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        農(nóng)村家庭分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣模式研究

        2021-06-16 10:08:30蘇尤麗孫巖松
        大連大學(xué)學(xué)報 2021年2期
        關(guān)鍵詞:現(xiàn)值分布式收益

        蘇尤麗,孫巖松

        (新疆財經(jīng)大學(xué) 信息管理學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830012)

        一、引言

        光伏發(fā)電作為一種可再生的清潔能源,能有效緩解我國當(dāng)前的資源短缺問題,為解決環(huán)境污染提供了有效途徑。分布式光伏發(fā)電指在用戶側(cè)安裝太陽能電板以及光伏組件,將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能,是一種新型的新能源利用方式,能有效減少國家電網(wǎng)因遠途輸配電而造成的電力損失,減少相關(guān)的投資建設(shè)費用和維護費用。

        在光伏發(fā)電的實際應(yīng)用與推廣方面,國外學(xué)者研究較早,早期主要圍繞可行性進行分析,經(jīng)過多年的發(fā)展已驗證了在日光充足、日照時間長的地區(qū)發(fā)展分布式光伏發(fā)電可以帶來可觀的經(jīng)濟和社會效益[1-2]。目前的研究則在驗證了可行性的基礎(chǔ)上探討怎樣把效益擴大化,如Kirsten Ulsrud等人認(rèn)為,業(yè)務(wù)和經(jīng)濟可持續(xù)性是農(nóng)村光伏系統(tǒng)能否成功運作的核心,他借鑒了從印度向肯尼亞轉(zhuǎn)移太陽能微型電網(wǎng)的經(jīng)驗,研究了空間轉(zhuǎn)移戰(zhàn)略如何與當(dāng)?shù)亟?jīng)驗相結(jié)合,以促進創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過程業(yè)務(wù)[3-4];Ehsanul Kabira對太陽能發(fā)電的優(yōu)點及阻礙進行了分析,提出監(jiān)管政策框架要與太陽能發(fā)電未來前景之間做到有益互動[5]。國內(nèi)學(xué)者方面,溫澤坤等以江西5 kW家庭式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例分析了其環(huán)境與經(jīng)濟效益[6];郭躍飛以高平市野溝村為例對戶用分布式光伏扶貧模式進行分析,研究了光伏扶貧在經(jīng)濟、政治、社會、生態(tài)方面取得的成效和經(jīng)驗[7];張欣使用層次分析法、模糊綜合評價法對河北省廣宗縣分布式光伏發(fā)電項目綜合效益進行評價研究[8];張敦虎等人在采用平準(zhǔn)化度電成本模型(LCOE)的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了平準(zhǔn)化度電凈現(xiàn)值模型(LNPVE),分析了宜昌市漁峽口鎮(zhèn)村級光伏扶貧電站項目的經(jīng)濟可持續(xù)性[9]。

        綜上所述,目前國外學(xué)者對分布式光伏發(fā)電的研究主要集中在怎樣合理運營來獲得收益,國內(nèi)學(xué)者的研究則主要圍繞分布式光伏發(fā)電所能帶來的經(jīng)濟、生態(tài)等方面的效益。對于我國廣大農(nóng)村地區(qū)而言,光伏發(fā)電尚屬新鮮事物,購買、租賃等光伏系統(tǒng)推廣模式層出不窮,因此有必要對不同的推廣模式進行對比分析,找出所能帶來的效益上的不同,為光伏系統(tǒng)的推廣以及用戶的購買使用提供借鑒。

        二、研究內(nèi)容

        (一)國內(nèi)分布式光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

        伴隨著一系列光伏政策的出臺和光伏扶貧項目的落地,在過去的幾年中,我國的光伏發(fā)電裝機容量有了飛躍式的提高,由2012年的341萬kW提高到了2018年的17 400萬kW,其中主要集中在大型的地面光伏發(fā)電站,多建設(shè)在太陽能資源較豐富的西北地區(qū)。但是,由于西北地區(qū)地域廣闊,人口較少,經(jīng)濟發(fā)展水平相對較差,因此對新能源發(fā)電的消納能力不足,出現(xiàn)了棄光限電的現(xiàn)象[10-11]。而我國中東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較快,人口集中,對電力的需要量大,于是一些光伏企業(yè)開始推廣小型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

