析

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益 以10kW多晶硅光伏和11kW×h規(guī)模的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)(10kW-11kW×h光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng))為研究案例,其投資成本如圖4所示.

初始投資占比最高,達(dá)總投資的54.38%,其次為設(shè)備更換(31.09%),設(shè)備維護(hù)最小(14.53%).安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)增加初始投資成本、設(shè)備更換成本以及設(shè)備維護(hù)成本.其中,安裝儲(chǔ)能電池增加16%的初始投資,電池更換增加93%的設(shè)備更換成本,電池維護(hù)增加24%的設(shè)備維護(hù)成本.考慮該系統(tǒng)的年凈收益變化,其結(jié)果如圖5.

用戶首年凈收益為-51342元,在系統(tǒng)退役時(shí)可獲得總凈收益67016元.據(jù)圖中垂線,增加儲(chǔ)能系統(tǒng)將延長(zhǎng)系統(tǒng)投資回收期3a左右(34.7%),主要原因是儲(chǔ)能電池的更換(第9a更換1次電池),延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命,可以縮短投資回收期,從而提高投資者的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝積極性.此外,延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用時(shí)間(圖5),可以增加用戶的經(jīng)濟(jì)收益.規(guī)模效益結(jié)果如圖6.

圖4 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期成本

圖5 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)年凈收益

由圖6a可知,用戶安裝5, 8, 10, 15kW及11kW×h規(guī)模的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)投資回收期均在10a以上,相比光伏系統(tǒng)長(zhǎng)2a以上.以10kW系統(tǒng)為例,增加儲(chǔ)能系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期延長(zhǎng)34.7%.不過(guò),通過(guò)擴(kuò)大安裝規(guī)模,可以縮短投資回收期,從而減緩儲(chǔ)能電池對(duì)系統(tǒng)投資回收期延長(zhǎng)的不利影響.由圖6b可知,增加儲(chǔ)能電池會(huì)顯著降低用戶的內(nèi)部收益率,以10kW系統(tǒng)為例,增加儲(chǔ)能系統(tǒng),內(nèi)部收益率降低20%.通過(guò)增加投資規(guī)模,能夠相應(yīng)降低儲(chǔ)能電池對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益的影響.對(duì)于光伏系統(tǒng)而言,安裝8kW光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最低,其主要原因如下:(1)其初始投資成本相對(duì)于5kW的規(guī)模效益不明顯(表6),導(dǎo)致成本較高;(2)在當(dāng)前光伏補(bǔ)貼政策大幅降低的情景下,通過(guò)增加光伏規(guī)模來(lái)增加發(fā)電量從而獲得更多售電和補(bǔ)貼收入的經(jīng)濟(jì)收益不夠理想.另外,當(dāng)投資規(guī)模為10和15kW時(shí),系統(tǒng)內(nèi)部收益率高于該電力行業(yè)基準(zhǔn)收益率,投資光伏-儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)可行.

2.2.2 碳減排效益 借助文獻(xiàn)和行業(yè)手冊(cè)獲取光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期階段碳排放系數(shù),核算碳排放.對(duì)于核算采用的碳排放系數(shù),優(yōu)先采用已有研究文獻(xiàn)和本地化已有數(shù)據(jù),缺少本地化碳排放因子則采納IPCC報(bào)告中的缺省值.

10kW-11kW·h規(guī)模光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期各階段碳排放數(shù)據(jù)如表8.其中,根據(jù)設(shè)備廠商信息,借助百度地圖估算運(yùn)輸距離.退役階段涉及組件鋁、硅片、玻璃等成分的回收,方案參考趙若楠等[41]的研究,即人工拆解+熱處理的方式.支架為金屬鋁和鋼成分,可全部回收.逆變器通過(guò)電力拆除,回收部分金屬,其余部分填埋.對(duì)于儲(chǔ)能電池,借鑒程冬冬[28]拆解與化學(xué)處理的方法,回收鋁鐵鋰.

圖6 不同規(guī)模系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

表8 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期碳排放清單

綜合以上分析,10kW-11kWh規(guī)模的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期CO2排放總量為11630.23kg,儲(chǔ)能系統(tǒng)碳排放占比5.36%,主要排放貢獻(xiàn)在生產(chǎn)階段.

