毛維杰 喬新娜 王維軍
摘要:在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的環(huán)境背景下,積極推進(jìn)可再生能源的開發(fā)與利用得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。太陽能作為清潔能源之一,開發(fā)利用太陽能資源對調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義,因此分布式光伏具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。農(nóng)村地區(qū)豐富且閑置的屋頂資源為戶用光伏的推廣建設(shè)提供了前提條件?;诖耍疚闹饕崂砼c分析戶用光伏系統(tǒng)的運行模式,構(gòu)建戶用光伏成本效益計算模型,并通過算例計算四種戶用光伏運行模式的經(jīng)濟(jì)效益,為農(nóng)村戶用光伏系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性評估和推廣發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞:戶用光伏;運行模式;效益
近年來,煤炭、石油和天然氣等化石能源的過度開采與利用,全球能源供應(yīng)日趨緊張,改變能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率、積極推動風(fēng)光等可再生能源的發(fā)展已成為各國應(yīng)對能源危機(jī)的重要措施,得到了社會各界的廣泛認(rèn)可。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的指引下,分布式能源以環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點,成為越來越多發(fā)電企業(yè)和能源企業(yè)的選擇。光伏作為解決能源問題的有效方案之一,對改善電源結(jié)構(gòu)、落實碳減排目標(biāo)具有重要意義,發(fā)展前景廣闊。隨著近年來光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和國家補(bǔ)貼政策的變化,光伏組件的價格較過去有所下降,對用戶而言,光伏發(fā)電有了更高的投資價值。同時,農(nóng)村地區(qū)可利用眾多屋頂資源為戶用光伏的開發(fā)建設(shè)提供了良好條件,推廣屋頂光伏可實現(xiàn)豐富且閑置的屋頂資源開發(fā),有利于農(nóng)村居民參與戶用光伏開發(fā)項目,為農(nóng)村增加就業(yè)、創(chuàng)業(yè)機(jī)會,提高農(nóng)村居民收入。目前,已有多省市出臺相關(guān)政策文件,明確要求在縣級地區(qū)推進(jìn)屋頂戶用光伏試點工作,為戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)提供補(bǔ)貼,促使戶用光伏項目的發(fā)展。
本文以戶用光伏系統(tǒng)在國內(nèi)外的快速發(fā)展為背景,提出適用不同場景的戶用光伏運行模式。分析戶用光伏系統(tǒng)的成本與收益構(gòu)成,構(gòu)建成本效益計算模型,最后通過算例分析計算不同運行模式戶用光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,通過敏感性分析驗證模型的有效性,為農(nóng)村地區(qū)屋頂光伏投資發(fā)展提供建議,以進(jìn)一步改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)可再生能源發(fā)展。
一、分布式戶用光儲系統(tǒng)運行模式
目前,根據(jù)應(yīng)用場景,戶用光伏系統(tǒng)主要有四種運行模式:
(一)模式一
模式一為光伏系統(tǒng)單獨運行,不配置儲能設(shè)備。光伏系統(tǒng)發(fā)電僅供居民用戶使用,夜間或光伏發(fā)電不足時考慮電網(wǎng)購電,光伏白天所發(fā)多余電能采取棄光處理。
(二)模式二
