光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)模型的構(gòu)建研究

查俊吉

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司灌南供電分公司， 江蘇 連云港 223500）

0 引言

隨著我國對清潔可再生能源的重視，光伏發(fā)電迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇。但在項(xiàng)目規(guī)劃中，如何準(zhǔn)確評估光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益，是開發(fā)商和投資者面臨的關(guān)鍵問題。為支持光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，本文構(gòu)建了一個多因素考量的光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)模型。該模型不僅建立了精確的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，還給出了參數(shù)選擇和模型應(yīng)用的方案設(shè)計(jì)。經(jīng)過案例驗(yàn)證，該模型可以有效預(yù)測特定條件下光伏項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。

1 光伏技術(shù)發(fā)展概述

1.1 光伏產(chǎn)業(yè)的全球和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)地位

隨著全球?qū)稍偕茉吹娜找骊P(guān)注和環(huán)保意識的提高，光伏產(chǎn)業(yè)在全球和國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)地位逐漸上升。全球范圍內(nèi)，光伏發(fā)電已成為一項(xiàng)關(guān)鍵的清潔能源技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于居民、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球現(xiàn)有約5 000 座光伏電站，其中中國、日本、德國和印度是全球光伏產(chǎn)業(yè)的主要市場。光伏技術(shù)的快速發(fā)展推動了全球清潔能源轉(zhuǎn)型，也為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了新的動力。根據(jù)國際能源署的預(yù)測，到2030 年，全球光伏裝機(jī)容量將達(dá)到2 670 GW，屆時(shí)光伏發(fā)電將占全球電力生產(chǎn)的20%。這意味著光伏產(chǎn)業(yè)將成為未來全球能源轉(zhuǎn)型的重要支柱。在中國，根據(jù)中國可再生能源協(xié)會的預(yù)測，到2030 年，中國光伏裝機(jī)容量將達(dá)到120 GW，占全國電力裝機(jī)總量的10%。

光伏技術(shù)的發(fā)展始于19 世紀(jì)30 年代對光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。1839 年，法國科學(xué)家貝克勒爾首次觀察到光生伏特效應(yīng)。隨后，科學(xué)家亞當(dāng)斯、赫茲和馮·萊納德等人對光電效應(yīng)進(jìn)行了深入研究。1905 年，愛因斯坦成功解釋了光電效應(yīng)，奠定了光伏技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。20 世紀(jì)30 年代，人們開始嘗試制造太陽能電池。1954 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出效率約為6%的硅基太陽能電池，標(biāo)志著現(xiàn)代光伏技術(shù)的誕生。60 年代，各國陸續(xù)將光伏電池應(yīng)用于航天領(lǐng)域。隨后的幾十年里，隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率大幅提升，制造成本逐步降低，光伏技術(shù)得以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。目前，主流的光伏電池效率已達(dá)20%以上。在應(yīng)對氣候變化的背景下，光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，成為全球新能源領(lǐng)域的重要力量。2022 年，中國光伏產(chǎn)品出口額達(dá)512.5 億美元，同比增長80.3%，出口量占全球的41%。中國已成為全球最大的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)和出口國，對全球可再生能源發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。同時(shí)，中國國內(nèi)光伏發(fā)電量持續(xù)快速增長，2022 年增長30.8%，達(dá)到全國電力生產(chǎn)的4.9%。因此，無論是從全球還是國內(nèi)來看，光伏產(chǎn)業(yè)已成為中國經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。

中國政府高度重視光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺了一系列政策措施支持光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2009 年，中國政府提出了“光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化行動”，計(jì)劃到2020 年，中國光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到210 GW。2013 年，中國政府發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，明確了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和政策措施。

此外，中國政府還通過財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等措施鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，2010 年，中國政府出臺了《關(guān)于完善光伏發(fā)電價(jià)格政策的通知》，對光伏發(fā)電實(shí)行了0.42 元/kW·h 的財(cái)政補(bǔ)貼政策，有效期為20 a。2011 年，中國政府出臺了《關(guān)于分布式光伏發(fā)電實(shí)行按照全電量補(bǔ)貼政策的通知》，對分布式光伏發(fā)電實(shí)行了0.42 元kW·h 的財(cái)政補(bǔ)貼政策。

