基于LCOE的單面與雙面雙玻光伏組件 經(jīng)濟性分析

陳 琦，王海華

(中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，南京210000)

0 引言

隨著中國2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)的提出，以光伏發(fā)電為代表的可再生能源利用迎來了新的發(fā)展熱潮。光伏組件作為光伏發(fā)電的核心部件，也備受關(guān)注。雙面光伏組件因具有光致衰減小、弱光響應(yīng)好等優(yōu)點日益受到重視與青睞[1]，并且隨著其技術(shù)不斷得到完善，變得更為成熟，應(yīng)用規(guī)模也不斷擴大[2]。在大多數(shù)情況下，對于相同光電轉(zhuǎn)換效率的雙面單玻光伏組件或常規(guī)的單面光伏組件而言，雙面雙玻光伏組件更具有發(fā)電量優(yōu)勢[3]；而且雙面雙玻光伏組件和單面光伏組件的成本差距也在不斷縮小，價差僅取決于單面光伏組件背板材料和雙面雙玻光伏組件玻璃背板材料的成本，目前價差已在1美分/W以內(nèi)[4]。本文結(jié)合平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)模型與PVsyst軟件對采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的光伏電站發(fā)電量進(jìn)行模擬，并對不同場景下單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的經(jīng)濟性進(jìn)行對比。

LCOE是用于分析各種發(fā)電技術(shù)成本問題的主要指標(biāo)。陳榮榮等[5]根據(jù)美國國家可再生能源實驗室(NREL)和德國弗勞恩霍夫太陽能研究所(Fraunhofer ISE)的LCOE評估方法，并考慮了系統(tǒng)殘值后，總結(jié)出并網(wǎng)光伏發(fā)電項目的LCOE模型，即：

式中：i為折現(xiàn)率；n為光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的第n年；N為光伏發(fā)電系統(tǒng)全生命周期(一般為25年)；I0為初始投資；An為第n年的運營成本；Tn為第n年除運營成本外的其他費用；VR為系統(tǒng)殘值；Yn為第n年的并網(wǎng)光伏發(fā)電量。

式(1)考慮了光伏發(fā)電項目的初期成本、運營期成本和末期殘值。

此外，國內(nèi)學(xué)者還根據(jù)中國的實際情況對LCOE模型進(jìn)行了細(xì)化，吳紅等[6]在該模型基礎(chǔ)上引入了“三免三減半”稅收優(yōu)惠政策；王嘉陽等[7]在該模型基礎(chǔ)上引入了增值稅抵扣政策。

在進(jìn)行光伏發(fā)電項目的經(jīng)濟效益分析時，昌敦虎等[8]對光伏發(fā)電項目LCOE模型計算時的折現(xiàn)成本C進(jìn)行了細(xì)化，即：

式中：OAM為光伏發(fā)電項目的運行維護(hù)費用率；TAn為第n年的總稅收；LRn為第n年的貸款利息。

該模型將式(1)中的運營期成本細(xì)化為運行維護(hù)成本、稅務(wù)成本、貸款成本。

總體而言，稅收優(yōu)惠政策對LCOE計算結(jié)果的影響有限，但折現(xiàn)率的取值不同會造成LCOE和項目發(fā)電量折現(xiàn)出現(xiàn)降幅不平衡的情況，目前中國對計算LCOE時如何選取折現(xiàn)率尚無相關(guān)的政策說明。在LCOE測算過程中，如果折現(xiàn)率從5%提高到8%，則LCOE的變化幅度可達(dá)到22.24%[6]。因此，本文對折現(xiàn)率的選取進(jìn)行分析，以便更好地反映單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的經(jīng)濟性。

