中国人口・资源与环境 2011年 第21卷 第4期 CHINAPOPUIATION,RESOURCESANDENVIRONMENT Vo1.21 No.4 2011 中国并网光伏发电系统的经济性与环境效益 孙艳伟 王 润 肖黎姗 刘 健 余运俊 庄小四 (中国科学院城市环境研究所,福建厦门361021) 摘要太阳能已成为世界各国公认的最为理想的替代能源,其应用规模不断扩。但光伏发电系统高昂的成本 成为其发展的 关键因素。本文应用净现值和单因素敏感性分析工具,建立了光伏发电成本的计算模型,以我国34个省会城市作为研究案例,对并 厢光伏发龟系统进行 经济性和环境效益分析。结果显示}在目前初始投资补贴一半的情况下。并网光伏发患成本介予O.83— 2.29 kWh之间.。即便在光照资源最丰富的地区。并网光伏发电仍无法鸯常规能源发电相竞争。在影响并网光伏系统发电成本的 诸多影响因素中 初始投资补贴额度、水平面太阳能辐射量和投资密度的敏癌性最强;CDM资金的注入对光伏发电成本的降低 具有积极的作用0激励方面。出台台适的、稳定的上掰电价对启动国内光伏市场最为有效。光伏发电系统的环境效益是指光伏 发电的减排环境效益麴除系统发电环境成本的余额。经计算并嗣光伏发电具有显著的环境效益。箕环境效益为0.0165元/kWh。本 研究对手国家制定光伏发电的激励和成本分摊机制具有重要的参考价值。 关键词并尉光伏发电;净现值;单医素敏感性分析 X37 文献标识码A 文章编号1002-2104(2011)04一O088—07 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2011.04.014 中图分类号太阳能是一种清洁能源,也是一种永不枯竭的能源。 以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁 度上综合分析我国并网光伏发电系统的经济性、环境效益 和工具效果的研究尚不多见。张希良等人以敦煌 8MWp并网光伏发电项目为案例,评价了我国西部地区发 展光伏的市场竞争力、社会成本效益和不同工具的作 用效果 。Shafiqur Rehman等人应用日平均太阳能辐射 量和日照时间等气象数据,研究了沙特阿拉伯国家5MWp 性、安全性以及逐渐显露出的经济性等优势,已经成为人 类最为理想的替代能源。截止2008年底,全球光伏系统 累计装机容量达到15GWp,而其中90%由并网光伏发电 构成…。我国太阳能资源非常丰富,陆地表面每年接受的 太阳辐射能约为50×10 kJ,全国太阳辐射总量达每天 335—837 kJ/em 。根据我国《可再生能源中长期发展规 划》,到2020年的光伏系统累计装机容量将达到180万 kWp[ 。 并网光伏系统的成本L6]。Jose’L Bernal—Agust’n等人应用 净现值和资本回收期等参数,对了西班牙并网光伏系统进 行了经济和环境性分析 。 随着我国电力市场化改革的推进,适用于电力行 业的环保法规体系将不断完善,环境成本纳人发电成本已 是趋势。定量评估发电项日的环境成本,归纳起来,可以 城市作为一个人口和经济活动高度集中的区域,已经 成为能源需求和温室气体排放的热点地区 。在过去的 2O多年中,我国城市化进程明显加快,并以人类历史上前 所未有的速度实现了农村人口向城市的大规模聚集,导致 城市化进程中城市环境与发展的矛盾日益突出 。太阳 能发电技术在城市中的大规模应用,无疑是实现城市可持 续发展的重要途径之一。 将评估方法大致分成三种计量原则:①以污染物造成损害 的价值作为计量基础;②以污染后果的清除与损坏赔偿补 救成本作为计量基础;③以预防污染发生的成本作为计量 基础 。 为了能够明晰下面几个问题:①我国不同光照资源条 件下并网光伏发电的真实成本是多少?②影响光伏发电 成本的因素有哪些?影响程度如何?