王 欣，張 宇，劉士宏

(1.東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.大唐雙鴨山熱電有限公司，黑龍江 雙鴨山 155100)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加快了能源枯竭的速度，導(dǎo)致諸多環(huán)境問題的發(fā)生，嚴(yán)重影響了人類的可持續(xù)發(fā)展。作為可再生能源的太陽(yáng)能相較其他能源有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)勢(shì)在必行。國(guó)際能源署(IEA)在2010年5月發(fā)表的太陽(yáng)能光伏路線圖中表示，光伏發(fā)電在世界幾乎所有地區(qū)都具有長(zhǎng)期增長(zhǎng)的巨大潛力[1]。該路線圖中預(yù)測(cè):從2010年開始，光伏發(fā)電占全球總電力的比例將不斷上升，2020 年達(dá)到 1.3%，2030 年升至4.6%。

本文立足于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，建造光伏發(fā)電發(fā)展系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)出影響光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要變量及其之間的因果和反饋關(guān)系。

1 光伏發(fā)電發(fā)展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(簡(jiǎn)稱SD-system dynamics)綜合了系統(tǒng)理論、控制論、信息論，是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)問題的理解，是基于系統(tǒng)行為與內(nèi)在機(jī)制間的相互緊密的依賴關(guān)系，并且透過數(shù)學(xué)模型的建立與操弄的過程而獲得的，逐步發(fā)掘出產(chǎn)生變化形態(tài)的因、果關(guān)系。

光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，以光伏太陽(yáng)能電池為基礎(chǔ)，通過技術(shù)革新、成本變動(dòng)、政策導(dǎo)向、能源結(jié)構(gòu)變化等推動(dòng)著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而這一產(chǎn)業(yè)的進(jìn)化則表現(xiàn)為社會(huì)的進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)內(nèi)部存在著各種信息的反饋，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性和多重反饋的特征。

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的正向因素分析

作為清潔能源，太陽(yáng)能是能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇之一，且我國(guó)資源豐富，如表1所示。太陽(yáng)能是永不枯竭的，其可開發(fā)量與可轉(zhuǎn)化量都較其他能源大幅領(lǐng)先。

表1 我國(guó)太陽(yáng)能與其他可再生能源儲(chǔ)量對(duì)比

除其資源優(yōu)勢(shì)之外，太陽(yáng)能光伏發(fā)電還具有以下正向因素:

(1)系統(tǒng)成本低:體積小，單位重量比功率:50～1000 W/kg。

(2)壽命長(zhǎng):20～50年(工作25年，效率下降20%)。

(3)環(huán)境友好，政府倡導(dǎo):無(wú)燃料消耗，無(wú)噪聲，無(wú)污染，發(fā)電過程不需要水。

(4)生產(chǎn)原料豐富:硅材料儲(chǔ)量豐富，為地殼上除氧之外的豐度排列第二，達(dá)到26%之多，降價(jià)空間大[2]。

(5)規(guī)模成本低:安裝容易，建設(shè)周期短。

(6)規(guī)律性強(qiáng)，可預(yù)測(cè):調(diào)峰效果明顯，調(diào)度比風(fēng)力發(fā)電容易，更利于并網(wǎng)發(fā)電。

1.2 光伏發(fā)電發(fā)展系統(tǒng)的反向因素:

(1)能源轉(zhuǎn)換效率低:功率密度只有1000 W/m2，能源轉(zhuǎn)換效率有待提高。

(2)規(guī)?；夹g(shù)不成熟:大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)尚未解決，大規(guī)模應(yīng)用沒有自身調(diào)節(jié)能力，還需要改良技術(shù)，降低存儲(chǔ)成本。

(3)電池成本高:小規(guī)模發(fā)電用蓄電池，昂貴且壽命短。

(4)系統(tǒng)投資高:3～5萬(wàn)元/kW;2～4元/kWh。

綜合上述太陽(yáng)能光伏發(fā)電的特點(diǎn)，可以得出影響光伏發(fā)電的主要因素是電池成本、使用壽命、政府政策、生產(chǎn)規(guī)模、光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)以及能量轉(zhuǎn)換效率等。

2 光伏發(fā)電發(fā)展的因果關(guān)系分析

本文使用的建模軟件是Vensim PLE。前文分析了影響光伏發(fā)電的各個(gè)因素，影響光伏發(fā)電發(fā)展的因果關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電發(fā)展因果圖

實(shí)際的能源結(jié)構(gòu)需求決定了電力市場(chǎng)向光伏發(fā)電傾斜，同時(shí)也影響了政府的政策導(dǎo)向，為光伏發(fā)電創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展前景;光伏發(fā)電成本的降低、技術(shù)投入的增加等也成為從業(yè)者關(guān)注的焦點(diǎn)。基于上述主要影響因素和因果關(guān)系圖，其主要的反饋回路可以表示為:

(1)市場(chǎng)占有率→技術(shù)研發(fā)投入→能源轉(zhuǎn)換效率→電池成本→光伏系統(tǒng)價(jià)格成本→上網(wǎng)電價(jià)→市場(chǎng)占有率。