1 采用不同類型光伏組件時的年發(fā)電小時數(shù)和首年發(fā)電量模擬

1.1 光伏方陣的年發(fā)電小時數(shù)模擬

為了對比單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的發(fā)電量差異，本文利用PVsyst軟件，以江蘇省啟東市某光伏電站中的一個光伏方陣為依托，分別對采用常規(guī)單面單玻單晶硅光伏組件(下文簡稱為“單面光伏組件”)或雙面雙玻單晶硅光伏組件(下文簡稱為“雙面雙玻光伏組件”)的光伏方陣進(jìn)行了建模仿真。該光伏方陣包含8100塊540 Wp的單面光伏組件或雙面雙玻光伏組件，光伏組件以“2×27”的豎向方式布置在1個固定式光伏支架上，光伏組件下沿距離地面的高度為1.5 m；光伏支架傾角為21°，相鄰前后排光伏支架的中心間距為8.0 m；光伏方陣連接1臺3125 kW的箱式逆變一體機。

進(jìn)行光伏方陣首年發(fā)電小時數(shù)模擬時，假設(shè)忽略有限模型陰影的邊緣效應(yīng)。太陽輻照度等氣象數(shù)據(jù)參考Meteonorm7.2數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。通過控制變量法比較分別采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發(fā)電小時數(shù)?？紤]到地面條件對年發(fā)電小時數(shù)的影響，因此，對不同地面平均反射率下單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的首年發(fā)電小時數(shù)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同地面平均反射率下采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發(fā)電小時數(shù)Fig. 1 First-year power generation hours of PV array when using monofacial PV modules and bifacial glass PV modules under different ground average reflectivity

從圖1可以看出，隨著地面平均反射率的增大，相較于采用單面光伏組件，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發(fā)電小時數(shù)提升幅度也在逐漸增大。地面平均反射率為10%時，相較于采用單面光伏組件，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發(fā)電小時數(shù)提升了約2.0%；而在地面平均反射率為25%時，相較于采用單面光伏組件，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發(fā)電小時數(shù)提升了約4.4%。此外，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發(fā)電小時數(shù)隨著地面平均反射率的提高呈線性上升趨勢。

1.2 首年發(fā)電量模擬

由于單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的背板結(jié)構(gòu)不同，因此，這2種光伏組件的老化衰減程度也不相同。黃盛娟等[9]通過對光伏電站中的光伏組件進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和背板材料的老化、黃變是導(dǎo)致光伏組件老化衰減的主要原因。雙面雙玻光伏組件的背面材料為超白低鐵鋼化玻璃，無論是紫外線(UV)、水汽或酸、堿、鹽霧等，都無法腐蝕或破壞雙面雙玻光伏組件的內(nèi)部，大幅降低了此類光伏組件產(chǎn)生蝸牛紋、黑線的概率[10]。因此，目前主流的光伏組件廠家設(shè)定的雙面雙玻光伏組件在質(zhì)保期內(nèi)的老化衰減率普遍低于單面光伏組件的老化衰減率。以主流p型光伏組件的質(zhì)保為例，單面光伏組件的年老化衰減率為0.55%，而雙面雙玻光伏組件的年老化衰減率為0.45%；但這2種光伏組件的首年老化衰減率均為2%。

地面條件不同，其平均反射率也不同，相應(yīng)的雙面雙玻光伏組件的發(fā)電量也不同。裴駿等[11]提出在模擬采用雙面雙玻光伏組件的水上光伏電站的發(fā)電量時，可以將冬季的水面反射率設(shè)置為10%左右，從而可獲得較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。劉飛等[12]對比模擬發(fā)電量與實際發(fā)電量后發(fā)現(xiàn)，將人造草地的反射率設(shè)置為25%時，模擬發(fā)電量與實際發(fā)電量數(shù)據(jù)非常接近。綜上，本文以平均反射率為10%模擬雙面雙玻光伏組件的水面應(yīng)用場景，以平均反射率為25%模擬雙面雙玻光伏組件的草地應(yīng)用場景。

