王 婧,熊敏鵬,袁家海,趙 星
(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,北京 102206;2.北京唐浩電力工程技術(shù)研究有限公司,北京 100052)
目前,在全球可持續(xù)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的背景下,分布式能源作為一種新興的、具有特有優(yōu)勢的供能系統(tǒng),已經(jīng)成為能源領(lǐng)域中一個重要的發(fā)展方向[1]。太陽能作為一種無止境、無污染的可再生能源,已成為一種非常有前途的替代能源。在過去的幾十年里,其發(fā)展速度高于其他可再生能源[2]。隨著全球向清潔能源的轉(zhuǎn)變,離網(wǎng)發(fā)電形式因具有安裝方便、不受電網(wǎng)政策限制等特點而受到關(guān)注,關(guān)于離網(wǎng)可再生發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化的研究率先在歐美國家出現(xiàn)。在澳大利亞,隨著光伏和電池價格的下降以及電價的上漲,離網(wǎng)住宅光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性愈加顯著,當結(jié)合本地能源發(fā)電和本地能源儲存時,脫離電網(wǎng)可能成為一個更好的選擇[3?5]。而我國分布式能源發(fā)展較晚,離網(wǎng)住宅光儲系統(tǒng)通常建造在遠離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所,如山區(qū)、荒漠及高原等地區(qū),供用戶住宅日常用電[6],解決偏遠地區(qū)用電不便的問題。主要原因在于離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)有較高的初始投資、沒有合適的針對離網(wǎng)系統(tǒng)的貸款計劃、缺乏相關(guān)補貼政策。隨著分布式光伏系統(tǒng)競爭壓力的增大,規(guī)模經(jīng)濟的增長、供應(yīng)鏈競爭力的增強、技術(shù)進步以及相關(guān)激勵計劃的實施將推動成本的降低[7],我國的離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)也將得到進一步發(fā)展。
因此,對用戶側(cè)分布式光伏儲能系統(tǒng)價值進行量化評估,能夠為用戶光儲系統(tǒng)投資價值提供有益參考。目前,對于用戶側(cè)儲能的成本?效益模型已有一定的研究基礎(chǔ),但是大部分只考慮了儲能系統(tǒng)在某一環(huán)節(jié)的單方面評價,并沒有對其涉及的其他環(huán)節(jié)效益進行更為系統(tǒng)全面的評估。文獻[8]在對用戶側(cè)儲能在電網(wǎng)和用戶自身應(yīng)用價值進行梳理和分析的基礎(chǔ)上,提出了用戶側(cè)分布式儲能的價值評估模型。文獻[9]給定分布式光伏?儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式,通過構(gòu)建收益?成本的評估方法,計算了用戶凈收益及成本利潤率。但上述文獻只考慮了投資者的收益而沒有考慮儲能系統(tǒng)給電網(wǎng)帶來的整體效益。文獻[10]建立了分布式光伏儲能系統(tǒng)的綜合效益評估模型,基于項目年收益、總利潤和靜態(tài)投資回收期等指標評價項目經(jīng)濟性,量化了系統(tǒng)的社會收益,但對社會收益的考慮不夠全面。文獻[11?12]考慮了儲能系統(tǒng)的套利、延緩機組投資以及節(jié)省配電網(wǎng)升級改造費用等特點,構(gòu)建了較為全面的儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益評估模型,但是在評估儲能系統(tǒng)的應(yīng)用效益時,未能考慮其對于環(huán)境的外部性影響。
