張同賀，劉林忻，劉 津

（山東大學(xué)商學(xué)院，山東 威海 264209）

作為一種最具可持續(xù)發(fā)展特征的可再生能源開發(fā)技術(shù)，光伏發(fā)電在緩解我國能源緊張現(xiàn)狀與調(diào)整能源結(jié)構(gòu)方面具有獨特優(yōu)勢[1]。2018年4 月，工業(yè)和信息化部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運輸部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家能源局、國務(wù)院扶貧辦六部門印發(fā)了《智能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2018—2020年）》，支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展?，F(xiàn)階段，光伏發(fā)電已經(jīng)成為除火電外的第二大能源[2]。然而，由于土地資源、輸電成本等條件的限制，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展領(lǐng)域卻依然滯留在分布式光伏發(fā)電等傳統(tǒng)項目，近年來發(fā)電增長速度逐漸放緩[3]。光伏路面作為光伏產(chǎn)業(yè)的大膽創(chuàng)新與探索，是實現(xiàn)突破光伏發(fā)電發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)交通運輸、節(jié)能減排、安全行駛、道路養(yǎng)護、耕地保護高效整合與統(tǒng)一的最佳方案。

光伏路面是指將符合車輛通行條件的光伏發(fā)電組件鋪設(shè)在路面上，將路面升級為太陽能收集平臺，同時配備無人駕駛導(dǎo)航，移動無線充電以及加熱融雪等功能的新型路面[4-5]。2017年12 月，由齊魯交通發(fā)展集團投資建設(shè)，山東光實能源有限公司研發(fā)并承建的全國首例光伏路面于濟南西繞城高速落成，受到了社會各界的廣泛關(guān)注[6]。作為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和清潔能源產(chǎn)業(yè)相融合的一次嶄新的技術(shù)探索，首條光伏路面在2017—2019年3年的發(fā)展過程中質(zhì)疑聲不斷，能否實現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益成為討論的焦點?；诖?，本文將濟南西繞城高速光伏路面作為研究對象，利用實踐調(diào)研與已知的路面統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以全壽命周期理論為基礎(chǔ)，利用成本增量和效益增量對光伏路面的成本-效益進行分析，利用層次分析法對光伏路面綜合效益進行評價，并基于評價結(jié)果，給出光伏路面綜合效益的改進建議。

1 光伏路面成本增量分析

光伏路面全壽命周期成本主要由投資成本、運營成本、故障及失竊成本和廢棄成本構(gòu)成。

1.1 投資成本

相對于普通路面而言，光伏路面成本增量主要在初始投資上，費用構(gòu)成見圖1。

圖1 光伏路面投資增量費用構(gòu)成

根據(jù)以上費用由公式計算得出光伏路面項目的初始投資為

式中：Cdc為光伏電池成本；Ckn為控制器與逆變器成本；Cxd為蓄電池成本；Ctc為透光混凝土成本；Czc為支撐系統(tǒng)成本；Cpd為配電系統(tǒng)成本；Clx為其他費用，其包括運輸費用。

1.2 運營成本

運營階段是光伏路面全壽命周期從建成到報廢的整個過程，按照首條光伏路面制定的標(biāo)準(zhǔn)，為10～15年。運營方案會極大地影響項目成本，此階段產(chǎn)生的費用主要有基本的日常維護、保養(yǎng)費用，包括對光伏元件的維護及保養(yǎng)、路面清潔產(chǎn)生的人工費、材料費等。

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)研究來看，目前光伏路面的運營費用相對較低，所以可以取一定的費率進行計算，公式為

式中：Po為運營成本；Pi為投資成本；Ro為光伏路面的運營費率。

1.3 故障及失竊成本

光伏路面作為一項新興科技，其在面臨故障的同時也會出現(xiàn)失竊現(xiàn)象，從而會造成成本損失，具體細(xì)分見圖2。

圖2 光伏路面故障及失竊成本

第t年的故障及失竊成本為

式中：Pf（t）為第t年的故障及失竊成本；Pfi為逆變器故障成本；Pfc為匯流箱故障成本；Pfs為并網(wǎng)設(shè)備故障成本；Pfm為通信故障成本；Pfb為電池組件故障成本；Pft為路面失竊成本。將其進行折現(xiàn)，現(xiàn)值為