基于上文模擬得到的首年發(fā)電小時數(shù)及單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的老化衰減率質(zhì)保值，可以測算出單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件在25年全生命周期內(nèi)的發(fā)電量。以江蘇省啟東市的某光伏電站為例，該光伏電站的裝機容量為100 MWp，模擬得到典型場景下采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時該光伏電站在25年全生命周期內(nèi)的發(fā)電量，具體如圖2所示。

從圖2可以看出，無論在何種場景下，25年全生命周期內(nèi)，采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的發(fā)電量均高于采用單面光伏組件時光伏電站的發(fā)電量。

圖2 典型場景下采用單面或雙面雙玻光伏組件時光伏電站在25年全生命周期內(nèi)的發(fā)電量Fig. 2 Power generation capacity of PV power station with monofacial PV modules and bifacial glass PV modules in 25-year total life cycle under typical scenarios

2 LCOE分析

2.1 折現(xiàn)率的選取

折現(xiàn)率是指將未來有限期內(nèi)的預(yù)期收益折算成現(xiàn)值的比率。由于光伏電站的全生命周期較長，因此折現(xiàn)率是決定其各個階段成本現(xiàn)值的核心參數(shù)。折現(xiàn)率也是項目投資者對資金時間價值的最低期望[13]。對于光伏電站的建設(shè)而言，其折現(xiàn)率通常要高于其長期貸款利率，因此本文不建議以長期貸款利率作為折現(xiàn)率的基準(zhǔn)值。魏智超[14]通過木聯(lián)能CDG光電工程經(jīng)濟評價軟件驗證了某大型光伏基地的LCOE與財務(wù)內(nèi)部收益率(FIRR)之間的關(guān)系，即利用FIRR目標(biāo)值反算得到的電價與利用FIRR目標(biāo)值作為折現(xiàn)率計算得到的LCOE相等。因此，當(dāng)以折現(xiàn)率作為投資者期望的最低FIRR時，LCOE可以用來代表整個光伏電站的成本電價。如果項目運營期售電電價明確，當(dāng)LCOE低于上網(wǎng)電價時項目是可行的，反之則不可行。因此，本文推薦以投資者期望的最低FIRR作為折現(xiàn)率的基準(zhǔn)值。

2.2 LCOE比較

結(jié)合上文得到的采用2種光伏組件時光伏電站的發(fā)電量模擬結(jié)果，以投資者期望的最低FIRR(7%)作為折現(xiàn)率，進(jìn)行采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE比較。由于測算光伏電站的LCOE涉及多個因素，不同邊界條件下的測算結(jié)果也不盡相同。因此，假定在某個特定條件下，采用單面光伏組件時光伏電站的LCOE剛好為其運營期的售電電價 (0.391元/kWh)。由于采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的初期投資相對較高，但與該光伏電站采用單面光伏組件時相比，總體價差(即雙面雙玻光伏組件每瓦價格與單面光伏組件每瓦價格的差值)在0.1元/W之內(nèi)，即采用雙面雙玻光伏組件時100 MWp光伏電站的初始投資增加額在1000萬以內(nèi)。假定忽略因初始投資額增加而造成的經(jīng)營成本與系統(tǒng)殘值差異，則可以在采用單面光伏組件時光伏電站LCOE基礎(chǔ)上，利用反算法得到采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE。典型應(yīng)用場景下雙面雙玻光伏組件和單面光伏組件不同價差時光伏電站LCOE的變化情況如圖3所示。

圖3 典型應(yīng)用場景下雙面雙玻光伏組件和單面光伏組件 不同價差時光伏電站的LCOE變化趨勢Fig. 3 LCOE variation trend of PV power station with different price differences between bifacial glass PV modules and monofacial PV modules under typical application scenarios

從圖3可以看出，在水面應(yīng)用場景下，當(dāng)雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差在0.17元/W以內(nèi)時，采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE低于采用單面光伏組件時光伏電站的LCOE；在草地應(yīng)用場景下，由于相較于單面光伏組件，雙面雙玻光伏組件增加的發(fā)電量更高，而且從現(xiàn)在的LCOE隨價差的變化趨勢來看，只有當(dāng)雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差在0.20元/W以上時，采用單面光伏組件時光伏電站的LCOE才能低于采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE。但由于市場上雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差一般在0.1元/W以內(nèi)，因此，在這2種典型場景下采用雙面雙玻光伏組件的經(jīng)濟性均優(yōu)于采用單面光伏組件時的經(jīng)濟性。