首先,對小型用戶離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)進行合理配置。其次,構(gòu)建了基于發(fā)電側(cè)價值、電網(wǎng)側(cè)價值、用戶價值以及社會價值的戶用離網(wǎng)型光儲價值評估體系,建立了價值評估模型。從全社會以及用戶自身的角度出發(fā),對離網(wǎng)系統(tǒng)在節(jié)省電費、節(jié)能降耗、減少污染、延緩輸配網(wǎng)投資等方面的效益進行了定量評估。最后通過敏感性分析,對離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)經(jīng)濟性進行預(yù)測并為其發(fā)展提出相關(guān)建議。
離網(wǎng)光伏儲能系統(tǒng)是指太陽能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式。系統(tǒng)主要由太陽能電池板、逆變器、控制器、蓄電池組成,具體如圖1 所示。光伏組件是在“光生伏特效應(yīng)”的基礎(chǔ)上,將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并輸送至儲能設(shè)備或直接為負載供能的裝置[13]。儲能蓄電池是將電能以其他形式的能量存儲起來的設(shè)備。當光伏陣列的輸出電能大于負載需要時,多余的電能儲存在蓄電池中;當光伏陣列輸出的電能小于負載所需時,由蓄電池釋放電能供負載使用。
圖1 離網(wǎng)光儲發(fā)電系統(tǒng)
負荷條件將直接影響光伏組件容量的確定。組件設(shè)計原則是要滿足平均天氣條件下每日用電量的需求,即光伏組件的全年發(fā)電量要等于負載全年用電量。根據(jù)建設(shè)地年平均太陽能輻射量、年用電量、系統(tǒng)總效率,可以計算出光伏系統(tǒng)的裝機容量。光伏系統(tǒng)裝機容量計算公式為[14]:
式中:W為光伏系統(tǒng)裝機容量,kW;L為光伏系統(tǒng)所在地年用電量,kWh;H為年峰值日照小時數(shù),h;Ih為傾斜面年總太陽能輻射量,kWh/m2;Il為水平面年總輻射量,kWh/m2;I0為標準太陽輻射強度,1×103W/m;η為光伏系統(tǒng)總效率。
蓄電池組容量確定公式為[9]
式中:E0為平均每天負荷用電量,kWh;D為蓄電池供電支持天數(shù);Dg為蓄電池允許放電深度;U為系統(tǒng)直流工作電壓;ηε為蓄電池充放電效率;ηφ為逆變器效率。
光伏系統(tǒng)采用電池充電控制器對電池進行安全充電,消除了電池過充的風(fēng)險,該裝置也有助于保持電池的長壽命。充電控制器應(yīng)能承載PV 陣列的短路電流;逆變器應(yīng)能處理交流負載的最大期望功率,因此其額定功率須比所要求的交流負載的額定總功率高至少20%[15]。
選取某戶用小型離網(wǎng)型光伏?鉛酸電池儲能系統(tǒng)為例。北京水平面年總輻射量1 416.78 kWh/m2;根據(jù)小型用戶用電量的特征,設(shè)置用戶平均日用電量5 kWh,家用負載功率約為1 kW,日平均運行時間為5 h;光伏系統(tǒng)效率、逆變器效率、蓄電池放電深度及放電效率分別為60%、93%、60%、80%;直流系統(tǒng)的電壓為24 V。由于所在位置輻射太陽輻射時間較長,陰天較少,為節(jié)省投資,設(shè)置蓄電池供電支持天數(shù)為1 天?;谏鲜鰠?shù),計算光伏峰值功率為1 908 W,電池所需容量為466.70 Ah。選取的光伏組件單體規(guī)格為36 V/200 W,單體最大電流為6 A。離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng)配置結(jié)果如表1所示。