式中：Pf（0）為故障及失竊成本的現(xiàn)值；r 為利率。

1.4 廢棄成本

廢棄成本是由固定資產(chǎn)殘值與處置廢棄設(shè)備所產(chǎn)生的費用相抵消后的數(shù)值，表示為

式中：Pd為廢棄成本；CD 為處置廢棄設(shè)備的費用；R 為固定資產(chǎn)殘值。

折現(xiàn)得到

式中：Pd（0）為廢棄成本現(xiàn)值。

綜合以上分析，可以計算得到光伏路面的增量總成本，為

2 光伏路面效益增量分析

2.1 直接經(jīng)濟效益

光伏路面目前的主要經(jīng)濟效益取決于年發(fā)電量。此外，為了更好地促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家對于光伏發(fā)電等新能源開發(fā)行業(yè)給予財政補貼與稅收優(yōu)惠[7]。

所以，光伏路面的直接經(jīng)濟效益可以表示為

式中：B1為光伏路面的直接經(jīng)濟效益；Pe為并網(wǎng)電價，元/kWh；Lf為年發(fā)電量，kW·h/年；t 為光伏路面發(fā)電運營期，年；Ib為政府補貼收入；Itax為政府稅收優(yōu)惠。

在此，本文以目前0.55 元/kW·h 計算電價，假設(shè)光伏路面年發(fā)電量為100萬kW·h，則去除路面設(shè)施用電與加熱融雪用電等，80萬kW·h 并入電網(wǎng)，則直接經(jīng)濟效益可達(dá)45萬元。

同時，80萬kW·h 電可減少32萬t 煤的消耗，也會減少高速公路偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)距離輸電的成本及電量損耗。根據(jù)目前國家的脫硫補貼以及其他政策，試驗段光伏路面的年直接經(jīng)濟效益可達(dá)近100萬元。而對應(yīng)的同等面積的農(nóng)田或高速公路，其年收益僅1萬元左右。

2.2 預(yù)期經(jīng)濟效益

2.2.1 預(yù)期經(jīng)濟效益分析方法

1） 凈現(xiàn)值。凈現(xiàn)值是投資項目資金流入的現(xiàn)值與資金流出的現(xiàn)值之差。具體公式為

式中：NPV 為光伏路面的凈現(xiàn)值，元；Rt為t 時刻資金凈流入，元；i 為基準(zhǔn)利率，對于新能源項目可取5%。

2） 內(nèi)部收益率。內(nèi)部收益率是投資項目在整個時期內(nèi)每年的資金凈流入現(xiàn)值累積和為0 時的利率。具體公式為

式中：IRR 為光伏路面內(nèi)部收益率，%；Rt為t 時刻資金凈流入，元。

3） 投資回收期。項目凈收益累計達(dá)到項目靜態(tài)投資成本的這段時間是投資回收期。具體公式為式中：T 為投資回收期，年；t 為累計凈現(xiàn)金流量為正值的年數(shù)；Rt為第t年全部投資凈現(xiàn)金流量；為前t-1年累積凈現(xiàn)金流量的絕對值。

當(dāng)T 的計算值小于基準(zhǔn)回收期Tc時，說明該光伏路面的投資成本可以按期回收。

2.2.2 預(yù)期經(jīng)濟效益分析結(jié)果

在項目計算期內(nèi)考慮到資金的時間價值，光伏路面的經(jīng)濟可行性以凈現(xiàn)值的判斷為標(biāo)準(zhǔn)。

1） 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，不考慮補貼及稅收優(yōu)惠時，通過以上凈現(xiàn)值和投資回收期計算公式，試驗段光伏路面的靜態(tài)投資回收期為18.9年，而凈現(xiàn)值NPV 為-35.67萬元，表明在沒有補貼、稅收優(yōu)惠條件下，光伏路面經(jīng)濟上不具有可行性。

2） 若根據(jù)國家對于2017年12 月31日前投入使用的光伏項目發(fā)電補貼0.42 元/kW·h 計算時，且增值稅減半按8.5%考慮，試驗段項目的靜態(tài)投資回收期為11.84年，凈現(xiàn)值NPV 為1.12萬元，光伏路面在經(jīng)濟上具有可行性。