中國政府還通過制定標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)監(jiān)管等措施保障光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。例如2011 年，中國政府發(fā)布了《光伏發(fā)電工程施工規(guī)范》，對光伏發(fā)電工程的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)范。2015 年，中國政府發(fā)布了《光伏發(fā)電運(yùn)營管理辦法》，對光伏發(fā)電的運(yùn)營管理、安全管理、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)范。

1.2 光伏發(fā)電的成本結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電的成本包括光伏模塊成本、逆變器成本、安裝成本運(yùn)營與和維護(hù)成本，如圖1 所示。

圖1 光伏發(fā)電成本結(jié)構(gòu)

1.2.1 光伏模塊成本

1）原材料成本：主要由硅或其他半導(dǎo)體材料、導(dǎo)線、背板和封裝材料組成。其中，硅材料通常是成本中的主要部分，其價(jià)格與市場供求關(guān)系緊密相關(guān)。

2）生產(chǎn)加工成本：包括單晶、多晶硅片的制造、電池片的切割和組裝等過程。

3）技術(shù)更新及研發(fā)投入：隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率持續(xù)提高，這也意味著需要不斷地進(jìn)行技術(shù)更新和研發(fā)投入。

1.2.2 逆變器成本

1）主要組件成本：逆變器的核心部分，如功率模塊、控制板等。

2）技術(shù)與研發(fā)成本：為提高逆變器的效率和穩(wěn)定性，持續(xù)研發(fā)是必要的。

3）安裝與維護(hù)成本：逆變器的安裝通常需要專業(yè)人員，而其維護(hù)也是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1.2.3 安裝成本

1）人工成本：根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模、地理位置和安裝難度，人工成本會有所不同。

2）結(jié)構(gòu)與固定裝置：包括支架、螺栓和電纜通道等。

3）運(yùn)輸與物流：模塊、逆變器和其他組件從制造商到項(xiàng)目現(xiàn)場的運(yùn)輸成本。

1.2.4 運(yùn)營與維護(hù)成本

1）常規(guī)維護(hù)：包括清潔、部件檢查和故障診斷等。

2）部件更換：隨著時(shí)間的推移，某些部件可能需要更換，如逆變器、連接器等。

3）監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和分析也需要一定的成本。

4）保險(xiǎn)與管理：為防范不可預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)，如自然災(zāi)害、設(shè)備損壞等，保險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)管理是不可或缺的。

2 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)的方法與指標(biāo)

在評估光伏發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，有多種方法和指標(biāo)可供參考[1-2]。這些評價(jià)方法和指標(biāo)可以幫助投資者、開發(fā)商和政策制定者了解項(xiàng)目的財(cái)務(wù)收益，從而做出明智的決策。

2.1 現(xiàn)有的評價(jià)方法

在項(xiàng)目可行性和經(jīng)濟(jì)效益評估方面，各種方法有各自的應(yīng)用場景和局限性。成本效益分析（CBA）因其簡潔和直觀性常用于初級階段的篩選，尤其是當(dāng)有多個項(xiàng)目供選擇且預(yù)算受限時(shí)。然而，這一方法可能缺乏對金融和市場復(fù)雜性的全面理解。相對而言，財(cái)務(wù)模型分析是一種更高級、精密的手段，通過全面考慮現(xiàn)金流、貸款和稅收等因素，適用于項(xiàng)目進(jìn)一步的財(cái)務(wù)規(guī)劃。但這一方法通常更為復(fù)雜，需要特定的專業(yè)技能。敏感性分析則更注重風(fēng)險(xiǎn)評估，通過模擬關(guān)鍵參數(shù)（如電價(jià)、資本成本）的不同情景，幫助決策者識別項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和潛在問題。但這種分析可能忽視一些不容易量化或預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)因素。生命周期成本法提供了一種長期的評估框架，涵蓋從項(xiàng)目起始到結(jié)束的所有成本和收益。這不僅有助于全面評估，還能指導(dǎo)長期戰(zhàn)略。然而，這種方法也需要大量的數(shù)據(jù)和假設(shè)，且由于其時(shí)間跨度長，不確定性因素可能更多，如表1 所示。

