李田珍，劉立勇，張良忠，韓宏偉，辛元慶，周 斌

(1. 青海天創(chuàng)新能源科技有限公司，青海 西寧 810003； 2. 青海省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，青海 西寧 810001)

0 前 言

隨著光伏發(fā)電高速發(fā)展，光伏電站的裝機(jī)容量也在逐年增加。但在這高速發(fā)展的背后，存在著一個不可忽視的核心問題，即光伏電站的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性情況，這也是企業(yè)在建設(shè)光伏電站時首要考慮的問題[1]。因此，對于發(fā)電經(jīng)濟(jì)性這個問題，不同的學(xué)者從不同的角度進(jìn)行分析和研究。

已有文獻(xiàn)用年現(xiàn)金流程分析法，是將光伏發(fā)電系統(tǒng)的全部投資換算成正常使用年限內(nèi)的年等值費用，計算小規(guī)模系統(tǒng)的單位供電成本，并和一般的能源系統(tǒng)進(jìn)行對比，研究提高光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和適用范圍的途徑，合理分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展前景。此方法的缺陷在于計算年有效發(fā)電量時范圍性因數(shù)比較多，而且有些量不太適合。最終的計算公式里面有太多的取值都是在某個范圍內(nèi)，對結(jié)果會造成很大的影響。以光伏組件的基礎(chǔ)物理特性為起點，結(jié)合影響組件正常輸出功率的各種因素，得到輸出功率修正估算的一種方法，進(jìn)而來預(yù)測光伏發(fā)電站的發(fā)電量。再通過發(fā)電量等相關(guān)數(shù)據(jù)，采用內(nèi)部收益率指標(biāo)與凈現(xiàn)值法對光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。此方法的缺陷在于計算光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益時所采用的公式太過復(fù)雜與繁瑣，導(dǎo)致計算量過大，不利于計算[2]。

通過結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的優(yōu)點，提出一套更為縝密，且計算量與計算過程不繁瑣的數(shù)學(xué)模型。在計算光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益時，討論了不含儲能系統(tǒng)和含儲能系統(tǒng)的光伏電站經(jīng)濟(jì)效益。

1 光伏電站發(fā)電量計算及投資

1.1 光伏電站發(fā)電量計算

1.1.1 考慮輻照度影響的組件輸出功率

太陽輻射日總量在傾斜面上的分量Ht[3]和日照小時數(shù)t決定了太陽輻照度E，二者的計算式分別為：

Ht=Hbt+Hdt+Hrt

(1)

E=Ht/t

(2)

式(1)中：傾斜面上的直接輻射量為Hbt；傾斜面上的散射輻射量為Hdt；傾斜面上的反射輻射量為Hrt。

根據(jù)太陽輻照度E[4]對組件的開路電壓、短路電流及填充因子FF的影響和填充因子FF的定義式，可得僅受輻照度影響的短路電流I1：

I1=I0E/E0

(3)

式(3)中：I0為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的短路電流；E0為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)1 000 W/m2。

只受輻照度影響的開路電壓V1為：

(4)

式(4)中，k=1.38×10-23J/K；T0=300 K；q=1.6×10-19C；V0為STC條件下的開路電壓。

假設(shè)STC條件下的組件峰值功率為P0，只受太陽輻照度影響的組件峰值功率為P1，由短路電流和開路電壓及峰值功率計算的填充因子FF為：

FF=P0/(I0V0)=P1/(I1V1)

(5)

由式(5)可得：

P1=I1V1FF

(6)

1.1.2 光伏組件輸出功率

根據(jù)式(6)考慮輸出功率會受組件溫度的影響，組件的溫度T[5]為：

T=Te+EdT/dE

(7)

式(7)中，環(huán)境溫度為Te；組件的溫度光強(qiáng)系數(shù)dT/dE，一般是30℃·m2/kW。

受輻照度和溫度共同作用的輸出功率P2為：

P2=P1+αc(T-25)

(8)

式(8)中，組件峰值功率溫度系數(shù)是αc；25是組件在STC條件下的溫度。

對輸出功率有影響的其他環(huán)境因子設(shè)為q，則單個組件只在環(huán)境因素影響下的輸出功率P為：

P=P2(1-q)

(9)