③不同激励组 目前,从资源、技术、社会、经济、等方面对我国发 展并网光伏发电的综合研究十分缺乏 ,特别是从全国尺 收稿日期:2010—10—26 作者简介:孙艳伟,博士生,主要研究方向为新能源技术与及GIS在新能源领域的应用。 通讯作者:王润,博士,教授,博导,主要研究方向为气候变化与技术。 福建2010能源规划项目(编号:YOL4351D10);100MW光伏发电成本分摊机制研究项目(编号:Y0H5261D30)共同资助。 ・88・ 孙艳伟等:中国并网光伏发电系统的经济性与环境效益 合的效果如何?④目前技术经济条件下,我国并网光伏发 电的环境效益是多少?本文在已有文献基础上,建立了光 伏发电成本的计算模型,定量评估了我国各类光照资源条 (C. )。=(Pb ×E …… +P ×E ) (3) 式中,Pbuy表示用户从电网购电电价;E 。 表示用户 自用电量;P .表示光伏发电上网电价; 表示上网电量。 件下,并网光伏发电系统的发电成本、光伏发电成本的影 响因素和影响程度以及不同工具组合的效果,同时, 定量分析了并网光伏发电系统的环境效益。最后,从推动 我国整个光伏市场可持续发展的角度,提出了建议。 l中国太阳能资源概况 从总体上来说,我国太阳能资源非常丰富,但是存在 很大的区域差异。我国太阳能资源分布的主要特点有:太 阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22。一35。这一带, 青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心;太阳年辐射 总量,西部地区高于东部地区,而且除和两个自 治区外,基本上是南部低于北部;由于南方多数地区云雾 雨多,在北纬30。一4O。地区,太阳能的分布情况随纬度而 变化的规律相反,基本上太阳能辐射量随纬度的增加而增 长 。在经济发达的东南沿海区域,属于四类地区。但自 1990年代以后,地表总太阳辐射开始呈现上升趋势,变化 率为l3.2l MJ・m~・a I 】,同样具有一定的开发潜力。 2计算模型 2.1经济分析模型 为了准确分析目前我国并网光伏发电的成本以及光 伏发电技术的市场竞争力,我们采用了净现值(NPV)和敏 感性分析工具用来评估并网光伏发电系统的经济性及其 影响因素。 首先,假设所有投资者都是理性的,即追求投资的回 报率最大。那么,投资者进人光伏市场的条件可以表示 为: 一+耋 式中,s表示初始投资额;,v表示寿命期;Cinpul表示第i 年的流入现金量;C 表示第i年的流出现金量;r表示贴 现率。 其中,初始投资部分可以表示为: S=C 。 一C。 b id (2) 式中,c 表示光伏发电系统初始投资额,包括光伏 组件、逆变器和安装施工费用等;Csubsidy表示可得到的投资 补贴额(按现在“金太阳示范项目”补贴初始投资的 50%)。 目前,国内光伏并网发电项目可以分成两类:一类是 自发自用型;一类是部分自用,其余电量卖给电网。因此, 系统寿命周期内第i年的流入资金部分可以表示为: 系统寿命周期内第i年的流出资金部分可以表示为: (C。 。) =(Co +Cl +C ). (4) 式中,C。。 表示光伏系统运营维护费用;C 表示贷款 本金利息支付额;C 表示税费,包括所得税、城市建设税 和教育税附加。 敏感性分析法是指从众多不确定性因素中找出对投 资项目经济效益指标有重要影响的敏感性因素,并分析、 测算其对项目经济效益指标的影响程度和敏感性程度,进 而判断项目承受风险能力的一种不确定性分析方法。本 文应用单因素敏感性分析法,分析了影响并网光伏发电系 统发电成本的主要影响因素和敏感性程度” 。引入敏感 度系数(E),来表征项目评价指标对不确定因素的敏感程 度。公式如下: E- zSA (5) 式中,△A为不确定因素F发生△F变化率时,评价指 标A的相应变化率(%),△F为不确定因素F的变化率 (%)。 