(2)市場(chǎng)占有率→技術(shù)研發(fā)投入→電池模型化技術(shù)→電池成本→光伏系統(tǒng)價(jià)格成本→上網(wǎng)電價(jià)→市場(chǎng)占有率。

(3)市場(chǎng)占有率→技術(shù)研發(fā)投入→電池模型化技術(shù)→壽命與穩(wěn)定性→運(yùn)行維護(hù)費(fèi)→上網(wǎng)電價(jià)→市場(chǎng)占有率。

(4)電池成本→光伏系統(tǒng)價(jià)格成本→上網(wǎng)電價(jià)→運(yùn)行維護(hù)費(fèi)→壽命與穩(wěn)定性→電池成本。

(5)市場(chǎng)占有率→初投資→生產(chǎn)規(guī)?！姵爻杀尽夥到y(tǒng)價(jià)格成本→上網(wǎng)電價(jià)→市場(chǎng)占有率。

市場(chǎng)占有率是將光伏發(fā)電產(chǎn)量與所有能源的發(fā)電量相比，即得出光伏發(fā)電的市場(chǎng)份額，也就是說(shuō)將光伏發(fā)電所產(chǎn)生電能視作一種普通的消費(fèi)品。因此本文把光伏發(fā)電的市場(chǎng)占有率作為衡量光伏發(fā)電發(fā)展水平的一個(gè)指標(biāo)。

3 光伏發(fā)電的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

3.1 基本假設(shè)及系統(tǒng)流圖

以下是本模型中的基本假設(shè):

(1)目前，世界上太陽(yáng)能光伏電池90%以上是以單晶硅或多晶硅為原材料生產(chǎn)的，因此模型中的原材料價(jià)格即默認(rèn)為硅材料價(jià)格[3]。

(2)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括組件、逆變器、控制器、支架、電纜及跟蹤系統(tǒng)等部分。在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)成本中占主要部分的是組件成本，其降價(jià)空間也主要存在于組件價(jià)格中，因此假設(shè)模型中電池成本約等于組件成本。光伏發(fā)電系統(tǒng)流圖如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)流圖

(3)薄膜太陽(yáng)電池有很多優(yōu)點(diǎn):其生產(chǎn)過程的步驟少于晶體硅電池，節(jié)省原材料，更便于自動(dòng)化生產(chǎn)，不受高純硅材料的制約，最重要的是薄膜太陽(yáng)能電池降價(jià)的潛力遠(yuǎn)大于晶體硅。因此在模型設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)㈦姵乇⌒突鳛樘?yáng)能電池技術(shù)革新的主要突破點(diǎn)。

從圖2可以看出，系統(tǒng)模型中主要涉及2個(gè)狀態(tài)變量(電池成本、上網(wǎng)電價(jià))、2個(gè)流率變量(電池成本變化率、上網(wǎng)電價(jià)變化率)、10個(gè)輔助變量(技術(shù)研發(fā)投入增加比例、電池薄型化技術(shù)提高幅度、生產(chǎn)規(guī)模、壽命與穩(wěn)定性提高幅度、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)增長(zhǎng)率、初投資增長(zhǎng)對(duì)上網(wǎng)電價(jià)影響率、能源轉(zhuǎn)換效率變化量、市場(chǎng)占有率變化量、光伏系統(tǒng)價(jià)格成本，硅材料價(jià)格變化量)以及5個(gè)常量(電池初始成本、初始電價(jià)、太陽(yáng)能資源、政策導(dǎo)向、其他能源發(fā)展情況)。

3.2 方程設(shè)計(jì)說(shuō)明

下面就設(shè)計(jì)的各個(gè)主要變量方程予以說(shuō)明:

(1)電池成本=INTEG(－電池成本變化量)+電池初始成本。

(2)電池成本變化量=(硅材料價(jià)格變化量+電池成本)*能源轉(zhuǎn)換效率變化量*生產(chǎn)規(guī)模。

(3)上網(wǎng)電價(jià)=INTEC(上網(wǎng)電價(jià)變化量)。

(4)上網(wǎng)電價(jià)變化量=(運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增長(zhǎng)率+初始投資增長(zhǎng)對(duì)上網(wǎng)電價(jià)影響率)*運(yùn)行條件對(duì)上網(wǎng)電價(jià)影響函數(shù)*初始電價(jià)+光伏系統(tǒng)價(jià)格成本變化量。

其中，硅材料價(jià)格=54$/kg;當(dāng)光伏發(fā)電的生產(chǎn)規(guī)模500 MW時(shí)，晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)開始顯現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)的一道門檻。模型中將生產(chǎn)規(guī)模默認(rèn)為500 MW，生產(chǎn)規(guī)模大于這一臨界值時(shí)，生產(chǎn)系統(tǒng)呈現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)出率、原材料使用率以及能源轉(zhuǎn)化效率都得到提高。系統(tǒng)投資在0.5$/kWh，發(fā)電成本=6$/kWh;功率密度 =1000 W/m2。例如5600$/kW 初投資，則年運(yùn)行2000小時(shí)，電價(jià)達(dá)到0.31$/kWh。