1.1.3 光伏電站發(fā)電量

采取過去平均氣候數(shù)據(jù)按逐月計算發(fā)電量，則太陽輻照度E、組件的溫度T、單個組件輸出功率P等數(shù)據(jù)均為每月日平均值。所以第i年j月單個組件輸出功率為Pj，日照小時數(shù)為tj，僅對單個組件計算，不計其他輸出損耗時，每月發(fā)電量為Wj=30Pjtj，12個月的總發(fā)電量為：

(10)

為了計算方便，假設(shè)各年發(fā)電量W1相等。如果考慮其他非環(huán)境因素對輸出功率的影響，那么設(shè)串并聯(lián)損耗為a，直流側(cè)線纜損耗為b，逆變器損耗為c，交流側(cè)線纜損耗為d，其他設(shè)備損耗為e，即總損耗修正系數(shù)η為：

η=(1-a)(1-b)(1-c)(1-d)(1-e)

(11)

組件的發(fā)電能力會隨組件的使用年限表現(xiàn)為指數(shù)衰減，若設(shè)1-γ0為組件第1年的光致衰減率，以后每年按γ衰減。那么第i年的單個組件年發(fā)電量Wi：

Wi=W1ηγ0(1-γ)i-1

(12)

假設(shè)光伏組件的使用壽命為25年，則使用年限的總發(fā)電量Hy為：

(13)

式(13)中，S為電站的光伏組件數(shù)量，式(13)為光伏電站發(fā)電量模型。

1.2 光伏電站的總投資與運行費用

1.2.1 光伏電站的總投資

單個光伏組件的總投資為：

Bc=PC0+A1PC0+A2PC0+A3PC0=

(1+A)PC0

(14)

則光伏電站的總投資為：

D=BcS=(1+A)PC0S

(15)

式(14～15)中，P為光伏組件單板輸出功率；C0為光伏電池每瓦的價格；A1為光伏組件陣列中控制器、逆變器的投資系數(shù)，A1=0.15～0.5；A2為光伏組件陣列中支架和電纜等輔助設(shè)施的投資系數(shù)，A2=0.05～0.25；A3為光伏組件陣列中的其費用(施工、運輸?shù)?的投資系數(shù)，A3=0.05～0.15；A為除去光伏組件陣列的總投資系數(shù)，A=A1+A2+A3，A=0.25～0.9。

1.2.2 光伏電站的單位(電量)運行費用

光伏發(fā)電系統(tǒng)25年總的運行費用為：

K=βPC0S

(16)

光伏電站單位運行費用計算模型：

(17)

式(17)中，β為光伏陣列的運行費用系數(shù)，β≈0.005～0.015；N為光伏電站的運行年限，N=25。

2 光伏電站經(jīng)濟(jì)效益計算

2.1 無儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益計算

單位供電成本與組件的價格、系統(tǒng)效率和輻射條件有關(guān)，是一項重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析指標(biāo)，綜合反映了影響供電成本的主要因素，并且將資金的時間因素也考慮了進(jìn)去。

為了方便計算并進(jìn)行研究，因此用電站發(fā)電成本相對于發(fā)電系統(tǒng)年等值費用的供電成本來表示，式(18)為光伏電站無儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)定量分析模型。

(18)

2.2 含儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益計算

將儲能系統(tǒng)的投資成本和運行成本換算為年等值費用，則儲能系統(tǒng)的單位成本為C[6]，包含了儲能系統(tǒng)單位投資成本C1[7]和單位運行維護(hù)成本C2，關(guān)系式如下：

(19)

式(19)中，Eb是儲能電池額定容量，CE是儲能電池單價，Pb是儲能電池額定功率，CP是功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本，r是貼現(xiàn)年數(shù)，i是使用年限。

C2=k×(EbCE+PbCp)

(20)

式(20)中，k是儲能系統(tǒng)的運行維護(hù)系數(shù)。

則儲能系統(tǒng)的單位成本為：

C=C1+C2

(21)

所以包含儲能系統(tǒng)的光伏電站系統(tǒng)的單位成本L為：

L=E+C

(22)