由表8可知,系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)階段中,組件碳排放占比最高(66%),儲(chǔ)能電池生產(chǎn)排放貢獻(xiàn)占5%.通過(guò)處理回收,組件碳減排量達(dá)3587.09kg,相當(dāng)于減少組件生產(chǎn)34.56%的碳排放;支架實(shí)現(xiàn)完全回收,儲(chǔ)能電池和逆變器分別減少了各自產(chǎn)品生產(chǎn)階段29.10%、0.37%的碳排放,退役階段的處理回收相當(dāng)于減少產(chǎn)品生產(chǎn)26.52%的碳排放,碳減排潛力巨大.

該系統(tǒng)25a總發(fā)電量289575kW·h,即11583kW·h/a,減排:11583×0.7921=9174.89kg.該系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度和碳補(bǔ)償回收期分別為40.16g/(kW·h)和1.27a.

其它規(guī)模分析同上,5, 8, 10, 15kW規(guī)模光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)碳排放占比分別為10.18%、6.62%、5.36%、3.30%,不同規(guī)模碳排放如下.

圖7 不同規(guī)模光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)碳減排效益對(duì)比

由圖7可知,安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)增加系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度,不同規(guī)模組合的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度分別增加4.38, 2.73, 2.15, 1.46g/(kW·h);系統(tǒng)碳補(bǔ)償回收期分別延長(zhǎng)0.14, 0.09, 0.07, 0.05a,對(duì)系統(tǒng)碳減排效益影響很小.以10kW光伏系統(tǒng)為例,增加儲(chǔ)能電池后,碳補(bǔ)償時(shí)間延長(zhǎng)5.83%.系統(tǒng)規(guī)模越大,碳減排效益越好,同時(shí)反映增加系統(tǒng)規(guī)模,有助于降低儲(chǔ)能電池對(duì)系統(tǒng)碳排放的強(qiáng)化效應(yīng).

2.2.3 能源效益 借鑒文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[44-51]和能耗通則公式,分析光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)能源效益.系統(tǒng)全生命周期各階段能耗如表9.基于以上分析,光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)總能耗2567.14kgce,換算系數(shù)0.1229kgce/(kW×h)[36,48],則總能耗為20888kW×h.該系統(tǒng)全生命周期階段,產(chǎn)品生產(chǎn)能耗貢獻(xiàn)最高,退役處理同運(yùn)輸階段相近;組件能耗占比最高,達(dá)總能耗的39.05%,儲(chǔ)能電池生產(chǎn)能耗占比很小,對(duì)系統(tǒng)影響微弱.

表9 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期能耗數(shù)據(jù)

圖8 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)能量回收期

該系統(tǒng)年平均發(fā)電11583kW·h,EPBT為1.80a.其他規(guī)模能耗分析同上.儲(chǔ)能系統(tǒng)在5, 8, 10, 15kW規(guī)模的系統(tǒng)能耗分別占1.20%、0.74%、0.61%、0.41%,對(duì)系統(tǒng)能耗貢獻(xiàn)很小.同樣考慮規(guī)模效益,由圖8可知,不同規(guī)模組合的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)能量回收期分別為1.84, 1.86, 1.80, 1.82a,相比光伏系統(tǒng)延長(zhǎng)0.2a以下,對(duì)系統(tǒng)整體能量回收期影響微弱.以10kW光伏系統(tǒng)為例,增加儲(chǔ)能電池后,能量回收期延長(zhǎng)0.56%.

2.3 離網(wǎng)光伏-儲(chǔ)能效益分析

并網(wǎng)情況下,由于電網(wǎng)的作用,可以消納光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的用戶需求之外的所有電量.一方面,這導(dǎo)致了電網(wǎng)沖擊,增加電網(wǎng)容量備用成本[25],另一方面,儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)的正向調(diào)節(jié)能力被電網(wǎng)作用所補(bǔ)償,難以體現(xiàn)和量化.在離網(wǎng)情況下,光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電量由用戶需求決定,對(duì)于案例分析的大多普通用戶而言,不能夠完全使用光伏系統(tǒng)最大發(fā)電量,因此,就會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)潛力不能被完全發(fā)揮,此時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)就可以通過(guò)儲(chǔ)存電量而實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行.因此,為了更直觀展現(xiàn)光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)相比于光伏系統(tǒng)的效益,研究假設(shè)離網(wǎng)情況下,比較全生命周期光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、碳減排效益、能源效益.