正值越大,负值的绝对值越大,表明评价指标A对于 不确定因素F越敏感;反之,则越不敏感。 2.2环境效益分析模型 光伏发电系统的环境效益应为光伏发电“减排环境效 益”减去“系统发电环境成本”,其数学表达式为: BPv=APv—CPv (6) 式中,曰 代表光伏系统环境效益;A 代表减排环境 效益;C 代表系统发电环境成本。 3案例研究 初始情景假定 在进行经济分析之前,要先对初始情景进行似定,作 为经济分析的基础和前提。 我们假设了10MWp大型并网光伏发电系统为案例, 应用PVsyst V5.1光伏系统仿真设计及数据分析软件,分 别计算并网光伏发电系统的最佳倾角和年均发电量等参 数。表1、表2给出了项目相关技术经济、财政参数假定。 3.2光伏发电成本分析 我国幅员辽阔,太阳能资源禀赋条件时空差异巨大。 本文选择我国34个省会城市(不包括)作为案例,分析 了初始投资无补贴和目前国家“金太阳项目”补贴初始 投资50%条件下的光伏发电成本(见表3)。假设并网光伏 系统所发电量全部并网,即E … =0。根据公式(1), ・89. 表1 10MW并网光伏发电项目主要技术经济参数 Tab.1 Technical and economical parameters of IOMWp grid—connection PV plant 注:初始投资额按照目前单位系统投资密度2.75万元/kWp推 算,年运行维护费用按初始投资的10%计算。 表2项目相关财税参数 Tab.2 Relative national finance and tax parameters for PV project 参数 数值 Parameters Values 贷款利息/% 还款年限(等额本息还款)/a 税率/% 其他附加/% 内部收益率/% 折旧方式 注:表中贷款利率参照叶J国人民银行公布的金融机构人民币存 款基准利率。 当NPV=0时,将公式(2)、(3)、(4)代人(1),C 和C 直接与电价相关,因此,方程转化为关于电价的一元线性 方程。代入相关参数,解方程得到临界上网电价(单位电 量发电成本)。由图1可知,在无补贴情况下,我国并 网光伏发电成本介于1.55—4.26元/kWh之间,发电成本 相差2.71元/kWh,差异巨大;在目前初始投资补贴 一半的情况下,并网光伏发电成本介于0.83—2.29元/ kWh之间,发电成本仍相差2.46元/kWh。而根据统计数 据,2008年全国发电企业平均上网电价仅为0.255— 0.423元/kWh,说明即便在太阳能资源禀赋非常好的区域 光伏发电仍无法与常规能源发电竞争,仍处于市场竞争劣 势地位。 3.3发电成本影响因素分析 降低光伏发电的成本是启动光伏市场成功的关键,而 这需要首先明晰影响光伏发电成本的影响因素及其影响 程度。根据2.1节提出模型的相关变量,光伏发电成本受 到初始投资、上网电价、系统发电量(直接与区域太阳能辐 ・90・ 中国人口・资源与环境2011年第4期 表3我国34个省会城市10MWp并网光伏发电系统 相关参数列表 Tab.3 List of relative parameters of 1 0MWp PV plant for 34 capital cities in China 2 m 。 糍 注:表中气象数据来源于NASA~ 孙艳伟等:中国并网光伏发电系统的经济性与环境效益 , ,一=2 0 …, 投资密度 水平面太阳年辐射量 补贴额度 2 量 垂l 薯堪 / . 税 贴现率 利率 CERs 1.5一l0^一 1 1 姿鬟 繁 啬裴磐餐最 篓篓黍盖罴骂鬻蠡 皋誉器蚕鹱蠢蕈蔷餐差差嚣藿 // .—1Io5。