全生命周期視角下農(nóng)村戶用光儲項目經(jīng)濟(jì)效益分析

毛維杰 喬新娜 王維軍

摘要：在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的環(huán)境背景下，積極推進(jìn)可再生能源的開發(fā)與利用得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。太陽能作為清潔能源之一，開發(fā)利用太陽能資源對調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義，因此分布式光伏具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。農(nóng)村地區(qū)豐富且閑置的屋頂資源為戶用光伏的推廣建設(shè)提供了前提條件?；诖?，本文主要梳理與分析戶用光伏系統(tǒng)的運(yùn)行模式，構(gòu)建戶用光伏成本效益計算模型，并通過算例計算四種戶用光伏運(yùn)行模式的經(jīng)濟(jì)效益，為農(nóng)村戶用光伏系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性評估和推廣發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：戶用光伏；運(yùn)行模式；效益

近年來，煤炭、石油和天然氣等化石能源的過度開采與利用，全球能源供應(yīng)日趨緊張，改變能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率、積極推動風(fēng)光等可再生能源的發(fā)展已成為各國應(yīng)對能源危機(jī)的重要措施，得到了社會各界的廣泛認(rèn)可。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的指引下，分布式能源以環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，成為越來越多發(fā)電企業(yè)和能源企業(yè)的選擇。光伏作為解決能源問題的有效方案之一，對改善電源結(jié)構(gòu)、落實(shí)碳減排目標(biāo)具有重要意義，發(fā)展前景廣闊。隨著近年來光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和國家補(bǔ)貼政策的變化，光伏組件的價格較過去有所下降，對用戶而言，光伏發(fā)電有了更高的投資價值。同時，農(nóng)村地區(qū)可利用眾多屋頂資源為戶用光伏的開發(fā)建設(shè)提供了良好條件，推廣屋頂光伏可實(shí)現(xiàn)豐富且閑置的屋頂資源開發(fā)，有利于農(nóng)村居民參與戶用光伏開發(fā)項目，為農(nóng)村增加就業(yè)、創(chuàng)業(yè)機(jī)會，提高農(nóng)村居民收入。目前，已有多省市出臺相關(guān)政策文件，明確要求在縣級地區(qū)推進(jìn)屋頂戶用光伏試點(diǎn)工作，為戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)提供補(bǔ)貼，促使戶用光伏項目的發(fā)展。

本文以戶用光伏系統(tǒng)在國內(nèi)外的快速發(fā)展為背景，提出適用不同場景的戶用光伏運(yùn)行模式。分析戶用光伏系統(tǒng)的成本與收益構(gòu)成，構(gòu)建成本效益計算模型，最后通過算例分析計算不同運(yùn)行模式戶用光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，通過敏感性分析驗證模型的有效性，為農(nóng)村地區(qū)屋頂光伏投資發(fā)展提供建議，以進(jìn)一步改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)可再生能源發(fā)展。

一、分布式戶用光儲系統(tǒng)運(yùn)行模式

目前，根據(jù)應(yīng)用場景，戶用光伏系統(tǒng)主要有四種運(yùn)行模式：

（一）模式一

模式一為光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，不配置儲能設(shè)備。光伏系統(tǒng)發(fā)電僅供居民用戶使用，夜間或光伏發(fā)電不足時考慮電網(wǎng)購電，光伏白天所發(fā)多余電能采取棄光處理。

（二）模式二

模式二為光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，不配置儲能設(shè)備。光伏系統(tǒng)發(fā)電僅供居民用戶使用，夜間或光伏發(fā)電不足時考慮電網(wǎng)購電，光伏白天所發(fā)多余電能并入電網(wǎng)。與模式一相比，模式二多余的光伏發(fā)電量可以接入電網(wǎng)，獲得賣電收益。此類光伏并網(wǎng)模式還要考慮大部分光伏發(fā)電上網(wǎng)對農(nóng)村配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響。

（三）模式三

模式三為光伏系統(tǒng)配置儲能設(shè)備，該場景光伏儲能系統(tǒng)的運(yùn)行方式為自發(fā)自用，剩余光伏所發(fā)電能存儲到儲能設(shè)備中，以供居民夜間用電。例如，光伏剩余電能高于儲能容量，可以采取棄光處理；夜間儲能電池余量或光伏發(fā)電不足時，可以考慮電網(wǎng)購電。