        在以往的政策中,我國的電網(wǎng)公司只吸收火電、水電等相對穩(wěn)定的常規(guī)電源,而分散的小型新能源發(fā)電由于發(fā)電量不穩(wěn)定、影響電力負荷預(yù)測準(zhǔn)確度等問題,想要并入電網(wǎng)的難度較大,普通家庭用戶購買小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的欲望很小。根據(jù)2017年的光伏新政,利用太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電的系統(tǒng),如果電壓不超過10 kV而且單個發(fā)電設(shè)備裝機容量不超過6 MW,就能免費的連接到國家電網(wǎng)。對于安裝的新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電,用戶可以選擇自用,也可以賣給國家電網(wǎng)獲取收益。目前我國的智能電網(wǎng)發(fā)展水平已達到世界前列,并且已覆蓋到縣市一級。

        (二)研究對象

        本文針對目前比較流行的三種光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣模式進行研究,分別討論不同的推廣模式下的經(jīng)濟效益,并對環(huán)境效益作總體研究,為光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣方式、用戶的模式選擇提供借鑒。

        隨著光伏技術(shù)的發(fā)展,光伏組件價格不斷下降,發(fā)電效率及使用壽命等大大提高,這為農(nóng)村家庭屋頂安裝小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)提供了條件。農(nóng)村地區(qū)嚴(yán)重依賴國家電網(wǎng)輸送電力,而華北地區(qū)工廠較多,電網(wǎng)壓力大,尤其到了夏季用電高峰時期,處于供電網(wǎng)末端的農(nóng)村地區(qū)經(jīng)常不得不拉閘限電,給農(nóng)村的生產(chǎn)生活帶來不便。家庭屋頂發(fā)電不僅可以方便居民生活用電,而且能夠給用戶帶來收益。此外,華北地區(qū)空氣污染嚴(yán)重,推廣小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),使用清潔能源供電,可減少當(dāng)?shù)囟趸肌⒍趸?、氮氧化物等污染物的排放,有效緩解環(huán)境污染。

        本文以河北省邢臺市為研究對象。邢臺市地處東經(jīng)114.48°,北緯37.07°,是我國太陽能資源三類地區(qū),太陽能電池板最佳安裝傾角為35°,最佳傾角下峰值日照時數(shù)為4.94 h[12]。表1為邢臺市峰值日照時數(shù)。年均峰值日照時數(shù)為4.28 h。

        表1 邢臺市峰值日照時數(shù)

        三、不同模式下發(fā)電收益分析

        目前國內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣模式主要有三種:(1)用戶全額購買光伏電板及組件,發(fā)電收益全部由用戶所得;(2)用戶貸款購買光伏電板及組件,用發(fā)電收益來償還貸款;(3)用戶提供自家屋頂,讓光伏發(fā)電系統(tǒng)免費裝在自家屋頂,發(fā)電收益由光伏發(fā)電公司所得,用戶每年可獲得分紅。光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝20年后,用戶獲得其所有權(quán),即20年后的發(fā)電收益由用戶所得。

        (一)全額購買

        太陽能與電能轉(zhuǎn)換公式如下:

        其中G為光伏系統(tǒng)的年均發(fā)電量;W為太陽能電池板安裝容量;H為最佳傾角下峰值日照時數(shù),取年平均4.28;η為光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率,考慮到當(dāng)前的技術(shù)條件、環(huán)境因素以及光伏企業(yè)和電站開發(fā)商等對光伏組件衰減率的要求,假設(shè)第25年光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率為80%,即η取值80%[13],則:

        其中n=25,x 為光伏發(fā)電每年降低的發(fā)電效率,約為0.008 9。以10 kW太陽能系統(tǒng)為例,光伏系統(tǒng)的首年發(fā)電量為15 449 kW。對于所發(fā)電量,用戶可選擇“全額上網(wǎng)”或者“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”。目前國家政策對分布式光伏發(fā)電采取單位電量定額補貼的方式,即對光伏系統(tǒng)的全部發(fā)電量都進行補貼,所以無論是自發(fā)自用電量還是余電上網(wǎng)電量均按同一標(biāo)準(zhǔn)獲得國家補貼。下面分別分析這兩種方式所能帶來的收益。

        1.全額上網(wǎng)

        全額上網(wǎng)是指所發(fā)電量全部并網(wǎng)賣給電網(wǎng)公司。邢臺地區(qū)的光能發(fā)電上網(wǎng)電價為0.36元,國家補貼為0.08元,一度電總收入為0.44元。發(fā)電收益計算公式為:

        其中,R為發(fā)電收益;P為度電總收入;C為發(fā)電量。以此計算,10 kW太陽能系統(tǒng)第一年發(fā)電收入為6 812.50元。前25年的發(fā)電量、發(fā)電收入如表2所示[14],25年的發(fā)電總收入為153 305.79元。

        表2 25年太陽能發(fā)電量及發(fā)電收入

        年份 發(fā)電效率/% 發(fā)電量/kW·h(年) 發(fā)電收入/元14 88.24 13 784 6 065.04 15 87.45 13 662 6 011.07 16 86.67 13 540 5 957.57 17 85.90 13 419 5 904.54 18 85.14 13 300 5 851.99 19 84.38 13 182 5 799.91 20 83.63 13 064 5 748.29 21 82.88 12 948 5 697.13 22 82.15 12 833 5 646.43 23 81.41 12 719 5 596.17 24 80.69 12 605 5 546.37 25 79.97 12 493 5 497.01

        2.自發(fā)自用、余電上網(wǎng)

        自發(fā)自用、余電上網(wǎng)是指所發(fā)電量一部分用戶自己使用,多余電量接入電網(wǎng)賣給電網(wǎng)公司。邢臺市執(zhí)行階梯電價,電價水平如表3所示:

        表3 河北省邢臺市階梯電價收費標(biāo)準(zhǔn)(居民生活用電部分,單位:元)

        從上表可以看出,無論是第幾檔的居民用電,其價格都要高過光能發(fā)電上網(wǎng)電價。將用戶使用自發(fā)電所節(jié)省下的電費算作收益,計算發(fā)電總收益,公式如下:

        當(dāng)居民每月用電為150 kW·h,每年用電1 800 kW·h時,需繳納電費936元。自發(fā)自用、余量上網(wǎng)模式下,用戶第1年可獲收益為1 800×0.52+(15 483—1 800)×0.36+15 449×0.08=7 097.8元,相比全額上網(wǎng),多出的部分為居民用電價格與光伏發(fā)電上網(wǎng)電價之間的差值,差值為285.3元。

        由此可見,因為居民用電價格要高于光伏發(fā)電上網(wǎng)電價,因此用戶應(yīng)盡可能的選擇“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式。此外,由于目前采用的是階梯電價,因此對于用電量較大的用戶來說,采用該模式能獲得更大的收益。

        除了經(jīng)濟效益外,采用自發(fā)自用、余額上網(wǎng)模式還能方便居民生活。鄉(xiāng)村電網(wǎng)或多或少都存在一些問題,斷電情況屢有發(fā)生,而自家的太陽能發(fā)電系統(tǒng)正好可以彌補國家電網(wǎng)的不足,保證電力的不間斷供應(yīng)。

        (二)銀行貸款

        根據(jù)邢臺市某光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)銷商報價,10 kW太陽能發(fā)電系統(tǒng)的價格為4萬元,用戶可以通過銀行貸款來全額購買光伏發(fā)電系統(tǒng),利用每年的發(fā)電收益來償還。目前銀行對貸款購買光伏發(fā)電系統(tǒng)所征收的年利率為7.8%。