離網(wǎng)情況下,考慮研究案例用戶年用電量為5500kW×h,選擇5kW-11kW×h規(guī)模的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)即可滿足用戶需求,且能最大化體現(xiàn)增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的效益.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行效益分析,結(jié)果如下.

由圖9可知,盡管增加儲(chǔ)能電池會(huì)增加用戶8000元左右的初始投資,但會(huì)提高用戶使用光伏電量的比例,從而減少更多的電費(fèi)支出,至系統(tǒng)退役時(shí)相比只安裝光伏系統(tǒng)增加9500元左右的總凈收益.而在離網(wǎng)情景下,單獨(dú)使用光伏系統(tǒng)在25a全生命周期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)凈收益為正.

圖9 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)年凈收益

對(duì)于碳減排效益,如圖10所示,離網(wǎng)情況下,光伏系統(tǒng)隨著使用年限的增加,對(duì)設(shè)備、運(yùn)營(yíng)等碳排放的補(bǔ)償作用逐漸增強(qiáng),系統(tǒng)在第8a可實(shí)現(xiàn)碳清零.比較而言,增加儲(chǔ)能系統(tǒng)后,光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)碳補(bǔ)償效益十分明顯,在第3a即可實(shí)現(xiàn)碳完全補(bǔ)償,隨著系統(tǒng)使用時(shí)間增長(zhǎng),碳減排量累積顯著.

圖10 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)碳減排效益

能源效益如圖11所示,離網(wǎng)情況下,光伏系統(tǒng)的節(jié)能效益較差,盡管逐年節(jié)能,但在第11a才能實(shí)現(xiàn)能量完全回收.而光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)則在大約第3a就可實(shí)現(xiàn)正向能源效益,在系統(tǒng)退役時(shí)總節(jié)能量在12000kgce以上.

圖11 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)能源效益

光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠解決光伏系統(tǒng)間歇性問(wèn)題,這類可再生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)集成的方式可以替代傳統(tǒng)基于化石燃料動(dòng)力發(fā)電,有助于減少CO2排放[52].通過(guò)研究,增加儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)同時(shí)降低光伏用戶的經(jīng)濟(jì)效益,帶來(lái)一定的碳排放和能源消耗,但也會(huì)改善電網(wǎng)電量損失,減少備用電力成本[25],但本文出于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和模擬方法的可靠性,暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行定量化研究,未來(lái)可以考慮將以上正向因素考慮在內(nèi),進(jìn)行定量化分析,同時(shí)考慮光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同效益的最優(yōu)化模擬分析.此外,未來(lái)可以進(jìn)行偏遠(yuǎn)山區(qū)離網(wǎng)式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究,具體考慮該系統(tǒng)引入給當(dāng)?shù)貛?lái)的生態(tài)效益和社會(huì)效益,從而進(jìn)行科學(xué)客觀的評(píng)估.

3 結(jié)論

3.1 增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的同時(shí),會(huì)延長(zhǎng)投資回收期,降低投資者的收益率.以10kW光伏為例,增加儲(chǔ)能電池將投資回收期從8.62a延長(zhǎng)至11.61a,收益率降低20%左右,對(duì)用戶投資收益積極性影響很大.增加儲(chǔ)能系統(tǒng)后的成本支出包括初始投資、設(shè)備更換以及設(shè)備維修,其中由于儲(chǔ)能電池使用壽命遠(yuǎn)短于系統(tǒng)生命周期,故電池更換不少于1次,支出最多.增加儲(chǔ)能系統(tǒng)也會(huì)增加一定的碳排放量,相對(duì)延長(zhǎng)碳補(bǔ)償時(shí)間,10kW規(guī)模的系統(tǒng)單位電量CO2排放量增加5.66%,碳補(bǔ)償時(shí)間從1.20a延長(zhǎng)至1.27a,對(duì)系統(tǒng)碳減排影響較小;其中,產(chǎn)品生產(chǎn)為系統(tǒng)碳排放的主要來(lái)源,儲(chǔ)能電池碳排放達(dá)總排放量的5.36%,退役處理回收能夠減少生產(chǎn)階段1/4左右的碳排放,碳減排潛力巨大.從能耗的角度,10kW規(guī)模的系統(tǒng)增加儲(chǔ)能電池,其能量回收期從1.79a延長(zhǎng)至1.80a,波動(dòng)小.其中,系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)同樣是該系統(tǒng)生命周期階段能耗主要來(lái)源,而儲(chǔ)能電池能耗只占系統(tǒng)總能耗的0.61%,能耗貢獻(xiàn)率極低.

