李辛陽，高 陽

(河南省機場集團有限公司，鄭州 451161)

0 引言

能源是現(xiàn)代社會存在和發(fā)展的基石，而當(dāng)前隨著綠色經(jīng)濟的深入人心和碳排放交易的推行，新能源的利用，尤其是太陽能的利用，得到了大力發(fā)展。根據(jù)國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：截至2021年4月底，我國太陽能發(fā)電的裝機容量已達2.6億kW。而光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電的一種重要形式，是近年來發(fā)展最快、最具經(jīng)濟潛力的新能源利用形式。我國多家樞紐機場，如深圳寶安國際機場、杭州蕭山國際機場、北京大興國際機場均先后啟動了光伏發(fā)電項目。本文在闡述了光伏發(fā)電項目的類型及其典型并網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上，介紹了目前國內(nèi)外樞紐機場光伏發(fā)電項目的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對樞紐機場光伏發(fā)電項目進行了全生命周期的效益計算。

1 光伏發(fā)電項目的類型及典型并網(wǎng)方式

按照建設(shè)模式不同，光伏發(fā)電項目可分為集中式光伏發(fā)電項目和分布式光伏發(fā)電項目2類。其中，不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電項目的并網(wǎng)電壓等級也不同。根據(jù)QGDW 1480—2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電項目推薦的并網(wǎng)電壓等級如表1所示。

表1 不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電項目推薦的并網(wǎng)電壓等級Table 1 Recommended grid-connected voltage levels of distributed PV power generation projects with different installed capacity

根據(jù)投資運營主體和結(jié)算對象不同，光伏發(fā)電項目的運營模式可分為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式、全額上網(wǎng)運營模式及合同能源管理運營模式這3種[1]。

光伏發(fā)電的并網(wǎng)方式可分為并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的并網(wǎng)方式和并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的并網(wǎng)方式。

1)并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的并網(wǎng)方式。典型的并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的設(shè)計方案如圖1所示。

此種設(shè)計方案適用于采用全額上網(wǎng)運營模式的光伏發(fā)電項目。對于樞紐機場光伏發(fā)電項目而言，若采用此種設(shè)計方案，則說明并網(wǎng)點與產(chǎn)權(quán)分界點一致，光伏發(fā)電系統(tǒng)與樞紐機場電網(wǎng)相互獨立。

圖1 典型的并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的設(shè)計方案Fig.1 Design scheme of typical grid connection point connecting to public grid

2)并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的并網(wǎng)方式[2]。典型的并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 典型的并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的設(shè)計方案Fig.2 Design scheme of typical grid-connected point connecting to user power grid

此種設(shè)計方案適用于采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和合同能源管理運營模式的光伏發(fā)電項目。對于樞紐機場光伏發(fā)電項目而言，若采用此種設(shè)計方案，不會改變用戶與公共電網(wǎng)之間的產(chǎn)權(quán)分界點，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入樞紐機場電網(wǎng)內(nèi)。

2 國內(nèi)外樞紐機場光伏發(fā)電項目的應(yīng)用現(xiàn)狀

深圳寶安國際機場于2012年啟動其光伏發(fā)電項目，由中廣核太陽能開發(fā)有限公司分2期投資建設(shè)，總投資額約為1.8億元。該項目為分布式光伏發(fā)電項目，裝機容量為20 MW，光伏組件主要安裝于物流園區(qū)及機場貨站樓的屋頂，占用屋頂?shù)目偯娣e約為14.3萬m2。該項目采用并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及合同能源管理的運營模式。截至2021年初，該項目的年均發(fā)電量約為1500萬kWh。

杭州蕭山國際機場于2016年啟動其光伏發(fā)電項目，采用公開招標(biāo)的方式，以電價折扣力度為標(biāo)準(zhǔn)選擇合作方。該項目為分布式光伏發(fā)電項目，截至2021年3月，項目的裝機容量為6.57 MW；光伏組件主要安裝在機場貨站樓、宿舍樓、順豐物流園及蓄車樓的屋頂。該項目采用并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及合同能源管理的運營模式。截至2021年初，該項目的年均發(fā)電量約為800萬kWh。