為了進(jìn)一步比較采用單面光伏組件與采用雙面雙玻光伏組件時的經(jīng)濟性，假定光伏電站采用單面光伏組件時的LCOE剛好為其運營期的售電電價(0.391元/kWh)，并對這2種光伏組件在不同價差條件下，雙面雙玻光伏組件不同發(fā)電量增益時光伏電站的LCOE進(jìn)行測算，測算結(jié)果如圖4所示。需要說明的是：相較于上文典型場景下的LCOE比較，此次不僅僅關(guān)注場景反射率不同對發(fā)電增益產(chǎn)生的影響，而是在綜合考慮各種影響發(fā)電量增益因素的情況下，分析雙面雙玻光伏組件的發(fā)電增益對光伏電站LCOE的影響。

圖4 不同價差及不同發(fā)電增益下采用雙面雙玻光伏組件時 光伏電站的LCOEFig. 4 LCOE of PV power station using bifacial glass PV modules under different price differences and different power generation capacity gains

從圖4可以看出，僅在雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差很大且雙面雙玻光伏組件的發(fā)電量增益很小的雙重條件下，單面光伏組件的經(jīng)濟性才能優(yōu)于雙面雙玻光伏組件。若雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差在0.05元/W以內(nèi)，即使雙面雙玻光伏組件無發(fā)電量增益，其老化衰減率優(yōu)勢也會使其表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟性。若雙面雙玻光伏組件的發(fā)電增益在1%以上，即使雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差達(dá)到0.1元/W，雙面雙玻光伏組件也是更為經(jīng)濟的選擇。

3 結(jié)論

本文以江蘇省啟東市某光伏電站為例，結(jié)合LCOE模型分析對比了該光伏電站分別采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時的經(jīng)濟性，主要結(jié)論如下：

1)計算LCOE時折現(xiàn)率的選擇對計算結(jié)果的影響較大，當(dāng)折現(xiàn)率選取為財務(wù)內(nèi)部收益率(FIRR)時，LCOE的測算結(jié)果即為該FIRR下光伏電站的LCOE。利用LCOE反算項目成本電價或進(jìn)行經(jīng)濟性比選時，建議折現(xiàn)率選用投資者預(yù)期的最低FIRR。

2)由于雙面雙玻光伏組件自身的老化衰減特性優(yōu)于常規(guī)單面光伏組件，在草地、水面等應(yīng)用場景下，雙面雙玻光伏組件的經(jīng)濟性均優(yōu)于單面光伏組件。在資金成本充裕的情況下，可以考慮選用雙面雙玻光伏組件來獲得更好的光伏電站投資收益率。

3)僅在雙面雙玻光伏組件與常規(guī)單面光伏組件的每瓦價差及雙面雙玻光伏組件的發(fā)電量增益均很小的條件下，常規(guī)單面光伏組件才具有一定優(yōu)勢。若這2種光伏組件的價差在0.05元/W以內(nèi)，即使不考慮雙面雙玻光伏組件的發(fā)電量增益，選用雙面雙玻光伏組件的收益率仍高于采用單面光伏組件時的收益率。

4)若雙面雙玻光伏組件相對于單面光伏組件的發(fā)電增益在1%以上，且在0.1元/W的價差下，選用雙面雙玻光伏組件可獲得更高的財務(wù)內(nèi)部收益率。考慮到雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的市場價差在0.1元/W以內(nèi)，且雙面雙玻光伏組件在大部分應(yīng)用場景下的發(fā)電增益均高于1%，因此建議將雙面雙玻光伏組件作為光伏電站的主流選型方案。