3.2 延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用時(shí)間,能夠增加用戶的收益,同時(shí)擴(kuò)大安裝規(guī)模,能夠增加投資收益率,縮短投資回收期,減弱儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)整個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益降低的強(qiáng)化作用.通過(guò)擴(kuò)大規(guī)模,同時(shí)能降低系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度,縮短碳補(bǔ)償時(shí)間,降低儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)的碳增加效應(yīng).擴(kuò)大規(guī)模也能減弱儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)的能耗增加效應(yīng),以15kW系統(tǒng)為例,光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的能量回收期都在1.82a.在離網(wǎng)情景下,增加儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效提高光伏電力使用比例,提高能源利用率,同時(shí)顯著增加經(jīng)濟(jì)效益、碳減排效益以及能源效益,而只安裝光伏系統(tǒng)在25a生命周期內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)凈收益為正,其碳減排效益和能源效益也較低.

3.3 政府可以實(shí)施大規(guī)模安裝光伏配比一定比例的儲(chǔ)能電池的政策,從而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)化效應(yīng).考慮用戶經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)行利好政策,增加光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)收益,提高投資者的積極性.一方面,以儲(chǔ)能電池成本補(bǔ)貼或者度電儲(chǔ)存補(bǔ)貼的形式,或者給予用戶低息貸款方式,減少光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資,具體基于用戶期望投資回收期或內(nèi)部收益率進(jìn)行合理分配;另一方面,實(shí)行儲(chǔ)能電池技術(shù)利好政策,推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,從而延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命,減少儲(chǔ)能電池更換次數(shù),減少投資者的支出.此外,同電網(wǎng)公司、光伏系統(tǒng)制造企業(yè)等利益相關(guān)方進(jìn)行協(xié)商,考慮增加光伏系統(tǒng)的使用質(zhì)保時(shí)間,以充分發(fā)揮光伏發(fā)電在經(jīng)濟(jì)-碳減排-能源效益方面的潛力.

[1] 舟 丹.中國(guó)是世界上最大的碳排放國(guó)之一[J]. 中外能源, 2015, 20(1):56.

Zhou D. China is one of the largest carbon emitters in the world [J]. Sino-Global Energy, 2015,20(1):56.

[2] 繼往開(kāi)來(lái),開(kāi)啟全球應(yīng)對(duì)氣候變化新征程——在氣候雄心峰會(huì)上的講話[Z]. 2020-12-12. http://www.gov.cn/gongbao/content/2020/ content_5570055.htm.

Carrying on the past,and opening up a new journey of global response to climate change-Speech at the Climate Ambition Summit [Z]. 2020- 12-12. http://www.gov.cn/gongbao/content/2020/content_5570055. htm.

[3] Santos J D, Alonso-García. Projection of the photovoltaic waste in Spain until 2050 [J]. Journal of Cleaner Production, 2018,196:2613- 1628.

[4] IRENA. Data and statistics-IRENA resource (capacity and generation) [Z]. International Renewable Energy Agency, 2020.

[5] 國(guó)家能源局.國(guó)家能源局2021年一季度網(wǎng)上新聞發(fā)布會(huì)文字實(shí)錄[Z]. 2021.http://www.nea.gov.cn/2021-01/30/c_139708580.htm

National Energy Administration. Text record of the online press conference of the National Energy Administration in the First Quarter of 2021 [Z]. 2021. http://www.nea.gov.cn/2021-01/30/c_139708580. htm

[6] 馮曉麗.光伏儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 電工電能新技術(shù), 2019, 38(9):52-58.

Feng X L. Economical analysis of photovoltaic power station with battery energy storage system [J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2019,38(9):52-58.

[7] 朱家煒,賈燕冰,朱燕芳,等.配網(wǎng)光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置策略[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2019,19(31):162-167.

Zhu J W, Jia Y B, Zhu Y F, et al. Optimal configuration strategy of energy storage in distribution network photovoltaic system [J]. Science Technology and Engineering. 2019,19(31):162-167.