北京大興國際機場于2019年啟動了其北一跑道分布式光伏發(fā)電項目，由中國能源建設(shè)集團北京電力建設(shè)有限公司建設(shè)，該項目的裝機容量為2 MW，光伏組件主要布置在跑道周邊的空地上。該項采用并網(wǎng)點接入用戶側(cè)電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運營模式。該項目25年的年均發(fā)電量預(yù)計為220萬kWh。

光伏發(fā)電在國外樞紐機場也得到了廣泛應(yīng)用。馬來西亞吉隆坡國際機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為19 MW，其25年的年均發(fā)電量預(yù)計約為2.6萬MWh；日本長崎機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為30 MW，25年的年均發(fā)電量預(yù)計為3.7萬MWh；印度科欽國際機場于2015年成為全球第1個完全由光伏發(fā)電來供應(yīng)電力的機場，截至2021年，該機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為40 MW，25年的年均發(fā)電量預(yù)計為5.2萬MWh。

3 樞紐機場光伏發(fā)電項目的效益計算模型

3.1 運營模式分析

3.1.1 “自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式

采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式的樞紐機場光伏發(fā)電項目，投資方為樞紐機場，可采取機場自主管理或外包管理的運維方式。在該運營模式下，光伏電力優(yōu)先供機場使用，若有盈余，則按照當(dāng)?shù)氐墓夥l(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價出售給國家電網(wǎng)。

該運營模式下，樞紐機場承擔(dān)所有的項目成本，并享受所有的項目收益。

3.1.2 全額上網(wǎng)運營模式

采用全額上網(wǎng)運營模式的樞紐機場光伏發(fā)電項目，投資方的選擇較為靈活，可以是樞紐機場或新能源投資公司。投資方出資建設(shè)與管理光伏發(fā)電項目，將光伏電力全額出售給國家電網(wǎng)。

該運營模式下，投資方承擔(dān)所有的項目成本，并享受所有的項目收益。當(dāng)投資方不是樞紐機場時，投資方需支付占用機場區(qū)域的租金；而當(dāng)投資方是樞紐機場時，考慮到光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價在逐年降低，且目前已低于樞紐機場日常用電電價，若樞紐機場采用該運營模式則其項目總體收益會低于采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時，因此不建議樞紐機場采用此種運營模式。

3.1.3 合同能源管理運營模式

合同能源管理運營模式是一種新型的應(yīng)用于節(jié)能業(yè)務(wù)方面的運營模式，投資方(大多數(shù)情況下為新能源投資公司)與樞紐機場以合同契約的形式約定光伏發(fā)電項目的年發(fā)電量目標(biāo)，為樞紐機場提供光伏電力。樞紐機場作為用電方，享有比市電更便宜的優(yōu)惠電價。該運營模式的實質(zhì)是投資方以樞紐機場繳納的光伏電費來抵消其投入的成本。

該運營模式下，樞紐機場除提供光伏發(fā)電項目的用地外，無需投入其他成本，并享有優(yōu)惠電價，由此減少的電費支出相當(dāng)于其穩(wěn)定的收益。同時，相比于使用火力發(fā)電電力，使用光伏電力可減少碳排放，隨著碳排放交易政策的落實，由減少的碳排放量獲得的交易收入也屬于樞紐機場的收益。

3.2 成本計算

樞紐機場光伏發(fā)電項目的成本主要包括初始投資成本、運維成本及貸款利息[3]。

3.2.1 初始投資成本

項目初始投資成本I0主要包含設(shè)備費用、安裝費用、場地費用及電網(wǎng)接入費用等。I0的計算式可表示為：

式中：PAZ為光伏發(fā)電項目的裝機容量；IW為光伏發(fā)電項目單位裝機容量的投資成本。

3.2.2 運維成本

項目運維成本主要包括設(shè)備預(yù)防性維護費用、設(shè)備周期性維護費用、設(shè)備定期測試費用等。項目的年運維成本IM可表示為：

式中：IWM為項目全生命周期內(nèi)光伏組件單位裝機容量下的年運維成本。

3.2.3 貸款利息

項目貸款利息受項目的總投資額、貸款比例、貸款種類、政策優(yōu)惠等因素的影響，每個項目可根據(jù)自身的實際情況進行分析計算，本文不對此進行分析。

3.3 收益計算

樞紐機場光伏發(fā)電項目的收益主要包括政府補貼、發(fā)電量上網(wǎng)收入、項目殘值、優(yōu)惠電價收入、碳減排收入。

3.3.1 政府補貼

政府補貼主要包括光伏發(fā)電補貼、建設(shè)投資補貼、建設(shè)投資方稅收補貼。雖然不同地方關(guān)于光伏發(fā)電的政府補貼標(biāo)準(zhǔn)不同，但目前我國正在逐步較少相關(guān)補貼。