表1 評價(jià)方法對比

2.2 經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵指標(biāo)

2.2.1 內(nèi)部收益率（IRR）

使項(xiàng)目的凈現(xiàn)值達(dá)到零的折扣率，即項(xiàng)目能夠達(dá)到的預(yù)期年回報(bào)率。當(dāng)IRR 超出項(xiàng)目的資本成本時(shí)，該項(xiàng)目通常被視為值得投資，具有潛在的盈利能力。在復(fù)雜的現(xiàn)金流情況下，IRR 可能有多個值，導(dǎo)致解釋上的困難。如果IRR 大于項(xiàng)目的資本成本k，則項(xiàng)目值得投資。

2.2.2 凈現(xiàn)值（NPV）

衡量的是未來現(xiàn)金流入的今天的價(jià)值與項(xiàng)目初始成本的差值。正的NPV（在公式中表達(dá)為VNP）意味著項(xiàng)目預(yù)期回報(bào)超出了投資，是一個有利可圖的投資。選擇何種折扣率可以有一定的主觀性，可能影響NPV 的計(jì)算結(jié)果。

式中：r 為折扣率；CF，t為現(xiàn)金流；t 為回收期；Co為初始投資。如果NPV 為正，則項(xiàng)目預(yù)期的回報(bào)超出了投資。折扣率r 的選擇可能是主觀的。

2.2.3 回收期（Payback Period）

回收期是指項(xiàng)目回收其最初的投資成本需要的時(shí)間長度。通常，回收期越短，項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)就越小。設(shè)CFt是每期的現(xiàn)金流，當(dāng)累計(jì)的現(xiàn)金流首次超過初始投資C0時(shí)，對應(yīng)的時(shí)間t 就是回收期。因此，回收期越短，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)越小，吸引力越大。但是不考慮回收期后的現(xiàn)金流。

2.2.4 項(xiàng)目盈利指數(shù)（Profitability Index，PI）

項(xiàng)目盈利指數(shù)是正NPV 與項(xiàng)目初始成本的比率。是一個規(guī)范化的指標(biāo)，用于比較不同規(guī)模項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目盈利指數(shù)（PI）越大，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益越好。由于基于凈現(xiàn)值（NPV），因此，折扣率的選擇會影響其結(jié)果。

3 構(gòu)建光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)模型

3.1 假設(shè)與約束條件

光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益假設(shè)如表2 所示，首先設(shè)定了固定投資成本，總額為1 200 000 美元。其中，包括了設(shè)備購買費(fèi)用約975 000 美元和人工安裝費(fèi)用約225 000 美元。考慮到操作和維護(hù)的重要性，設(shè)定了首年維護(hù)費(fèi)用基準(zhǔn)為15 000 美元，并預(yù)期這一費(fèi)用每年會有1.2%的增長。關(guān)于電力產(chǎn)量，估算初始的年度產(chǎn)電量為2.4 GW·h，但考慮到光伏板的性能衰減，預(yù)期每年的產(chǎn)電量會有0.5%的衰減。此外，還預(yù)測當(dāng)前電價(jià)為0.085 美元/（kW·h），以后每年會有2.7%的增長。

表2 構(gòu)建光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益假設(shè)

明確了財(cái)務(wù)上的限制，如表3，即總的投資不應(yīng)超過1 500 000 美元。地理因素也對電力產(chǎn)量有一定的限制，考慮到特定的地理位置和太陽輻照度，最大的年度產(chǎn)電量被設(shè)定為2.6 GW·h。技術(shù)方面的約束則表現(xiàn)為系統(tǒng)的最大效率為18.7%，這是基于當(dāng)前市場上可用的最新光伏技術(shù)得出的。

表3 約束條件

3.2 模型的數(shù)學(xué)表述

根據(jù)上述的假設(shè)以及約束條件，構(gòu)建光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)模型。

1）總投資成本（TIC，在公式中表達(dá)為CTI）：CTI=設(shè)備購買費(fèi)用+ 人工安裝費(fèi)用=975 000+225 000=1 200 000 美元。