影響光伏系統(tǒng)價(jià)格成本變化量的其他邊界條件是指貸款比例、貸款年限、增值稅率、貸款利息等。模型中默認(rèn)的貸款比例是80%，貸款年限是15年，貸款利息是7.83%，運(yùn)營(yíng)期20年，折舊期15年，固定資產(chǎn)殘值10%，年運(yùn)行費(fèi)用0.5%，所得稅率25%，附加稅率8%，資金回收年限10～11年。其中，光伏發(fā)電受到國(guó)家政策的補(bǔ)貼，增值稅率由17%調(diào)整到了8.5%，針對(duì)并網(wǎng)發(fā)電部分，國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼50%。

初投資影響光伏發(fā)電的電價(jià)，圖3是不同初投資下的電價(jià)分布圖。

根據(jù)不同初投資下的電價(jià)分布圖可以計(jì)算出初投資變化對(duì)上網(wǎng)電價(jià)變化的影響率:計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的斜率并對(duì)其求均值，得出影響率。運(yùn)行條件對(duì)上網(wǎng)電價(jià)影響函數(shù)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增長(zhǎng)率的計(jì)算類似，在此不一一敘述了。

圖3 不同初投資下的電價(jià)分布圖

4 光伏發(fā)電發(fā)展的仿真與分析

運(yùn)用上述模型對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)各因素的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以得到各因素的變化圖。以能源轉(zhuǎn)換效率的變化為例:

電池初成本不變、生產(chǎn)規(guī)模不變、電池薄型化技術(shù)提高幅度為無(wú)窮小、硅材料價(jià)格不變時(shí)，如果能源轉(zhuǎn)換效率不變(模型計(jì)算中取無(wú)窮小)，則電池成本無(wú)變化。當(dāng)能源轉(zhuǎn)化效率提高1個(gè)百分點(diǎn)，電池成本將隨之變化，變化趨勢(shì)如圖4中3號(hào)曲線所示。依次調(diào)整能源轉(zhuǎn)換效率，分別提高2個(gè)百分點(diǎn)、3個(gè)百分點(diǎn)，電池成本如圖4中2號(hào)曲線、3號(hào)曲線所示。由此可以得出，能源轉(zhuǎn)換效率越高，電池成本將越低。

能源轉(zhuǎn)換效率的提高影響了電池成本，間接影響光伏系統(tǒng)價(jià)格成本，如圖4所示。

圖4 能源轉(zhuǎn)換效率變化量與光伏系統(tǒng)價(jià)格成本的變化圖

能源轉(zhuǎn)換效率提高0.01時(shí)，光伏系統(tǒng)價(jià)格成本變化量如圖中3號(hào)曲線;能源轉(zhuǎn)換效率提高0.02時(shí)，光伏系統(tǒng)價(jià)格成本變化量如圖中2號(hào)曲線;能源轉(zhuǎn)換效率提高0.03時(shí)，光伏系統(tǒng)價(jià)格成本變化量如圖中1號(hào)曲線。通過模型仿真，可以看出，光伏系統(tǒng)價(jià)格成本通過電池價(jià)格與能源轉(zhuǎn)換效率緊密聯(lián)系，是影響系統(tǒng)成本價(jià)格的最主要因素之一。鑒于各個(gè)影響因素仿真過程的相似性，本論文對(duì)其他仿真結(jié)果不再進(jìn)行重復(fù)贅述。

光伏發(fā)電的發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了依靠原料價(jià)格的下降外，還需要加強(qiáng)下游各個(gè)環(huán)節(jié)的配合，提高政府補(bǔ)貼，適時(shí)推出光伏上網(wǎng)的電價(jià)政策并且加大研發(fā)力度，提高我國(guó)光伏生產(chǎn)技術(shù)水平[4]。

5 結(jié) 論

本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，全面分析了光伏發(fā)電發(fā)展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使用Vensim PLE軟件構(gòu)建了動(dòng)態(tài)仿真模型，并就個(gè)別參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析。從最終對(duì)仿真結(jié)果的分析可以看出，模擬出的各因素變化情況與中國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展的基本情況吻合，說(shuō)明該模型結(jié)構(gòu)是正確的。在今后的研究中應(yīng)準(zhǔn)確地設(shè)置各個(gè)函數(shù)，全面分析界定邊界影響因素，簡(jiǎn)化假設(shè)條件，優(yōu)化敏感性因素，以提高模型的預(yù)測(cè)精確度，為決策提供更好的支持。

[1]古賀生.單晶硅太陽(yáng)能電池紙絨新技術(shù)研究[D].浙江:杭州浙江大學(xué)，2011.

[2]王斯成.國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中國(guó)電力發(fā)展與改革研究，2009(12):22－25.

[3]王曉寧.中國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈剖析及其對(duì)產(chǎn)業(yè)的影響[J].電器工業(yè)，2008(7):44－45.

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