3.3.2 發(fā)電量上網(wǎng)收入

光伏發(fā)電項目的首年發(fā)電量Ep的計算式可表示為：

式中：HA為水平面總太陽輻射量；ES為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的太陽輻照度；K為綜合效率系數(shù)，該值是在綜合考慮光伏組件類型修正系數(shù)、光伏組件安裝傾角、逆變器效率、光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)等因素對光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響后得出的。

當(dāng)以當(dāng)?shù)氐姆逯等照招r數(shù)H為主要因素分析光伏發(fā)電項目的首年發(fā)電量時，Ep還可表示為：

考慮到光伏組件每年都會存在輸出功率衰減的情況，光伏發(fā)電項目第n(n≤25)年的發(fā)電量Epn的計算式可表示為：

式中：Rg為光伏組件的年輸出功率衰減率。

當(dāng)光伏發(fā)電項目的運營模式不同時，投資方第n年的光伏發(fā)電收入的計算式也有所不同。

1)當(dāng)樞紐機場光伏發(fā)電項目采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時，投資方(樞紐機場)第n年的光伏發(fā)電收入BIn計算式為：

式中：Rs為樞紐機場光伏電力的自用率，Rs≤100%；Pi為光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價；Pd為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的售電電價。

2)當(dāng)樞紐機場光伏發(fā)電項目采用全額上網(wǎng)運營模式時，在樞紐機場不是投資方的情況下，該運營模式下樞紐機場的固定收益為光伏發(fā)電項目占用機場區(qū)域的租金。而除樞紐機場以外的投資方(第三方)第n年的光伏發(fā)電收入Bxn的計算式可表示為：

3) 當(dāng)樞紐機場光伏發(fā)電項目采用合同能源管理運營模式時，除樞紐機場以外的投資方(第三方)第n年的光伏發(fā)電收入Bhn的計算式可表示為：

式中：Pc為樞紐機場享有的優(yōu)惠電價。

該運營模式下，樞紐機場因享有優(yōu)惠電價而獲得的第n年的收入Bmn的計算式可表示為：

3.3.3 項目殘值

光伏發(fā)電項目的生命周期結(jié)束后，項目處理相關(guān)設(shè)備所得到的費用即為項目殘值Bsv。Bsv的計算式可表示為：

式中：Rsv為項目的殘值率。

3.3.4 碳減排收入

根據(jù)我國的碳交易政策，已將民航業(yè)納入碳排放管理和交易之中。光伏發(fā)電不會產(chǎn)生碳排放，但需要說明的是，本文計算不涉及光伏發(fā)電項目中的設(shè)備在制造、安裝時產(chǎn)生的碳排放。對比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，光伏發(fā)電項目第n年的碳減排量CEn的計算式可表示為[4]：

式中：CEf為火力發(fā)電單位發(fā)電量的碳排放量。

該項目的碳減排收入Bc的計算式可表示為：

式中：Pcc為光伏發(fā)電項目的碳交易價格。

3.4 平準(zhǔn)化度電成本模型

平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)是用來衡量光伏發(fā)電項目全生命周期內(nèi)單位發(fā)電量的綜合成本的指標(biāo)。根據(jù)LCOE的定義，當(dāng)光伏發(fā)電項目的售電電價達到LCOE時，則該項目的總成本現(xiàn)值Ct等于其總收入現(xiàn)值Bt，即[5]：