用戶離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)價值評估體系主要包括三方面的內(nèi)容:成本計算、收益計算以及經(jīng)濟性評價指標計算。系統(tǒng)成本主要包括初始投資成本、運行維護成本以及更換成本;收益主要從發(fā)電側(cè)收益、電網(wǎng)收益、用戶收益以及社會收益四個方面考慮;經(jīng)濟性評估指標主要從累計凈現(xiàn)值以及內(nèi)部收益/全系統(tǒng)收益兩個方面考慮,其中,內(nèi)部收益/全系統(tǒng)收益指標反映了用戶自身收益占全系統(tǒng)收益的比例。構(gòu)造的價值體系如表2 所示。該體系更加全面和系統(tǒng)地分析了用戶安裝離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng)的價值。
表2 用戶側(cè)光儲系統(tǒng)價值體系
2.2.1 成本
離網(wǎng)光伏系統(tǒng)總生命周期成本包括光伏組件、蓄電池、充電控制器、逆變器的購置成本,置換成本以及安裝和運維費用之和[16?18]。
設(shè)備初始購買成本主要包括四部分,分別為光伏系統(tǒng)成本、儲能裝置成本以及逆變器成本以及充電控制器成本。系統(tǒng)成本模型C為:
式中:Cpv為光伏系統(tǒng)的初始投資成本,元;Copv為光伏系統(tǒng)單位容量成本,元/kW;Cess為儲能系統(tǒng)的投資成本,元;Ceo為儲能系統(tǒng)單位容量成本,元/Ah;Qess為儲能系統(tǒng)的安裝容量,Ah;Ccon為控制器投資成本,元;Cco為單位容量的成本,元/A;Qcon為控制器安裝容量,A;Cinv為逆變器投資成本,元;Cio為逆變器單位容量的成本,元/kW;Qinv為安裝容量,kW。
光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命為20 年,蓄電池的使用壽命為7年。因此,蓄電池每7年需要更換一次,需要更換兩次。蓄電池更換成本的計算公式為
式中:Y為更換次數(shù)。
安裝及運維費用一般按光伏系統(tǒng)初始投資的一定比例近似估算。其中,安裝成本被認為是光伏組件初始成本的10%;運行維護費被認為是光伏組件投資成本的1%。計算公式分別為:
式中:Cm為安裝費用,元;Cf為運行維護費用,元;m1和m2分別為安裝及運維系數(shù)。
2.2.2 收益
發(fā)電側(cè)收益包括延緩調(diào)峰機組建設(shè)成本以及減少發(fā)電機組運行成本,年效益計算公式分別為[11]:
式中:G1為延緩調(diào)峰機組建設(shè)年效益,元;G2為減少發(fā)電機組運行成本年效益,元;Af為發(fā)電公司的單位可免容量成本,元/kW;d為貼現(xiàn)率;n為系統(tǒng)的壽命年限;Av為發(fā)電公司的單位可免電量成本,元/kWh;Q為系統(tǒng)每年的發(fā)電量,kWh。
電網(wǎng)收益包括減少電網(wǎng)擴建費用[11]以及減少電網(wǎng)耗損成本,年收益計算公式為:
式中:B1為減少電網(wǎng)擴建費用年效益,元;B2為降低電網(wǎng)耗損成本年效益,元;Ctrans為變壓器的單位改造費用,元/kW;Cline為線路擴容單位費用,元/kW;Pele為當?shù)仉妰r,按當?shù)仉妰r0.488 3 元/kWh 計算;ηg為系統(tǒng)運行時電網(wǎng)的耗損率,%。
用戶側(cè)安裝離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng),對自身而言,主要的收益是節(jié)省電費。按年累計用電量及當?shù)厥须妰r格計算。計算公式為
式中:Bele為用戶年節(jié)省電費,元/a。
社會收益主要包括環(huán)境效益和節(jié)能效益。采用光儲聯(lián)合系統(tǒng),相比傳統(tǒng)火為發(fā)電,能夠降低污染物排放量。根據(jù)污染物的環(huán)境效益及減排量可以計算出光儲系統(tǒng)為社會帶來的環(huán)境效益[19],即為
式中:Sev為環(huán)境效益,元;Vei為第i項污染物減排的環(huán)境效益;α為污染物的種類;Qmig為分布式電源第i項污染物的排放量;Qcip為燃煤發(fā)電機組第i項污染物的排放量。部分污染物排放數(shù)據(jù)及環(huán)境效益如表3和表4所示。