0O \\ 贷款比例 线性(投资密度) 线性(水平面太阳年 辐射量) 线性(补贴额度) 率 犀留 神 营 图1 我国省会城市并网光伏发电成本对比 Fig.1 The comparison of cost of grid—connection PV plant in Chinese capital cities 射量相关)、税收和贴现率等多种因素的共同影响。 而初始投资又受到系统初始投资额(用投资密度来表 征)、国家补贴额度的影响。 另外,我们也考虑了来自于CDM项目的资金流人对 一 一罄 幡餐世 光伏发电成本的影响。截止到2009年2月,在总共l】s0u 0【1BJ Ll&_10&c 424 个联合国CDM执行理事会审核通过的CDM项目中,有7 个是关于太阳能利用的项目 。目前,国际一级碳市场 上CERs(可核证的碳减排量)的成交价格在1O—l5欧元/ 吨之间变动。 由表3可知,长春市位于太阳能资源中等地区,年均 太阳能辐射量接近全国的平均值。因此,本文选取长春市 为案例,进行发电成本影响因素的敏感性因素分析。 由图2和表4可知,在影响发电成本的众多不确定性 因素中,补贴额度、水平面太阳辐射量和初始投资密 度敏感性最强,对发电成本的影响幅度也最大;其次是贷 款利率、资本结构中的贷款比例、贴现率;最后,影响最小 的是税率和CERs价格。由此我们可以看出,在的激 励中,初始投资补贴额度的变化对发电成本影响很 大,贷款贴息和税收减免的影响相对较小。在项目的融资 方面,初始投资密度对成本影响很大,但这依赖光伏系统 组件价格的下降,短期内降低幅度有限;另外,贷款所占的 比例对发电成本也有一定影响,而且随着贷款比例的增 加,发电成本逐渐降低。CDM项目的收益虽然对发电成 本的影响很小,但对光伏等新能源发电成本的降低能起到 积极作用。 3.4不同激励工具组合效果分析 目前,我国并网光伏发电项目(>300KWp)的资金来 源主要有三种模式:①项目初始投资由补贴50%,其 余部分由业主负担,商业运作,没有上网电价补贴;②投资 全部由业主自筹,获得上网电价;③初始投资全部由 补贴 线性(税) Kan e OT indexes 指标寒 (%) 一线性(贴现率) 图2成本影响因素敏感性分析 Fig.2 Sensitivity analysis of cost influence factors 表4成本影响因素的敏感度系数表 Tab.4 List of sensitivity coefifcient of cost influence factors 指标 敏感度系数(E) Indicators Sensitivity coefifcient 投资补贴额度 水平面太阳能辐射量 投资密度 贷款利率 贷款比例 贴现率 及其附加费 CERs价格 第一种模式:项目初始投资由补贴50%,其余部 分由业主负担,商业运作,¨ 一一 O O ( O ” __ 嘶 没有上网电价补贴 初始假设: (1)利率贴息:完全贴息; (2)税收:所得税、、城市建设费和教育附 加全免; (3)初始投资补贴:按“金太阳示范工程”补贴初始投 资的50%; (4)CDM收益:按照CERs价格为15欧 t。 由表5可知,在目前初始投资补贴50%的条件 下,即便税收优惠、利率贴息和CDM收益等工具全部 实施,光伏发电的成本仍高达0.746元/kWh。 第二种模式:投资全部由业主自筹,获得上网电价 从全球来看,最常用的财政补贴方式是上网电 价,一个固定的上网电价有助于建立长期明确的规 划,让所有的光伏企业、投资者或其他参与方能明确判断 光伏产业的发展前景,从而有信心进一步向这一领域投 资。目前,我国还没有明确的光伏上网电价出台。假 ・9】・ 中国人口・资源与环境2011年第4期 益”中扣除“发电系统生命周期中的环境成本”的部分。 i 表5不同组合下度电成本分析 Tab.5 组情_垂 ysiGeneration cost anals based on diferent 合景 甜∞ .m combinations of incentive policies 本文光伏环境效益计算主要是基于现有排污收费标准和 已有文献的结果。