由于樞紐機場光伏發(fā)電項目采用全額上網(wǎng)運營模式時，樞紐機場的項目收益為租金；采用合同能源管理運營模式時樞紐機場的項目收益為因享有優(yōu)惠電價而獲得的收入，因此，僅需計算采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時樞紐機場光伏發(fā)電項目的LCOE，從而可得到該項目的總收入現(xiàn)值。根據(jù)式(13)，在該模式運營下樞紐機場光伏發(fā)電項目的各項成本和各項收入之間的關(guān)系，可表示為：

式中：i為項目的折現(xiàn)率；N為光伏發(fā)電項目的全生命周期，本文取25年。

由于目前樞紐機場光伏發(fā)電項目均處于發(fā)電階段，且光伏電量能被機場全部消納，因此Rs=100%。將該值代入式(6)可得：

將式(15)代入式(14)，可得：

在光伏發(fā)電項目的售電電價為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的售電電價且與LCOE相等的前提下，式(16)可進一步表示為：

從式(17)可以看出，當(dāng)忽略光伏發(fā)電項目的碳減排收入和項目殘值收入時，LCOE就是光伏發(fā)電項目全生命周期內(nèi)總成本現(xiàn)值與全部發(fā)電量現(xiàn)值的比值。由于LCOE值越小，光伏發(fā)電項目的單位發(fā)電量成本也就越低，因此，當(dāng)該項目每度電的售價大于LCOE時，項目才有收益。

將式(1)、式(2)、式(4)、式(10)～式(12)代入式(17)，可得：

當(dāng)忽略碳減排收入和項目殘值時，式(18)可簡化為：

4 實例分析

4.1 光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年地面光伏發(fā)電項目的平均初始投資成本為3.99元/W，工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目的平均初始投資成本為3.38元/W；地面光伏發(fā)電項目每年的平均運維成本為0.046元/W，分布式光伏發(fā)電項目每年的平均運維成本為0.054元/W。

4.2 基于LCOE的光伏發(fā)電項目的成本效益分析

我國大多數(shù)地區(qū)的峰值日照小時數(shù)在1000～2000 h之間，為分析不同峰值日照小時數(shù)下光伏發(fā)電項目的LCOE，現(xiàn)作如下假設(shè)：N=25年、K=0.8、Rg=0.8%、i=5%、IW=3.38元/W、IWM=0.054元/W，不考慮碳排放交易。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用式(19)可計算得到不同峰值日照小時數(shù)下光伏發(fā)電項目的LCOE，結(jié)果如表2所示。

表2 不同峰值日照小時數(shù)下光伏發(fā)電項目的LCOETable 2 LCOE of PV power generation projects under different peak sunshine hours

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《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》[6]，我國Ⅰ～Ⅲ類太陽能資源區(qū)內(nèi)光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價分別為0.35、0.40、0.49元/kWh。這3個光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價均高于表2中峰值日照小時數(shù)大于等于1400 h時光伏發(fā)電項目的LCOE值，這說明在此條件且無政策補貼的情況下，項目仍能產(chǎn)生效益，具有投資價值；并且峰值日照小時數(shù)越高，光伏發(fā)電項目的LCOE值越低，項目的收益越好。

4.3 項目參數(shù)

本文以華中地區(qū)某樞紐機場的分布式光伏發(fā)電項目為例，對分別選擇“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和合同能源管理這2種運營模式時該項目的經(jīng)濟性進行分析。

本樞紐機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為7 MW，項目初始投資成本為2793萬元，項目所在地的峰值日照小時數(shù)為1460 h；光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)取0.8，光伏組件的年輸出功率衰減率取0.8%，項目殘值率取5%；項目全生命周期內(nèi)光伏組件單位裝機容量下的年運維成本為0.054元/W；項目的全生命周期取25年，項目折現(xiàn)率取5%。碳排放量計算根據(jù)生態(tài)環(huán)境部公布的300 MW以下燃煤機組碳排放量基準(zhǔn)值為0.979 t/MWh進行計算，碳排放交易按照24元/t計算。該樞紐機場的市電電價為0.53元/kWh，合同能源管理運營模式下樞紐機場享受的優(yōu)惠電價為0.477元/kWh。