[8] 吳小剛,劉宗岐,田立亭,等.獨(dú)立光伏系統(tǒng)光儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014,38(5):1271-1276.

Wu X G, Liu Z Q, Tian L T, et al. Optimized capacity configuration of photovoltaic generation and energy storage device for stand-alone photovoltaic generation system [J]. Power System Technology, 2014, 38(5):1271-1276.

[9] Vidhya C, Florencia R, Michael A, et al. Battery device for continuous energy harvesting and storage [J]. Journal of Power Sources, 2012, 216:84-88.

[10] Eghtedarpour N, Farjah E. Control strategy for distributed integration of photovoltaic and energy storage systems in DC micro-grids [J]. Renewable Energy, 2012,45:96-110.

[11] Nottrott A, Kleissl J, Washom B. Energy dispatch schedule optimization and cost benefit analysis for grid-connected, photovoltaic-battery storage systems [J]. Renewable Energy, 2013,55: 230-240.

[12] Bertsch V, Geldermann J, Lühn T. What drives the profitability of household PV investments, self-consumption and self-sufficiency? [J]. Applied Energy, 2017,204:1-15.

[13] Dietrich A, Weber C. What drives profitability of grid-connected residential PV storage systems? A closer look with focus on Germany [J]. Energy Economics, 2018,74:399-416.

[14] von Appen J, Braun M. Interdependencies between self-sufficiency preferences, techno-economic drivers for investment decisions and grid integration of residential PV storage systems [J]. Applied Energy, 2018,229:1140-1151.

[15] Al-Saqlawi J, Madani K, Mac Dowell N. Techno-economic feasibility of grid-independent residential roof-top solar PV systems in Muscat, Oman [J]. Energy Conversion and Management, 2018,178:322-324.

[16] Dong S, Kremers E, Brucoli M, et al. Residential PV-BES systems: Economic and grid impact analysis [J]. Energy procedia, 2018,151: 199-208.

[17] Numbi B P, Malinga S J. Optimal energy cost and economic analysis of a residential grid-interactive solar PV system- case of eThekwini municipality in South Africa [J]. Applied Energy, 2017,186:28-45.

[18] Chaianong A, Bangviwat A, Menke C, et al. Customer economics of residential PV-battery systems in Thailand [J]. Renewable Energy, 2020,146:297-308.

[19] Camilo Fernando M, Castro R, Almeida M E, et al. Economic assessment of residential PV systems with self-consumption and storage in Portugal [J]. Solar Energy, 2017,150:353-362.

[20] Foles A, Fialho L, Collares-Pereira M. Techno-economic evaluation of the Portuguese PV and energy storage residential applications [J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2020,39:710-715.

[21] Cerino Abdin G, Noussan M. Electricity storage compared to net metering in residential PV applications [J]. Journal of Cleaner Production, 2018,176:175-186.

[22] Yu H J J. A prospective economic assessment of residential PV self-consumption with batteries and its systemic effects: The French case in 2030 [J]. Energy Policy, 2018,113:673-687.

[23] 呂雙輝,蔡聲霞,王守相.分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估及發(fā)展建議[J]. 中國(guó)電力, 2015,48(2):139-144.

Lv S H, Cai S X, Wang S X. Economic evaluation and development suggestions for distributed PV-energy storage system in China [J]. Electric Power, 2015,48(2):139-144.

[24] 孫 波,廖強(qiáng)強(qiáng),劉 宇,等.分布式光伏儲(chǔ)能電池混合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 電力建設(shè), 2016,37(8):102-107.

Sun B, Liao Q Q, Liu Y, et al. Economic analysis of hybrid System containing distributed photovoltaic power and battery stored energy [J]. Electric Power Construction, 2016,37(8):102-107.

[25] 鄧忻依,艾 欣.分布式光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合效益評(píng)估與激勵(lì)機(jī)制[J]. 發(fā)電技術(shù), 2018,39(1):30-36.

Deng X Y, Ai X. Comprehensive benefit assessment and incentive mechanism of distributed photovoltaic energy storage system [J]. Power Generation Technology, 2018,39(1):30-36.

[26] McKenna E, McManus M, Cooper S, et al. Economic and environmental impact of lead-acid batteries in grid-connected domestic PV systems [J]. Applied Energy, 2013,104:239-249.