2.3 社會效益

2.3.1 對能源結(jié)構(gòu)的影響

目前我國發(fā)電形式仍然以火電為主，燃料主要使用煤炭。由于我國長距離跨區(qū)域輸送電力的難度較大，因此各區(qū)域在電網(wǎng)形式較落后、超高壓輸送線路較少的現(xiàn)狀下通常采用就地發(fā)電、就近使用的模式[8]。長距離的電力輸送與煤炭運送不僅增加了我國交通運輸方面的壓力，在途中還造成了能源的巨大損耗。為應(yīng)對上述問題，我國需要尋求更加多樣化的能源供給途徑，而經(jīng)多方比對發(fā)現(xiàn)，太陽能在安全獨立能源中具有取之不盡用之不竭的特性，因此其成為我國能源供給的最佳選擇[9]。光伏路面的普及將滿足居民日常用電需求，從而降低火電發(fā)電比例。

2.3.2 對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響

隨著新舊動能轉(zhuǎn)換的逐步推進，我國的能源結(jié)構(gòu)亟須調(diào)整，首當(dāng)其沖的是電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。目前，成熟化和規(guī)?；墓夥l(fā)電技術(shù)給我國傳統(tǒng)電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型帶來了挑戰(zhàn)，并進一步促使電力企業(yè)原有的發(fā)電、銷電、售電模式進行革新[10]。光伏發(fā)電較傳統(tǒng)火力發(fā)電形式更具資源節(jié)約、綠色清潔的優(yōu)點，具有較高的節(jié)能減排效益。因此，作為光伏發(fā)電的創(chuàng)新形式，光伏路面發(fā)電與傳統(tǒng)供電方式相比，維護成本更低、安全性能更高，有望成為綠色電網(wǎng)發(fā)展的契機，可解決西電東送難題。

2.3.3 對就業(yè)崗位的影響

在我國對光伏行業(yè)的大力支持下，光伏企業(yè)的發(fā)展規(guī)模不斷擴大，帶動社會就業(yè)率的提高。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1 MW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝工作至少需要30 個勞動力。光伏路面的發(fā)展將會創(chuàng)造內(nèi)需市場，增加上百萬的就業(yè)崗位，涉及光伏的安裝、產(chǎn)品研發(fā)等高技能職業(yè)，對經(jīng)濟增長的促進作用較強。

雖然無法直接計算光伏路面對于能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和就業(yè)的影響，但是其皆與GDP 增長相關(guān)聯(lián)，因此，每kW·h 電力創(chuàng)造的社會效益可用電力平均價值PGDP（GDP/年發(fā)電量） 來估量，計算公式為

式中：B2為光伏路面的社會效益；PGDP為電力的平均價格，元/kW·h；Lf為年發(fā)電量，kW·h/年；t 為項目運營期，年。

2.4 環(huán)境效益

2.4.1 能源節(jié)約效益

由于煤炭發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換率較高，長期以來燃煤多為火電廠所消耗。據(jù)統(tǒng)計，大約每400 g 標(biāo)準(zhǔn)煤能產(chǎn)生1 kW·h 的電量，2018年全國1/5 的煤炭產(chǎn)量用于火電廠發(fā)電，累計耗煤量達(dá)5 億t[10]。當(dāng)不消耗石化等資源的光伏發(fā)電逐漸取代傳統(tǒng)火力發(fā)電時，我國煤、氣資源的需求也逐步下降。

2.4.2 減排效益

傳統(tǒng)的火力發(fā)電將產(chǎn)生CO2，SO2等大量溫室氣體，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害，而太陽能作為地球上最清潔的能源之一，在發(fā)電過程中具有較強的環(huán)境友好性。相關(guān)研究表明，火力發(fā)電將產(chǎn)生較高的污染物排放，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 火力發(fā)電污染物排放量 （kg/t）

對減排效益進行評價時，使用發(fā)電污染排放物的處理標(biāo)準(zhǔn)價值進行計算，光伏發(fā)電的減排效益即為燃煤電廠的環(huán)境成本費用。依據(jù)我國現(xiàn)行環(huán)保稅征收標(biāo)準(zhǔn)（見表2），得出污染物的環(huán)境成本。