        如果用戶選擇只償還利息,則每年需償還利息3 120元。全額上網(wǎng)情況下,10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期為12年。也就是說,從第12年開始,用戶即可還清所有本息。這其后的第13~25年間,用戶還可獲得34 881元的收入。

        自發(fā)自用、余量上網(wǎng)情況下,用戶每使用1 kW·h自發(fā)電,與并網(wǎng)相比,可多獲得0.16元的收益,多出的收益占上網(wǎng)電價的44.44%,明顯高于光伏系統(tǒng)貸款利率水平。因此,銀行貸款購買光伏系統(tǒng)模式下,依然建議用戶采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式。

        用戶將每年所有的發(fā)電收益全部用來償還本金和利息的情況下,收益如表4所示,剩余收益為97 278 元。因此建議用戶選擇將每年的發(fā)電收益全部用來償還本息。

        表4 貸款購買光伏發(fā)電系統(tǒng)收益(單位:元)

        (三)免費安裝

        以邢臺市某光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)銷商為例,用戶無需購買光伏發(fā)電系統(tǒng),可選擇提供自家屋頂用來安裝光伏發(fā)電系統(tǒng),這樣每年可獲得分紅1 500元。光伏系統(tǒng)建成運行20年后,用戶可獲得光伏系統(tǒng)的擁有權(quán)。當(dāng)前技術(shù)條件下,光伏系統(tǒng)的使用壽命可達到25年以上。以光伏系統(tǒng)的壽命周期為25年為例,在前20年獲得的總計3萬元的分紅以外,用戶還可獲得光伏系統(tǒng)第21~25年的發(fā)電收益。這5年間,總計可獲得28 000元的發(fā)電收益。與前面兩種途徑相比,選擇免費安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)收益較小,但是勝在用戶無需資本投資,這樣就降低了投資風(fēng)險。

        四、經(jīng)濟效益分析

        本研究針對邢臺市光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣進行討論,居民在考慮是否選擇安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時,主要關(guān)心其是否能夠帶來足夠的經(jīng)濟效益。其中凈現(xiàn)值(NPV)、和回收期(PBP)是經(jīng)濟影響評估中決定是否進行項目投資的關(guān)鍵[15]。

        (一)凈現(xiàn)值(NPV)

        凈現(xiàn)值(Net Present Value)是一項投資所產(chǎn)生的未來現(xiàn)金流的折現(xiàn)值與項目投資成本之間的差值。凈現(xiàn)值法是評價投資方案的一種方法。

        成本構(gòu)成:總資本投資(IC),累計年度運營和維護成本(A)

        凈現(xiàn)值計算公式如下:

        表5 凈現(xiàn)值

        25年的凈現(xiàn)值之和為108 238元,減去4萬元的初始資本投資,凈現(xiàn)值之和為68 238元,符合投資條件。

        (二)回收期(PBP)

        回收期(Pay-back Period)指所有利益的近期價值等于所有成本加上資本投資的近期價值的年份,回收期計算公式如下:

        由于本文中不考慮年度運營和維護成本,因此NPV(A)=0,

        公式可簡化為:

        結(jié)合表4、5分析可得,當(dāng)前補貼情況下全額購買和貸款購買10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期分別為7年和9年。

        五、補貼退坡機制下經(jīng)濟效益分析

        4月2日,國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策有關(guān)事項的通知》,從今年6月1日起,戶用分布式光伏補貼標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為每千瓦時0.08元。相較于2019年的光伏上網(wǎng)電價和補貼政策,“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的戶用分布式光伏補貼標(biāo)準(zhǔn)下調(diào)0.1元,降幅為55.5%。財政補貼上的壓力以及出于對光伏行業(yè)整體健康發(fā)展的考慮,光伏發(fā)電度電補貼不斷下降直至消失已成為大趨勢。下面模擬國家度電補貼為0、0.02、0.04、0.06、0.08元的補貼退坡情景下的發(fā)電收益,其他參數(shù)與前文一致,模擬結(jié)果如圖1所示:

        圖1 補貼退坡情景下發(fā)電收益仿真

        總體來看,隨著國家度電補貼的減少,居民安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)所得收益呈伴隨下降趨勢;當(dāng)補貼退至為0元(kW·h)時,每年的發(fā)電收益要比現(xiàn)有補貼水平0.08元(kW·h)下降1 000~1 200元。

        圖2為有補貼(0.08元/kW·h)和無補貼時10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)25年發(fā)電收益凈現(xiàn)值對比仿真:

        圖2 補貼退坡情景下發(fā)電收益凈現(xiàn)值對比仿真

        具體分析無補貼情況下發(fā)電收益凈現(xiàn)值,結(jié)果如表6所示:

        表6 無補貼情況下收益凈現(xiàn)值

        取消補貼后25年內(nèi)的發(fā)電收益凈現(xiàn)值為88 558元,減去4萬元的初始資本投資,凈現(xiàn)值之和為48 558元??梢婋m然取消補貼后發(fā)電收益下降幅度較大,但由于NPV>0,所以仍然具備投資價值。

        貸款購買10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)情況下,若無國家補貼,還本付息的時間將要增長,如表7所示,投資回收期為12年。以光伏系統(tǒng)25年為生命周期計算,還清本息后還可獲得收益63 562.34元。而如果用戶選擇只用發(fā)電收益償還利息的話,投資回收期要長達20年,且剩余回報僅為7 432元,收益幾乎可忽略不計??梢?,無國家補貼對貸款購買光伏系統(tǒng)的用戶影響較大。

        表7 無補貼情況下貸款購買光伏發(fā)電系統(tǒng)收益(單位:元)

        六、總結(jié)及建議

        (一)總結(jié)

        家庭屋頂太陽能發(fā)電不僅能給農(nóng)村地區(qū)人民帶來經(jīng)濟收益,還能推廣使用清潔能源,有效緩解環(huán)境污染。此外,太陽能發(fā)電系統(tǒng)的推廣使用能促進我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

        本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)不同推廣模式下用戶的收益進行了研究,研究結(jié)果表明,在光伏發(fā)電系統(tǒng)使用年限內(nèi),全額購買光伏發(fā)電系統(tǒng)與貸款購買相比可多帶來5~6萬元的發(fā)電收入;采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)能給用戶帶來更多的收益,用電量大的用戶安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)更為適合;取消國家補貼電價對貸款購買光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶影響較大。

        (二)建議

        在當(dāng)前仍有國家補貼的情況下,用戶收益較多,但過度依賴政府補貼不僅會給政府帶來財政上的負擔(dān),也不利于整個產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展,未來取消補貼、光伏發(fā)電平價上網(wǎng)的趨勢已不可避免。在此條件下,只有提高光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、實現(xiàn)技術(shù)上的創(chuàng)新、降低太陽能電池板及相關(guān)組件的價格,才能吸引更多的用戶加入到新能源發(fā)電的行列來。

        對于普通的農(nóng)村家庭來說,一次性拿出4萬元來購買光伏系統(tǒng)可能會較為勉強,并且在當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電還屬于新興事物,收益性暫不明朗。在推廣光伏發(fā)電時,企業(yè)可先采用模式三,在每個村級單位尋找示范用戶為其免費安裝光伏發(fā)電系統(tǒng),每年付給其租金,收益歸企業(yè)所有,但是發(fā)電量、發(fā)電收益等信息可向用戶公開,起到激勵作用。此外,如果取消國家補貼,對貸款購買光伏系統(tǒng)的用戶收益影響較大[16]。因此,在取消國家補貼的大趨勢下,應(yīng)該適當(dāng)降低光伏系統(tǒng)貸款利率。

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