模式二為光伏系統(tǒng)單獨運行,不配置儲能設(shè)備。光伏系統(tǒng)發(fā)電僅供居民用戶使用,夜間或光伏發(fā)電不足時考慮電網(wǎng)購電,光伏白天所發(fā)多余電能并入電網(wǎng)。與模式一相比,模式二多余的光伏發(fā)電量可以接入電網(wǎng),獲得賣電收益。此類光伏并網(wǎng)模式還要考慮大部分光伏發(fā)電上網(wǎng)對農(nóng)村配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成的影響。
(三)模式三
模式三為光伏系統(tǒng)配置儲能設(shè)備,該場景光伏儲能系統(tǒng)的運行方式為自發(fā)自用,剩余光伏所發(fā)電能存儲到儲能設(shè)備中,以供居民夜間用電。例如,光伏剩余電能高于儲能容量,可以采取棄光處理;夜間儲能電池余量或光伏發(fā)電不足時,可以考慮電網(wǎng)購電。
(四)模式四
模式四為光伏配置儲能系統(tǒng),并采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的運行方式。光伏所發(fā)電能優(yōu)先供給用戶使用,其次供給儲能裝置,最后剩余電能選擇上網(wǎng),獲得售電收入。配置儲能可以存儲光伏發(fā)電,不但可以提高用戶消耗光伏發(fā)電的比例,還能緩解農(nóng)村配電網(wǎng)的光伏滲透壓力。
二、戶用光伏系統(tǒng)成本效益分析模型
(一)戶用光伏儲能系統(tǒng)成本分析
1.戶用光伏系統(tǒng)成本
農(nóng)村戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)成本主要包括前期設(shè)備投資成本和后期的運行維護(hù)成本。戶用光伏系統(tǒng)設(shè)備投資成本如式1所示。
(1)
其中:表示光伏發(fā)電設(shè)備投資成本,表示單位功率光伏組件成本,表示光伏額定裝機(jī)容量,表示光伏系統(tǒng)逆變器單位功率成本,表示固定支架單位成本,表示固定支架數(shù)量。
戶用光伏系統(tǒng)運維成本一般包括修理費用、材料費用和人工費,具體如式2所示。
(2)
表示戶用光伏系統(tǒng)全壽命周期運維成本,表示戶用光伏運行年限,表示第年戶用光伏維修費用,表示第年戶用光伏運維單位功率材料費用,表示第年運維人工數(shù)量,表示第年運維人員人均工資,表示貼現(xiàn)率。
2.儲能電池成本
儲能電池投資成本如式3所示。
(3)
其中:表示儲能裝置總成本,表示儲能電池額定容量,表示儲能電池單位容量成本,表示儲能電池額定功率,表示儲能電池單位功率成本。
3.電網(wǎng)購電成本
居民家庭在安裝戶用光伏系統(tǒng)后每年電網(wǎng)購電成本如式4所示。
(4)
其中,表示用戶第年電網(wǎng)購電成本,表示第年第天第時段用戶用電負(fù)荷需求,表示第年第天第時段光伏發(fā)電出力,表示第年第天第時段儲能電池出力,表示時間間隔,表示第年第天第時段對應(yīng)的居民電價。
(二)戶用光伏儲能系統(tǒng)收入分析
1.節(jié)約購電收入
居民安裝戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)后,光伏發(fā)電量能滿足一部分家庭日常用電,減少電網(wǎng)購電量,可以節(jié)約家庭電費支出,故將用戶節(jié)約的電費支出記為用戶的潛在收益。節(jié)約電網(wǎng)購電收入如式5所示。
(5)
其中,表示居民第年節(jié)約電網(wǎng)購電收入,表示居民在第年第天第時段減少的電網(wǎng)購電。
2.光伏上網(wǎng)收入
當(dāng)戶用光伏余電并入電網(wǎng)時,用戶可以賺取電網(wǎng)支付的光伏發(fā)電上網(wǎng)收益。戶用光伏余電上網(wǎng)收入計算公式如6所示。
(6)
其中,表示居民用戶屋頂光伏第年余電上網(wǎng)年收入,表示戶用光伏第年第天第時段并網(wǎng)功率,表示地區(qū)戶用光伏第年第天第時段發(fā)電上網(wǎng)電價。
3.光伏發(fā)電補(bǔ)貼收入
由于光伏發(fā)電可以有效降低二氧化碳排放,加速促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn),因此政府會增加光伏發(fā)電項目的發(fā)電補(bǔ)貼。戶用光伏發(fā)電補(bǔ)貼收入如式7所示。