（四）模式四

模式四為光伏配置儲能系統(tǒng)，并采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的運(yùn)行方式。光伏所發(fā)電能優(yōu)先供給用戶使用，其次供給儲能裝置，最后剩余電能選擇上網(wǎng)，獲得售電收入。配置儲能可以存儲光伏發(fā)電，不但可以提高用戶消耗光伏發(fā)電的比例，還能緩解農(nóng)村配電網(wǎng)的光伏滲透壓力。

二、戶用光伏系統(tǒng)成本效益分析模型

（一）戶用光伏儲能系統(tǒng)成本分析

1.戶用光伏系統(tǒng)成本

農(nóng)村戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)成本主要包括前期設(shè)備投資成本和后期的運(yùn)行維護(hù)成本。戶用光伏系統(tǒng)設(shè)備投資成本如式1所示。

（1）

其中：表示光伏發(fā)電設(shè)備投資成本，表示單位功率光伏組件成本，表示光伏額定裝機(jī)容量，表示光伏系統(tǒng)逆變器單位功率成本，表示固定支架單位成本，表示固定支架數(shù)量。

戶用光伏系統(tǒng)運(yùn)維成本一般包括修理費(fèi)用、材料費(fèi)用和人工費(fèi)，具體如式2所示。

（2）

表示戶用光伏系統(tǒng)全壽命周期運(yùn)維成本，表示戶用光伏運(yùn)行年限，表示第年戶用光伏維修費(fèi)用，表示第年戶用光伏運(yùn)維單位功率材料費(fèi)用，表示第年運(yùn)維人工數(shù)量，表示第年運(yùn)維人員人均工資，表示貼現(xiàn)率。

2.儲能電池成本

儲能電池投資成本如式3所示。

（3）

其中：表示儲能裝置總成本，表示儲能電池額定容量，表示儲能電池單位容量成本，表示儲能電池額定功率，表示儲能電池單位功率成本。

3.電網(wǎng)購電成本

居民家庭在安裝戶用光伏系統(tǒng)后每年電網(wǎng)購電成本如式4所示。

（4）

其中，表示用戶第年電網(wǎng)購電成本，表示第年第天第時段用戶用電負(fù)荷需求，表示第年第天第時段光伏發(fā)電出力，表示第年第天第時段儲能電池出力，表示時間間隔，表示第年第天第時段對應(yīng)的居民電價。

（二）戶用光伏儲能系統(tǒng)收入分析

1.節(jié)約購電收入

居民安裝戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)后，光伏發(fā)電量能滿足一部分家庭日常用電，減少電網(wǎng)購電量，可以節(jié)約家庭電費(fèi)支出，故將用戶節(jié)約的電費(fèi)支出記為用戶的潛在收益。節(jié)約電網(wǎng)購電收入如式5所示。

（5）

其中，表示居民第年節(jié)約電網(wǎng)購電收入，表示居民在第年第天第時段減少的電網(wǎng)購電。

2.光伏上網(wǎng)收入

當(dāng)戶用光伏余電并入電網(wǎng)時，用戶可以賺取電網(wǎng)支付的光伏發(fā)電上網(wǎng)收益。戶用光伏余電上網(wǎng)收入計算公式如6所示。

（6）

其中，表示居民用戶屋頂光伏第年余電上網(wǎng)年收入，表示戶用光伏第年第天第時段并網(wǎng)功率，表示地區(qū)戶用光伏第年第天第時段發(fā)電上網(wǎng)電價。

3.光伏發(fā)電補(bǔ)貼收入

由于光伏發(fā)電可以有效降低二氧化碳排放，加速促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此政府會增加光伏發(fā)電項目的發(fā)電補(bǔ)貼。戶用光伏發(fā)電補(bǔ)貼收入如式7所示。