2）第t 年的年度操作及維護(hù)成本（OMC，在公式中表達(dá)為COM，）t：COM，t=COM，t-1×（1+年度增長率）。COM，t=15 000 美元，且年度增長率為1.2%。

3）年度電力產(chǎn)量（EPC，在公式中表達(dá)為CEP）：第t 年的年度電力產(chǎn)量CEP，t=CEP，t-1×（1- 年度衰減率）。估算初始的年度產(chǎn)電量（CEP，）t為2.4 GW·h，且年度衰減率為0.5%。

4）年度電力收入（EPI，在公式中表達(dá)為IEP）：第t年的年度電力收入IEP，t=CEP，t×電價(jià)PE，t。電價(jià)PE，t=電價(jià)PE，t-1×（1+預(yù)期年度增長率），且預(yù)測當(dāng)前電價(jià)為0.085 美元（/kW·h）、年度增長率為2.7%。

5）年度凈收益（NPI，在公式中表達(dá)為INP）：第t年的年度凈收益INP，t=IEP，t-COM，t。約束條件為：CTI≤1 500 000 美元、CEP，t≤2.6 GW·h 和系統(tǒng)效率≤18.7%。

該模型考慮了光伏發(fā)電項(xiàng)目的主要經(jīng)濟(jì)因素，包括初始投資、操作和維護(hù)成本、電力產(chǎn)量和電價(jià)。通過計(jì)算NPV 來評估項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。正的NPV 意味著項(xiàng)目的預(yù)期回報(bào)超出了其成本。約束條件則確保了項(xiàng)目在財(cái)務(wù)、地理和技術(shù)方面都是可行的。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，需要知道折扣率r 和其他可能的經(jīng)濟(jì)參數(shù)。該模型可以進(jìn)一步擴(kuò)展，包括稅收、政府補(bǔ)貼以及融資成本等其他因素，可以更全面地評估項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。

3.3 主要參數(shù)的選擇與估計(jì)方法

在構(gòu)建光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)模型時(shí)，確保準(zhǔn)確選擇并估計(jì)關(guān)鍵參數(shù)是至關(guān)重要的。固定投資成本包括設(shè)備購買費(fèi)用和人工安裝費(fèi)用，通常是基于對多家供應(yīng)商的市場調(diào)研，并考慮項(xiàng)目的規(guī)模和需求而進(jìn)行的。操作及維護(hù)成本的估計(jì)，如初始年度維護(hù)費(fèi)用和年度增長率，旨在參考類似項(xiàng)目的歷史數(shù)據(jù)或咨詢行業(yè)專家，并基于通貨膨脹、材料成本變化和勞動力成本上漲等因素進(jìn)行預(yù)測。電力產(chǎn)量，特別是初始年度產(chǎn)電量和年度衰減率，是使用太陽輻照度數(shù)據(jù)、光伏板的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)規(guī)模以及基于光伏板生產(chǎn)廠商提供的性能保證數(shù)據(jù)來估計(jì)的。電價(jià)包括當(dāng)前電價(jià)和預(yù)期年度增長率，通常是從電力市場或供電公司獲取的，并考慮供求關(guān)系、政府政策和其他宏觀經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行預(yù)測。系統(tǒng)壽命通常參考光伏板和其他主要設(shè)備的生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)。而約束條件的參數(shù)，如預(yù)算上限、最大年度產(chǎn)電量和最大系統(tǒng)效率，則分別基于投資者或企業(yè)的財(cái)務(wù)狀況、地理位置、太陽輻照度以及技術(shù)限制來確定。在選擇和估計(jì)這些參數(shù)時(shí)，綜合各種信息來源，如市場調(diào)查、歷史數(shù)據(jù)、廠商資料和專家咨詢，是確保模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。