(7)
其中,表示戶用光伏發(fā)電的年補(bǔ)貼收入,表示度電補(bǔ)貼價格。
三、算例分析
(一)算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
本文以某農(nóng)村居民家庭為例進(jìn)行計算,安裝容量為6kW的戶用屋頂光伏。如果配置儲能,要按照裝機(jī)容量的20%、充電時長為3h配置儲能設(shè)施,即儲能電池功率為1200W、容量為3600kWh。
光伏運維費用中人工費為1萬元/年,維修費在運營期第1~5年內(nèi)為5元/kW.月,第6~10年為8元/kW.月,第11~25年為15元/kW.月,按照殘值率5%回收光伏設(shè)備固定資產(chǎn)殘值,戶用光伏與儲能電池基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。
光伏發(fā)電量優(yōu)先提供給家庭日常用電負(fù)荷,在模式一中,不配置儲能,光伏發(fā)電量提供給用戶之外的剩余電能并入電網(wǎng)。模式二中,配置儲能設(shè)備,光伏發(fā)電量首先滿足用戶負(fù)荷需求,其次存儲至儲能電池中,電池滿電后光伏余電并入電網(wǎng),戶用光伏各模式季節(jié)運行情況,如表2所示。
可以看出,模式三與模式四由于配置了儲能設(shè)備,通過儲能電池存儲多余的光伏發(fā)電,能減少戶用光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量,光伏發(fā)電全年的自用比例由14.67%提升至26.85%,自用比例增長明顯。
(二)戶用光伏系統(tǒng)成本效益計算
在四種運行模式下,前三年政府為戶用光伏發(fā)電提供補(bǔ)貼,度電補(bǔ)貼價格為0.3元/kWh,光伏上網(wǎng)電價為0.3元/kWh,運行年限為25年,選取基準(zhǔn)收益率7%,根據(jù)仿真運行情況,四種模式戶用光伏系統(tǒng)成本效益計算結(jié)果如表3所示。
從表中可以看出,模式一中,通過安裝戶用光伏儲能系統(tǒng),居民家庭每年能通過光伏發(fā)電節(jié)約電網(wǎng)購電費用865.32元,由于存在大量棄光,同時未配置儲能電池,系統(tǒng)的財務(wù)內(nèi)部收益率僅為4.42%,低于基準(zhǔn)收益率7%,不具備投資價值;模式二中,居民通過光伏上網(wǎng),每年可獲3600.66元的余電上網(wǎng)收入,系統(tǒng)財務(wù)內(nèi)部收益率達(dá)29.24%,F(xiàn)NPV為36303.94,有良好的經(jīng)濟(jì)性;模式三中,配置儲能設(shè)備,家庭每年可節(jié)約電網(wǎng)購電費用1916.52元,但系統(tǒng)內(nèi)部收益率僅為5.76%,這主要是該模式下存在較大比例棄光,能源效率較低;模式四中,家庭每年通過戶用光伏上網(wǎng)獲得3086.89元收益,每年減少電網(wǎng)購電費用1986.95元,系統(tǒng)FIRR為18.62%,高于基準(zhǔn)收益率,有較好的投資可行性。
模式一與模式三經(jīng)濟(jì)效益較差的原因主要是光伏沒有并入電網(wǎng),存在較大比例的棄光電量,但站在電網(wǎng)角度,這兩種模式均能有效降低分布式能源并確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,政府或企業(yè)可以考慮為這兩種模式提供相應(yīng)的補(bǔ)貼,以此提升經(jīng)濟(jì)效益。
四、結(jié)語
綜上所述,本文針對農(nóng)村地區(qū)戶用光伏的不同運行模式,構(gòu)建戶用光伏系統(tǒng)成本效益分析模型,通過算例分析計算得出不同運行模式下戶用光伏系統(tǒng)的成本及經(jīng)濟(jì)效益情況。同時,通過經(jīng)濟(jì)效益模型的構(gòu)建與計算,為戶用光伏在農(nóng)村地區(qū)的投資發(fā)展提供參考。
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作者簡介:毛維杰,高級工程師;喬新娜:助理工程師;王維軍,華北電力大學(xué)(保定校區(qū)),副教授。