表2 污染物環(huán)保稅征收標(biāo)準(zhǔn)值 （元/kg）

據(jù)統(tǒng)計，以發(fā)電廠為例，每發(fā)一度電，就相應(yīng)消耗0.4 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，同時產(chǎn)生了SO20.03 kg，CO21 kg，NOX0.02 kg 以及碳粉塵0.27 kg。據(jù)此對試驗段光伏路面做出以下推算：試驗段光伏路面每年100萬kW·h 的發(fā)電量，相當(dāng)于減少997萬t 的CO2的排放量，等效標(biāo)煤消耗40萬t。據(jù)調(diào)查顯示，在試驗段鋪設(shè)完成后，2018年1 月1日—5日，4 天的累計發(fā)電量為3543.6 kW·h。如果將發(fā)電量轉(zhuǎn)化為社會貢獻(xiàn)，則4 天利用的太陽能相當(dāng)于少燃燒1420 t 煤，減排3500 t CO2，種200 棵樹（見圖3）。

圖3 光伏路面環(huán)保效益圖示

2.4.3 水資源效益

光伏路面發(fā)電相對傳統(tǒng)發(fā)電具有較好的水資源效益。一方面，燃煤電廠會排放含有大量有機物、鹽類和重金屬等的鍋爐酸洗水，會對河流及海洋造成污染。另一方面，冷卻電機組也會消耗大量淡水資源。相比之下，光伏發(fā)電脫離了對水的需求，既減少了環(huán)境污染，也節(jié)約了水資源[11]。

綜合以上分析，光伏路面的環(huán)境效益可用以下公式進行計算，即

式中：B3為光伏路面的環(huán)境效益；∑VpPp為每1 kW·h 火電產(chǎn)生的環(huán)境成本，元；Vw為每1 kW·h火電所消耗的水量，噸；Pw為水的價格，元/kg；Vm為每1 kW·h 火電所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤，噸；Pm為標(biāo)準(zhǔn)煤的價格，元/噸；Lf為年發(fā)電量，kW·h/年；t為光伏路面發(fā)電的運營期，年。

綜上所述，光伏路面的總效益增量為

3 光伏路面綜合效益評價

3.1 綜合效益評價方法——層次分析法

本文利用層次分析法，從經(jīng)濟、社會和環(huán)境3 個方面評價光伏路面綜合效益。

層次分析法是Saaty 教授提出的一種評價方法，可用于確定相聯(lián)系的定量因素及定性因素在多層次、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的權(quán)重關(guān)系[12]。

該方法主要步驟如下。

1） 建立判斷矩陣。對探究的問題與已劃分的層級，確定各層級中不同變量之間的聯(lián)系，并在同一層級中將各變量進行兩兩對比，根據(jù)比例尺度表將相對重要性進行量化，建立判斷矩陣。

由判斷矩陣表3 構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣A=[Aij]n×n，其中aij＞0，aij=1/aij，且aij=1，該矩陣為正互反矩陣。

表3 判斷矩陣表

對本文研究的指標(biāo)比較得到的判斷矩陣表，見表4～表7。

表4 第一層（綜合效益）

表5 （第二層）直接經(jīng)濟效益

表6 （第二層）社會效益

表7 （第二層）環(huán)境效益

2） 求解判斷矩陣及一致性檢驗

a） 計算判斷矩陣每一行的乘積

b） 計算Ti的n 次方根

Wi即為Ai（i=1，2，…，n） 的權(quán)重。

d） 計算最大特征根

e） 一致性檢驗

CI 值可以表示判斷矩陣的一致性，CI 值越小，一致性越好。Satty 根據(jù)多個隨機選取的判斷矩陣樣本計算得出了一致性指標(biāo)CI 值的平均值，記作RI值（見表8），用于滿意一致性檢驗[13]。

表8 1～9 階矩陣的RI 值

一致性比例的計算公式為當(dāng)CR＜0.1，則滿足一致性，否則不滿足，需重新構(gòu)建判斷矩陣，直到CR＜0.1。

3.2 綜合效益評價結(jié)果

表9 顯示了由層次分析法計算得到的綜合效益各層權(quán)重。根據(jù)權(quán)重結(jié)果，通過調(diào)研數(shù)據(jù)可以計算出光伏路面的綜合效益數(shù)值為7.837，其表示效益所屬等級為較好，說明在全面考慮經(jīng)濟、社會和環(huán)境三大效益的情況下，光伏路面具有較好的綜合效益。同時，由經(jīng)濟效益評價結(jié)果可知，只有在同時考慮政府補貼和政府稅收優(yōu)惠的前提下，光伏路面才在經(jīng)濟上具有可行性。