[27] 劉 偉.典型蓄電池生命周期評(píng)價(jià)研究[D]. 濟(jì)南:山東大學(xué), 2017.

Liu W. Life cycle assessment research of typical storage battery-a case study of lead acid battery and lithium ion battery [D]. Jinan: Shandong University, 2017.

[28] 程冬冬.基于綠色發(fā)展理念的鋰離子電池生命周期環(huán)境效益研究[D]. 廣州:廣東工業(yè)大學(xué), 2019.

Cheng D D. Study on environmental benefits of lithium-ion batteries in life cycle based on green development concept [D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2019.

[29] Tsuchiya Y, Swai T, Goto F. Energy payback time analysis and return on investment of off-grid photovoltaic systems in rural areas of Tanzania [J]. Sustainable-Energy Technologies and Assessments, 2020,42:1-7.

[30] Kavian S, Aghanajafi C, Jafari Mosleh H, et al. Exergy, economic and environmental evaluation of an optimized hybrid photovoltaic- geothermal heat pump system [J]. Applied Energy, 2020,276:1-14.

[31] 蔣建彗,倪志春,陳成錦,等.戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法研究[J]. 太陽(yáng)能, 2020,(11):44-48.

Jiang J H, Ni Z C, Chen C M, et al. Capacity configuration and economic calculation of household PV + storage energy system [J]. Solar Energy, 2020,(11):44-48.

[32] 陳梓毅,曹 燁,邱國(guó)玉.城市分布式光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益實(shí)證分析[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì), 2018,34(6):100-105.

Chen Z Y, Cao Y, Qiu G Y. Empirical analysis on economic and environmental benefit of urban distributed PV [J]. Ecological Economy, 2018,34(6):100-105.

[33] 何津津.基于生命周期評(píng)價(jià)的光伏發(fā)電碳排放研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2017.

He J J. Research on carbon emission of photovoltaic generation with life cycle assessment [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017.

[34] 李 鷂,于隨然.中國(guó)光伏系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境工程, 2014,32(10):119-124.

Li Y, Yu S R. Life cycle assessment of photovoltaic system in China [J]. Environmental Engineering, 2014,32(10):119-124.

[35] 山東省統(tǒng)計(jì)局.山東統(tǒng)計(jì)年鑒 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2019.

Shandong Provincial Bureau of Statistics. Shandong statistical yearbook [M]. Beijing: China Statistics Press, 2019.

[36] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2019.

Department of Energy Statistics, National Bureau of Statistics. China energy statistical yearbook [M]. Beijing: China Statistics Press, 2019.

[37] SolarGIS. Global horizontal irradiation: China [Z]. Global Solar Atlas, 2019.

[38] 陳新輝,彭筱喆.我國(guó)分布式光伏發(fā)電投資風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 太陽(yáng)能, 2019,(10):5-10,39.

Chen X H, Peng X Z. Distributed photovoltaic power generation investment risk analysis of China [J]. 2019(10):5-10,39.

[39] 賈 禾.分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性分析[D]. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2019.

Jia H. Optimization and economic analysis of distributed energy storage system [D]. Changsha: Hunan University, 2019.

[40] 梁 哲.光伏組件的回收再利用 [A]//朱景兵.第13屆中國(guó)光伏大會(huì)論文集 [C]. 無(wú)錫:東南大學(xué)出版社, 2013:375-387.

Liang Z. Recovery and reuse of PV modules [A]//Zhu J B. Proceedings of the Thirteenth China Photovoltaic Assembly [C]. Wuxi, 2013:375-387.

[41] 趙若楠,董 莉,白 璐,等.光伏行業(yè)生命周期碳排放清單分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2020,40(6):2751-2757.

Zhao R N, Dong L, Bai L, et al. Inventory analysis on carbon emissions of photovoltaic industry [J]. China Environmental Science, 2020,40(6):2751-2757.

[42] 蔡 皓,謝紹東.中國(guó)不同排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車排放因子的確定[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,46(3):319-326.

Cai H, Xie S D. Determination of emission factors from motor vehicles under different emission standards in China [J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2010,46(3):319-326.

[43] 中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部.2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子[R]. 2012-12.

Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China. Baseline emission factors of China's regional power grids for emission reduction projects in 2019 [R]. 2020-12.

[44] 楊倩苗.建筑產(chǎn)品的全生命周期環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)[D]. 天津:天津大學(xué), 2009.