（7）

其中，表示戶用光伏發(fā)電的年補(bǔ)貼收入，表示度電補(bǔ)貼價格。

三、算例分析

（一）算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以某農(nóng)村居民家庭為例進(jìn)行計算，安裝容量為6kW的戶用屋頂光伏。如果配置儲能，要按照裝機(jī)容量的20%、充電時長為3h配置儲能設(shè)施，即儲能電池功率為1200W、容量為3600kWh。

光伏運(yùn)維費(fèi)用中人工費(fèi)為1萬元/年，維修費(fèi)在運(yùn)營期第1～5年內(nèi)為5元/kW.月，第6～10年為8元/kW.月，第11～25年為15元/kW.月，按照殘值率5%回收光伏設(shè)備固定資產(chǎn)殘值，戶用光伏與儲能電池基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

光伏發(fā)電量優(yōu)先提供給家庭日常用電負(fù)荷，在模式一中，不配置儲能，光伏發(fā)電量提供給用戶之外的剩余電能并入電網(wǎng)。模式二中，配置儲能設(shè)備，光伏發(fā)電量首先滿足用戶負(fù)荷需求，其次存儲至儲能電池中，電池滿電后光伏余電并入電網(wǎng)，戶用光伏各模式季節(jié)運(yùn)行情況，如表2所示。

可以看出，模式三與模式四由于配置了儲能設(shè)備，通過儲能電池存儲多余的光伏發(fā)電，能減少戶用光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量，光伏發(fā)電全年的自用比例由14.67%提升至26.85%，自用比例增長明顯。

（二）戶用光伏系統(tǒng)成本效益計算

在四種運(yùn)行模式下，前三年政府為戶用光伏發(fā)電提供補(bǔ)貼，度電補(bǔ)貼價格為0.3元/kWh，光伏上網(wǎng)電價為0.3元/kWh，運(yùn)行年限為25年，選取基準(zhǔn)收益率7%，根據(jù)仿真運(yùn)行情況，四種模式戶用光伏系統(tǒng)成本效益計算結(jié)果如表3所示。

從表中可以看出，模式一中，通過安裝戶用光伏儲能系統(tǒng)，居民家庭每年能通過光伏發(fā)電節(jié)約電網(wǎng)購電費(fèi)用865.32元，由于存在大量棄光，同時未配置儲能電池，系統(tǒng)的財務(wù)內(nèi)部收益率僅為4.42%，低于基準(zhǔn)收益率7%，不具備投資價值；模式二中，居民通過光伏上網(wǎng)，每年可獲3600.66元的余電上網(wǎng)收入，系統(tǒng)財務(wù)內(nèi)部收益率達(dá)29.24%，F(xiàn)NPV為36303.94，有良好的經(jīng)濟(jì)性；模式三中，配置儲能設(shè)備，家庭每年可節(jié)約電網(wǎng)購電費(fèi)用1916.52元，但系統(tǒng)內(nèi)部收益率僅為5.76%，這主要是該模式下存在較大比例棄光，能源效率較低；模式四中，家庭每年通過戶用光伏上網(wǎng)獲得3086.89元收益，每年減少電網(wǎng)購電費(fèi)用1986.95元，系統(tǒng)FIRR為18.62%，高于基準(zhǔn)收益率，有較好的投資可行性。

模式一與模式三經(jīng)濟(jì)效益較差的原因主要是光伏沒有并入電網(wǎng)，存在較大比例的棄光電量，但站在電網(wǎng)角度，這兩種模式均能有效降低分布式能源并確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，政府或企業(yè)可以考慮為這兩種模式提供相應(yīng)的補(bǔ)貼，以此提升經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)語

綜上所述，本文針對農(nóng)村地區(qū)戶用光伏的不同運(yùn)行模式，構(gòu)建戶用光伏系統(tǒng)成本效益分析模型，通過算例分析計算得出不同運(yùn)行模式下戶用光伏系統(tǒng)的成本及經(jīng)濟(jì)效益情況。同時，通過經(jīng)濟(jì)效益模型的構(gòu)建與計算，為戶用光伏在農(nóng)村地區(qū)的投資發(fā)展提供參考。

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作者簡介：毛維杰，高級工程師；喬新娜：助理工程師；王維軍，華北電力大學(xué)（保定校區(qū)），副教授。