表9 綜合效益指標(biāo)各層權(quán)重

4 結(jié)論

本文以全壽命周期理論為基礎(chǔ)，利用成本增量和效益增量進行光伏路面的成本-效益分析，利用層次分析法對光伏路面發(fā)電效益進行評價。主要結(jié)論有以下4 個方面。

1） 從全生命周期的角度看，光伏路面的成本主要由投資成本、運營成本、故障及失竊成本和廢棄成本構(gòu)成。一是通過技術(shù)改進與原材料創(chuàng)新可以降低投資成本；二是通過降低投資成本與運營費率可以減少運營成本；三是通過強化路面運營監(jiān)管可以降低故障及失竊成本；四是通過優(yōu)化逆供應(yīng)鏈則可以減少廢棄成本。

2） 光伏路面具備良好的社會效益與環(huán)境效益。在社會效益方面，光伏路面可以改善能源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，同時創(chuàng)造一定的就業(yè)崗位。在環(huán)境效益方面，光伏路面可以實現(xiàn)能源節(jié)約，減少污染物排放和水資源消耗。數(shù)據(jù)顯示，試驗段光伏路面4 天的累計發(fā)電量相當(dāng)于1420 t 煤的發(fā)電量。

3） 在光伏項目發(fā)電補貼0.42 元/kW·h，增值稅減半按8.5%的條件下，試驗段光伏路面的靜態(tài)投資回收期為11.84年，凈現(xiàn)值NPV 為1.12萬元。因此，在考慮補貼與稅收優(yōu)惠的情況下，光伏路面在經(jīng)濟上具有可行性。

4） 從總體上看，利用層次分析法構(gòu)建光伏路面綜合效益評價指標(biāo)體系，通過計算得出光伏路面的綜合效益數(shù)值為7.837，說明光伏路面效益所屬等級為較好，在全面考慮經(jīng)濟、社會和環(huán)境三大效益的情況下，光伏路面具有較好的綜合效益。

5 討論

光伏路面作為光伏產(chǎn)業(yè)與高速公路基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)疊加融合的大膽創(chuàng)新與探索[14]，具有良好的社會環(huán)境效益，但經(jīng)濟可行性才是一切產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力?；诖?，通過對光伏路面成本與效益的分析，筆者認(rèn)為進一步提升光伏路面綜合效益的方式有以下5 種。一是政府發(fā)揮其主觀能動的導(dǎo)向作用，加大光伏路面領(lǐng)域財政投入，創(chuàng)造有利的政策環(huán)境，促進形成良好的企業(yè)融資平臺。同時完善產(chǎn)業(yè)上下游鏈，形成產(chǎn)業(yè)配套，降低生產(chǎn)成本。二是企業(yè)加大技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)力度，大力解決現(xiàn)存的技術(shù)問題，例如：如何實現(xiàn)受壓性能更強的光伏面板、如何增加光伏路面的摩擦系數(shù)等。三是推動形成產(chǎn)業(yè)集群，消除技術(shù)壁壘，把光伏路面全產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展作為共同目標(biāo)。四是根據(jù)現(xiàn)有的高速公路收費標(biāo)準(zhǔn)，制定光伏路面的收費標(biāo)準(zhǔn)，以解決前期投入大，成本回收慢的問題。五是基于現(xiàn)行的逆供應(yīng)鏈技術(shù)，制定以逆供應(yīng)鏈為核心的光伏路面再生產(chǎn)方案，降低廢棄成本。

本文將山東濟南首條光伏路面作為研究對象，分析了光伏路面的成本與效益，并根據(jù)研究結(jié)果提出了一定的發(fā)展建議。但仍然存在以下不足，一是試驗段光伏路面自開通以來除失竊外，還存在很多技術(shù)上的問題，筆者由于專業(yè)限制未能集中展開討論，因此，光伏路面的發(fā)展技術(shù)是值得相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者進一步研究的方向；二是在前文中也提到，光伏路面除發(fā)電外，可以實現(xiàn)自動加熱融雪、無人駕駛導(dǎo)航等功能，預(yù)示著未來智能交通的發(fā)展方向[15-16]，值得進一步闡述和研究。