4 模型應(yīng)用

某新能源公司正在對A 縣建設(shè)一座10 MW 光伏發(fā)電站的可行性進(jìn)行評估。投資成本方面，該公司進(jìn)行市場調(diào)研，確定設(shè)備購買費(fèi)用約為750 萬元人民幣，安裝費(fèi)用約為200 萬元。運(yùn)維成本方面，根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)確定首年運(yùn)維費(fèi)用為12 萬元，并假設(shè)每年增長1.5%。電力產(chǎn)量方面，根據(jù)A 縣的日照資源情況，預(yù)計(jì)首年產(chǎn)電量約為1.8 GW·h，并且參考光伏電池衰減特性，假設(shè)年衰減率為0.8%。電價(jià)方面，該區(qū)域現(xiàn)階段的上網(wǎng)電價(jià)為0.65 元/（kW·h）。根據(jù)國家電價(jià)政策，預(yù)測未來5 年內(nèi)電價(jià)年增長率約為2%。投資限制方面，該公司預(yù)算總投資限制為1 000 萬元。

將以上數(shù)據(jù)代入模型，計(jì)算項(xiàng)目的預(yù)期凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率等指標(biāo)?；诮o定的信息和時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)項(xiàng)目周期為25 a，但主要關(guān)注前5 年，因?yàn)殡妰r(jià)政策預(yù)測是基于這5 年的。同時(shí)，將使用一個常見的折扣率r=8%來計(jì)算NPV。計(jì)算可得：

總投資成本=950 萬元。

年 度 運(yùn) 維 成 本COM，1=12 萬 元；COM，2=12 ×（1+0.015）=12.18 萬元；COM，3=12.18×（1+0.015）=12.36萬元。

年 度 電 力 產(chǎn) 量CEP，1=1.8 GW·h；CEP，2=1.8×（1-0.008）=1.785 6 GW·h；CEP，3=1.785 6×（1-0.008）=1.771 4 GW·h。

年度電力收入IEP，1=1.8GW·h×1000000 kW/GW×0.65 元/（kW·h）=117 萬元；IEP，2=1.785 6 GW·h×1 000 000 kW/GW×0.65 元/（kW·h）×（1+0.02）=118.385 萬元；IEP，3=1.771 4 GW·h×1 000 000 kW/GW×[0.65 元/（kW·h）×（1+0.02）]×（1+0.02）=119.793 萬元。

年度凈收益INP，1=117-12=105 萬元；INP，2=117.89-12.18=105.71 萬元。

項(xiàng)目的初始投資是950 萬元，但從第一年開始，年凈收益已超過100 萬元，并且這個收益在逐年上升，這意味著大約9～10 a 即可收回初始投資。電價(jià)預(yù)期的增長率（2%）高于電量的衰減率（0.8%），即使電力產(chǎn)量逐年減少，電力收入也會逐年增加。給定的投資限制為1 000 萬元，實(shí)際投資成本為950 萬元，這意味著公司還有一些預(yù)算余額，可以用于應(yīng)對未預(yù)期的費(fèi)用或?yàn)轫?xiàng)目增加一些額外的容量或特性。從上述分析中，我們可以得出結(jié)論，A 縣的光伏發(fā)電項(xiàng)目是可行的，預(yù)期的內(nèi)部收益率也可能超過給定的折扣率（8%），該項(xiàng)目具有吸引力。

5 結(jié)論

本文針對光伏發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益評估問題，構(gòu)建了一個考慮多方面因素的評價(jià)模型。模型綜合考慮了光伏項(xiàng)目的固定投資、運(yùn)維成本、電力產(chǎn)量和收入等因素，建立了數(shù)學(xué)表達(dá)式，并給出了主要參數(shù)的選擇和估計(jì)方法。該模型應(yīng)用于案例分析中，對一個具體光伏站點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行評估。結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)碾妰r(jià)政策和技術(shù)條件下，該示例項(xiàng)目是可盈利的。對光伏項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評估提供了一個較全面和實(shí)用的方法框架。該模型還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，例如，考慮政府補(bǔ)貼、稅收、環(huán)境和社會成本等因素，使用多場景分析等方式提高魯棒性，并增加模型的靈活性和適應(yīng)性。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確獲取各類參數(shù)的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，需要進(jìn)一步完善參數(shù)估計(jì)的方法。可以研發(fā)一個基于模型的決策支持系統(tǒng)，輔助項(xiàng)目規(guī)劃和投資決策。