Yang Q M. Quantificational life cycle assessment of environmental impact of construction productions [D]. Tianjin : Tianjin University, 2009.

[45] 梁 佳.建筑并網(wǎng)光伏系統(tǒng)生命周期環(huán)境影響研究[D]. 天津:天津大學(xué), 2012.

Liang J. Environmental effects investing for the grid-connected BAPV [D]. Tianjin : Tianjin University, 2012.

[46] 龔佰勛.環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)固體廢物處理設(shè)備[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004,6:108-115.

Gong B X. Environmental protection equipment design manual. Solid waste treatment [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004,6:108.

[47] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)工作部編.廢棄物處理與管理全國(guó)廢棄物處理與管理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C]. 北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 1990.12:366-380.

Working Department of the Society of China Association for Science and Technology. Waste Disposal and Management Proceedings of the National Symposium on Waste Disposal and Management [C]. Beijing: China Science and Technology Press, 1990,12:366.

[48] GB/T2589-2020 綜合能耗計(jì)算通則 [S].

GB/T2589-2020 General rules for comprehensive energy consumption calculation [S].

[49] GB/T50441-2016 石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[S].

GB/T50441-2016 Petrochemical design energy consumption calculation standard [S].

[50] GB50910-2013 機(jī)械工業(yè)工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

GB50910-2013 Code for energy-saving design of mechanical industry engineering [S].

[51] 劉振東,張石定,賈 晗.安陽(yáng)市并網(wǎng)光伏系統(tǒng)案例經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析[J]. 中國(guó)電力, 2013,46(8):43-47.

Liu Z D, Zhang S D, Jia H. Case study on economic and environmental benefits of grid-connected photovoltaic systems [J]. Electric Power, 2013,46(8):43-47.

[52] Wali S, Hannan M, Reza M, et al. Battery storage systems integrated renewable energy sources: A biblio metric analysis towards future directions [J]. Journal of Energy Storage, 2021,35:1-17.

Empirical analysis of cost-CO2-energy benefits of distributed photovoltaic-battery storage system-taking (PV-BSS) in a case study in rural Jiaozhou Shandong.

WANG Xiao-hu1, CHU Chun-li1*, CAO Zhi2, CHU Chun-liang3, JU Mei-ting1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China；2.Energy and Materials in Infrastructure and Buildings (EMIB), University of Antwerp, Antwerp 2000, Belgium；3.Qinghuangdao Lihua Starch Co., LTD, Qinghuangdao 066300, China)., 2022,42(1)：402～414

An integrated assessment model that brought together life cycle cost analysis, life cycle CO2analysis, and life cycle energy analysis was established. A range of indicators (e.g., static payback period (PBPs), internal rate of return (IRR), carbon emissions intensity (Em), carbon compensation payback period (CPBP), energy payback time (EPBT)) were used to evaluate the economic benefits, carbon emissions reduction benefits, and energy benefits of PV-BSS. The integrated assessment model was applied to installations of 5, 8, 10 and 15kW PV combining with 11kW×h BSS in the rural areas of Jiaozhou, Shandong Province, to establish and examine the cost-benefits ratios in CO2reduction versus energy benefits. The results showed that adding BSS to these installations would bring negative effects, (1) in reducing mainly the economic benefit (2) in reducing secondly the carbon emission benefit (3) but with only minor energy benefit reduction. Taking the 10kW system as an example, PBPs was extended by 34.7%, IRR reduced by 20%, Em increased by 5.36%, CPBP extended by 5.83%, and EPBT extended by 0.56%. Extending the system use time and the scale of photovoltaic installation could increase the economic benefits, and at the same time, reduce Em, shorten CPBP, thereby reducing the overall negative impact of the energy storage system on the overall economy-CO2-energy efficiency reduction. In the off-grid scenario, the addition of BSS could effectively increase significantly the economic benefits of the system, the overall carbon reduction benefits and energy level benefits were significant.

distributed photovoltaic；battery storage system；cost-CO2-energy

X24

A

1000-6923(2022)01-0402-13

王小虎(1995-),男,新疆伊犁人,南開(kāi)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榭稍偕茉磁c環(huán)境管理.

2021-04-30

海洋工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)項(xiàng)目(OESD2018-27)

* 責(zé)任作者, 副教授, chucl@nankai.edu.cn