表3 相對火電機組的污染排放數(shù)據(jù)比較 單位:g/kWh
表4 各種污染物環(huán)境效益 單位:元/kg
火電機組生產(chǎn)單位電能所消耗的煤炭量為0.4 kg;煤炭價格為600元/t。相對常規(guī)火電機組,分布式電源供應(yīng)同等電能和熱能所節(jié)約化石能源的效益為
式中:Ses為節(jié)約的化石能源的效益,元;Mc為火電機組生產(chǎn)單位電能所消耗的煤炭量;Pc為煤炭價格。
用戶側(cè)配置光儲系統(tǒng)可減少電力消耗,進而使化石能源的消耗減少,降低二氧化碳等溫室氣體的排放,起到節(jié)能減排的效果。
2.2.3 經(jīng)濟性評價指標
考慮凈現(xiàn)值(Net Present Value,NPV)和內(nèi)部收益/全系統(tǒng)收益2個經(jīng)濟評價指標對戶用離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)項目進行經(jīng)濟性評價。NPV 是指儲能項目按照行業(yè)的基準收益率將項目生命周期內(nèi)每年的凈現(xiàn)金流量折算到項目投資起始點時的現(xiàn)值之和[20]。運用NPV 經(jīng)濟評價指標對用戶自身的投資效益進行經(jīng)濟性評價,因此分析時主要考慮離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)減少用戶電費的效益。內(nèi)部收益/全系統(tǒng)收益旨在分析用戶安裝光儲系統(tǒng)對自身收益占全系統(tǒng)收益的情況。兩個經(jīng)濟性評價指標的計算公式為
式中:FCI為現(xiàn)金流入量;FCO為現(xiàn)金流出量;(FCI?FCO)t為第t年的凈現(xiàn)金流量,資金投入年為第0 年,即t=0;k為折現(xiàn)率。當Vnp≥0 時,代表項目可行,當Vnp<0時,代表項目不可行。
式中:P為用戶安裝光儲系統(tǒng)所獲個人收益和總系統(tǒng)收益之比;Vtotal為總系統(tǒng)收益,包括發(fā)電側(cè)收益、電網(wǎng)側(cè)收益、用戶收益以及社會收益;Vinside為用戶的自身收益,是總系統(tǒng)收益的一部分。
成本?收益相關(guān)參數(shù)如表5所示。
表5 成本-收益相關(guān)參數(shù)
依據(jù)上述價值評估模型和相關(guān)參數(shù),計算結(jié)果為:用戶投資2 kW 離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)需要設(shè)備初始投資金額為18 886.25 元,該成本包括光伏、蓄電池、控制器以及逆變器投資成本;電池每7 年更換一次,更換成本為3 556.25 元;離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)安裝成本為1 200元;該系統(tǒng)年運行維護成本為120元。
用戶安裝離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)的年收益如圖2所示。
圖2 投資離網(wǎng)光儲系統(tǒng)年收益
由圖2 可知,減少用戶電費是全系統(tǒng)收益中最主要的收益來源,其次依次為減少機組運行成本、節(jié)能效益以及減少電網(wǎng)擴建費用等。用戶投資該系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為?13 711.30 元,內(nèi)部收益/全系統(tǒng)收益為33.37%。由凈現(xiàn)值經(jīng)濟指標分析可知,用戶投資離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng)投資效益不明顯。從內(nèi)部收益/全系統(tǒng)收益評價指標來看,內(nèi)部收益只占全系統(tǒng)收益的三分之一,由此可知,用戶安裝離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng)對社會整個系統(tǒng)的效益遠大于用戶自身獲得的效益。