式(22)即為光伏電站含儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)定量分析模型。

3 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析及建模

儲能系統(tǒng)在削峰填谷的大環(huán)境下，需要明確各項經(jīng)濟(jì)參數(shù)，并建立相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型。電力市場的競爭環(huán)境十分激烈，電網(wǎng)公司不僅需要升級維護(hù)設(shè)備，增加電能的穩(wěn)定性，提高用電的安全性，還需要最大程度上節(jié)約電網(wǎng)的運行成本，減少升級改造的費用。儲能系統(tǒng)的特點是能夠快速進(jìn)行充電和放電，在電網(wǎng)低負(fù)荷時將電能儲存?zhèn)溆?，用電高峰期時釋放電能。儲能系統(tǒng)的使用，降低了輸配電網(wǎng)對容量的需求，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，有效延緩電網(wǎng)設(shè)備的升級擴(kuò)建，節(jié)約投資成本的同時，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的電能。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)系統(tǒng)不能承受用電負(fù)荷時，需要對其進(jìn)行升級改造，常規(guī)措施主要是升級改造變電站和配電線路，從而滿足日常生產(chǎn)生活的需求。如圖1所示為儲能系統(tǒng)用于配電網(wǎng)削峰填谷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

針對以下幾種情況，可以采用建設(shè)儲能系統(tǒng)的方式以延緩電網(wǎng)設(shè)備的改造升級：配電網(wǎng)高峰負(fù)荷增長速率較為平穩(wěn)；在一天當(dāng)中，負(fù)荷高峰期持續(xù)時間不長，且出現(xiàn)的時刻較為集中；投資改造電網(wǎng)設(shè)備的成本較高，儲能系統(tǒng)可以有效改善電網(wǎng)的供電效果；從環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)規(guī)劃等角度出發(fā)，不具備建設(shè)電路系統(tǒng)的客觀條件時，可以使用儲能系統(tǒng)解決電能的傳輸和存儲問題。

3.1 降低輸配電線路網(wǎng)損

在電網(wǎng)處于負(fù)荷低谷時，儲能系統(tǒng)會對電量進(jìn)行存儲，此時輸配電線路中相當(dāng)于多了一個負(fù)載，導(dǎo)致輸配電線路中的總體負(fù)載增加了，線路網(wǎng)損也會相應(yīng)增加。當(dāng)電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰期時，會釋放儲能系統(tǒng)中的電能，分擔(dān)了一部分電力系統(tǒng)發(fā)電和輸電的壓力。此時電路中的電流減小，有效降低了負(fù)荷高峰的峰值，減輕線路和變壓器的負(fù)擔(dān)，延長設(shè)備的使用壽命。

3.2 降低所需的備用容量

常規(guī)燃料作為不可再生能源，開采量十分有限，并且出于環(huán)境保護(hù)的考慮，對可再生能源的利用已經(jīng)成為一種趨勢，因此國家大力發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)。分布式發(fā)電涉及新能源的利用，然而目前新能源的使用技術(shù)尚未成熟，存在一定的危險性。分布式發(fā)電具有一定的隨機(jī)性，存在較多的不確定因素，為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對系統(tǒng)的備用容量有較高的要求。儲能系統(tǒng)可以靈活地滿足供電需求，在負(fù)荷低谷儲存電能，高峰釋放電能，是代替大容量備用容量設(shè)施的最佳選擇，極大的提高了系統(tǒng)的運行效率，節(jié)約電網(wǎng)的改造成本。

3.3 儲能系統(tǒng)投資成本分析

儲能系統(tǒng)在投入使用時，需要與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電池能量管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備配套使用，能夠調(diào)節(jié)電池的充放電功率，實現(xiàn)直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，最大限度地發(fā)揮儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢。電池能量管理系統(tǒng)可以有效控制電池的充放電過程，防止出現(xiàn)過充過放的情況，避免對電池造成損壞，增加電池的使用時間，降低投資成本。

4 結(jié) 語

本文用輸出功率修正和年現(xiàn)金流程分析法相結(jié)合的方法計算了光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位(電量)供電成本，式(18)為光伏電站經(jīng)濟(jì)定量分析模型，相比于已有文獻(xiàn)成果，要帶入的范圍性參數(shù)少，進(jìn)而計算結(jié)果所存在的誤差低，計算更方便。

對于那些經(jīng)濟(jì)落后、交通落后的偏遠(yuǎn)山區(qū)，相對于目前或長遠(yuǎn)來看，依靠遠(yuǎn)距離給分散的邊遠(yuǎn)地區(qū)送電在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。而且，遠(yuǎn)距離輸電不僅線損失大，由于氣候等的影響，線路故障也多。因此發(fā)展這些地區(qū)的光伏發(fā)電等綠色電力事業(yè)，光伏電站經(jīng)濟(jì)性是最為重要和突出的問題，用此模型在得出結(jié)果后，對于該地區(qū)修建光伏電站有很大的幫助。而且光伏電站對發(fā)展這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、文化也有重要的意義。