4.3.1 項目的發(fā)電量計算

根據(jù)式(5)可得到該樞紐機場光伏發(fā)電項目的首年發(fā)電量為811.06萬kWh；而將該項目的各參數(shù)輸入PVsyst軟件進行仿真分析，得到該項目的首年發(fā)電量為853.17萬kWh。考慮到軟件仿真時，光伏組件、逆變器等設(shè)備的參數(shù)，光伏組件的安裝方式及氣象數(shù)據(jù)等信息與實際情況會存在些許差別，但與公式的計算結(jié)果相比，仿真結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。不過，為了追求更精細的計算，下文中的計算結(jié)果均是基于本文的公式得到的。

通過公式計算得到本項目25年全生命周期的總發(fā)電量約為18314.24萬kWh。

4.3.2 項目的效益計算

1)當(dāng)該項目采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時，由于樞紐機場能全部消納項目所發(fā)光伏電力，因此無需對余電上網(wǎng)部分進行分析。此時根據(jù)式(6)、式(10)～式(12)，可得到項目全生命周期的發(fā)電總收入為9706.54萬元，項目殘值為139.65萬元；當(dāng)該項目減少的碳排放量為17.93萬噸時，碳減排收入為430.32萬元。將上述數(shù)據(jù)折算成項目初始收入現(xiàn)值，可得到項目25年的發(fā)電總收入現(xiàn)值為5593.12萬元，項目的殘值現(xiàn)值為41.24萬元，碳減排總收入現(xiàn)值為247.92萬元。

2)當(dāng)該項目采用合同能源管理運營模式時，樞紐機場的收益包括享受優(yōu)惠電價帶來的收入和碳減排收入。在項目全生命周期內(nèi)樞紐機場可使用相較于市電更便宜的光伏電力，其25年的優(yōu)惠電價總收入為970.65萬元，碳減排總收入現(xiàn)值為430.32萬元。將上述數(shù)據(jù)折算成項目初始收入現(xiàn)值，該項目25年的優(yōu)惠電價總收入現(xiàn)值為559.31萬元，碳減排總收入現(xiàn)值為247.92萬元。

4.3.3 項目成本計算

根據(jù)式(1)、式(2)，可得到該樞紐機場光伏發(fā)電項目的初始投資為2793萬元，每年的運維成本為37.8萬元，25年的總運維成本為945萬元。將25年的總運維成本折算成項目初始時的運維成本現(xiàn)值，為532.75萬元。

4.3.4 項目效益分析

結(jié)合上述結(jié)果對不同運營模式下本光伏發(fā)電項目25年的效益進行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 不同運營模式下本光伏發(fā)電項目25年的效益分析結(jié)果Table 3 25-year benefit analysis results of PV power generation projects under different operating modes

由表3可知，2種運營模式下該光伏發(fā)電項目在25年全生命周期內(nèi)均能得到可觀的收益。

光伏發(fā)電項目的發(fā)電量、投資成本對LCOE的影響較大，但隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進步，光伏組件成本的降低及光電轉(zhuǎn)換效率的提高，LCOE將會逐年降低，因此，光伏發(fā)電項目會越來越受到樞紐機場的青睞。

5 結(jié)論

本文對不同運營模式下的樞紐機場光伏發(fā)電項目的效益進行了分析計算，建立了項目的LCOE計算模型，并根據(jù)市場發(fā)展趨勢，考慮了碳排放交易產(chǎn)生的效益，計算了不同峰值日照小時數(shù)下項目的LCOE，得出以下結(jié)論：

1)峰值日照小時數(shù)大于等于1400 h的地區(qū)，樞紐機場光伏發(fā)電項目的LCOE低于標(biāo)桿上網(wǎng)電價，具備投資的可行性；且峰值日照小時數(shù)越高，項目的LCOE越低，其收益越高。因此，光照資源好的樞紐機場適合應(yīng)用光伏發(fā)電項目。

2)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和合同能源管理運營模式下樞紐機場光伏發(fā)電項目均能得到可觀的收益，但“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式的收益更高，不過其投資成本也相對較高。若樞紐機場不想負擔(dān)較高的投資成本，其光伏發(fā)電項目可采取合同能源管理運營模式，該運營模式下樞紐機場僅需提供光伏發(fā)電項目的用地，項目的風(fēng)險低且收入穩(wěn)定。