敏感度分析可以定量了解參數(shù)變化對投資決策的影響。本文中設(shè)定凈現(xiàn)值敏感度函數(shù)為ΔS=ΔN/ΔT。其中,ΔT為各參數(shù)的單位變化量,ΔN為凈現(xiàn)值的變換量,ΔS為敏感度值。算例選取光伏系統(tǒng)成本、蓄電池儲能成本、用戶電價3 個實際因素。除此之外,由于目前國家針對離網(wǎng)型的光儲系統(tǒng)沒有相關(guān)的補貼政策,為提高用戶的投資效益,選取發(fā)電量補貼和初始投資補貼兩個假設(shè)因素。在此基礎(chǔ)上對案例進行單因素和多因素敏感度分析。
單因素敏感性分析結(jié)果如圖3所示。
圖3 敏感性分析
由圖3 可知,初始投資補貼對凈現(xiàn)值最為敏感,上述五個因素對凈現(xiàn)值敏感系數(shù)從高到低依次為:初始投資補貼、發(fā)電量補貼價格、光伏系統(tǒng)成本、用戶電價、儲能系統(tǒng)成本。其中,光伏組件成本和蓄電池成本下降均導(dǎo)致用戶凈現(xiàn)值增大,而光伏發(fā)電量補貼價格、初始投資補貼價格及居民電價的上升也將導(dǎo)致用戶凈現(xiàn)值增大。
在實際因素中,光伏成本是最大影響因素,敏感度為0.94,即當光伏成本下降10%,用戶凈現(xiàn)值增大9.4%;其次,用戶電價是第二影響因素,對凈現(xiàn)值的影響也較大,敏感度為0.50,即當電價每提高10%,用戶凈現(xiàn)值增大5%;最后,鉛酸電池對凈現(xiàn)值的敏感度為0.42,即當用戶電價挺高10%,用戶凈現(xiàn)值增大4.2%。在假設(shè)因素中,初始投資補貼價格和發(fā)電量補貼價格對凈現(xiàn)值的影響均較大,敏感度系數(shù)均超過1。其中初始投資補貼價格對凈現(xiàn)值的敏感度為1.03,即當初始投資補貼價格增加10%時,用戶凈現(xiàn)值提高10.3%;發(fā)電量補貼價格對凈現(xiàn)值的敏感度為1.25,即當發(fā)電量補貼價格每提高10%時,用戶凈現(xiàn)值提高12.5%。
上述影響因素都具有不確定性,并且一般都不是單因素獨立變化,而是由多個因素同時變化的。所以有必要進行多因素敏感性分析,進一步揭示出多個敏感性因素變化時對投資項目的凈現(xiàn)值的影響程度。選取光伏成本、鉛酸電池成本、用戶電價三組因素進行敏感性分析,結(jié)果如表6所示。
由表6 可知,在光伏和電池成本下降、用戶電價增長的條件下,投資該項目的凈現(xiàn)值逐漸增大,甚至可實現(xiàn)從虧本轉(zhuǎn)為盈利。
對光伏成本、鉛酸電池成本、初始投資補貼價格三因素敏感性進行分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 光伏成本、鉛酸電池成本、初始投資補貼三者變化時對NPV的影響
由圖4 可知,在光伏和電池成本下降的基礎(chǔ)上,如果給予相應(yīng)的初始投資補貼,投資該項目的凈現(xiàn)值增長變化明顯。
對光伏成本、鉛酸電池成本、發(fā)電量補貼三因素敏感性進行分析,結(jié)果如表7所示。
表7 光伏成本、鉛酸電池成本、發(fā)電量補貼三者變化時對NPV的影響
由表7 可知,在光伏和電池成本下降的基礎(chǔ)上,如果給予相應(yīng)的發(fā)電量補貼,凈現(xiàn)值由負值轉(zhuǎn)為正值,這種變化比圖4 變化更明顯,說明在光伏和電池成本下降的情況下,發(fā)電量補貼比初始投資補貼對項目凈現(xiàn)值的影響更大。
在對小型用戶離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)進行合理配置的基礎(chǔ)上,建立了離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)價值評估模型,利用累計凈現(xiàn)值以及內(nèi)部收益/總系統(tǒng)收益兩個經(jīng)濟評價指標對算例進行價值分析。除此之外,從光伏成本、蓄電池成本、用戶電價、發(fā)電量補貼價格以及初始投資補貼這5 個因素進行單因素和多因素敏感度分析。通過本文的分析,主要的結(jié)論和建議有:
小型用戶安裝離網(wǎng)型光伏?鉛酸電池儲能系統(tǒng)的累計凈現(xiàn)值為?13 711.30 元,投資經(jīng)濟性不明顯。但相關(guān)文獻研究表明,經(jīng)濟性可能只是影響消費者脫離電網(wǎng)的眾多因素之一。其他的因素有希望自給自足、不受未來電價上漲的影響、在自然災(zāi)害或停電期間供應(yīng)充足等,這些都可能導(dǎo)致部分市場越來越多地采用這種技術(shù),而不考慮純經(jīng)濟可行性。從內(nèi)部收益/總系統(tǒng)收益經(jīng)濟指標為0.33 來看,總系統(tǒng)收益遠遠大于用戶自身收益,說明用戶投資光儲系統(tǒng)能帶來較大的全系統(tǒng)效益。這些收益涉及發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)以及社會多個方面,包括少建或緩建調(diào)峰機組、減少發(fā)電機組的運行成本、減少電網(wǎng)擴建(線路和變壓器單位更換)費用、降低電網(wǎng)耗損成本、減少用戶電費、環(huán)境效益以及節(jié)能效益。本文通過對戶用小型離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng)的價值評估,對用戶安裝光儲系統(tǒng)的成本收益有了更深刻的認識,對于適當?shù)碾x網(wǎng)型光儲系統(tǒng)政策設(shè)計具有一定的價值。
由單因素敏感性分析可知,光伏成本、蓄電池成本、用戶電價、初始投資補貼以及發(fā)電量補貼均是影響用戶經(jīng)濟性的重要因素。但各個因素對凈現(xiàn)值的敏感度不同,從高到低依次為:初始投資補貼、發(fā)電量補貼、光伏系統(tǒng)成本、用戶電價、鉛酸電池成本。由多因素敏感性分析可知,小型用戶安裝離網(wǎng)型光伏儲能系統(tǒng)在一定的條件下也會有投資回報。但離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)具有投資回報是基于多因素聯(lián)合作用得到的。首先,是基于光伏系統(tǒng)度電成本以及儲能系統(tǒng)儲能成本存在下降空間。隨著光伏電池組件效率的提升、制造工藝的進步以及原材料價格下降等因素都會導(dǎo)致未來光伏發(fā)電成本的下降。其次,需要一定的政策支持。目前只針對并網(wǎng)用戶有相關(guān)的補貼政策,而對于離網(wǎng)型用戶沒有相關(guān)的補貼政策。通過敏感性分析可知,對于離網(wǎng)型用戶而言,在離網(wǎng)發(fā)電初期,出臺相關(guān)針對離網(wǎng)用戶的補貼政策是必要的??梢赃x擇初始投資補貼或者發(fā)電量補貼兩種補貼形式,這兩種補貼均能有效提高離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性,但提高效果有所區(qū)別。在多種因素對用戶凈現(xiàn)值均作用的條件下,選擇發(fā)電量補貼比初始投資補貼經(jīng)濟效果更明顯。通過提高用戶部署離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)經(jīng)濟性來調(diào)節(jié)用戶收益和總系統(tǒng)收益的關(guān)系。
本文不僅從用戶自身角度分析安裝光儲系統(tǒng)的成本收益,而且也從全系統(tǒng)的角度分析光儲系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益。目前來看,脫離電網(wǎng)對于用戶經(jīng)濟性不足,但隨著系統(tǒng)成本的降低,以及用戶不僅僅只關(guān)心投資效益情況的出現(xiàn),安裝離網(wǎng)型光儲系統(tǒng)的情況可能會逐漸增多。