根据Masakazu Ito等 研究结果,超大 型并网光伏发电系统整个生命周期内的能量需求为3O一 42 TJ/MW,其中采用单晶硅电池组件的光伏发电系统的 能量需求为41.95 TJ/MW,能量回收期为2.5年,CO 排 优惠Subsidy polices The 纂麓坚 言C DM ̄.薏 鉴Tax is c nvest 。盏 誉 benefitsGe neracthe放量为50g/kWh 。按此计算,10MWp并网光伏发电系 统整个生命周期内需耗能419.47TJ(相当于消耗电能 menter¨ Iives DM(元.l 71 K W11 J |h)feec .一 1 165万kWh),25年总发电量为3.15亿度。根据国家统 计局有关文件规定,从2006起,能源统计中电力消费的折 标煤系数统一采用当量系数0.122 9,即1万千瓦时电力 折合1.229吨标煤(1.229 tce/万kWh)。 首先计算10MWp并网光伏发电系统的在整个生命周 期内的环境成本。假设并网光伏系统在整个生命周期内 的耗能都由常规燃煤发电提供,则通过计算,我们得到光 设所有投资者都是理性的,投资者进入光伏市场的条件是 即NPV> ̄0。由图3可知,在合理内部收益率(IRR)为 10%的条件下,只有当光伏上网电价P≥2.22 ̄/kWh时, 才能保证光伏市场的可持续发展。 第三种模式:初始投资全部由补贴 量 在承担全部初始投资费用的条件下,并网光伏系 蚕墨 统的度电成本只有0.16 ̄t_/kWh,能够与常规能源发电相 噩餐蓦 竞争。 4环境效益分析 可再生能源发电的环境效益应该是从“减排环境效 墨一 图3不同上网电价净现值分析 Fig.3 Net present value analysis under different feed.in tariffs 表6 10MWp并网光伏发电系统环境效益测算 Tab.6 Net environmental benefits measurement for 10MWp PV power system 注:电力消费的折标煤系数为1.229 tee/万kWh;减排强度=1.229 tce/万kWh×污染物排放率;排放强度=(光伏系统生命周期内耗能× 减排强度)/光伏系统总发电量。 ・92・ 孙艳伟等:中国并网光伏发电系统的经济性与环境效益 伏系统发电的环境成本为0.009 66元/kwh。在东部地 区,新能源发电的环境成本普遍偏低,其中并网光伏发电 环境成本只略高于风电,具有非常广阔的开发前景(见图 4)。 风电 太阳能发电 水电 核电 生物质电 气电 油电 垃圾发电 煤电 环境成本(10- 元/kWh) Environmental costs 图4我国东部地区发电环境成本对比 Fig.4 The comparison of environmental costs of power generation in eastern China 光伏发电的减排环境效益是指因使用光伏发电而避 免了常规能源发电对环境造成的污染。也就是说利用光 伏系统每发一度电能,就可以避免常规燃煤发电所产生的 CO 、SO 、NO 、CO等多种污染物对环境造成的损害。计 算结果见表6,光伏发电系统的减排环境效益为0.026 147 kWh。因此,如果综合考虑光伏发电的环境成本和减 排环境效益,并网光伏发电的环境效益为0.016 5元/ kWh。 5结论及建议 从国外发展光伏产业和市场发展的经验来看,不同的 可再生能源发电技术,在不同发展阶段的价格机制和 体系的适用性不同。目前,我国光伏市场仍主要依靠 的激励。激励的变化对光伏市场和光伏企业的 影响巨大。推动我国光伏市场向前发展迫切需要出 台适当的、长期的激励。本文综合考虑了各种因素, 建立了光伏成本的计算模型,在此基础上计算了我国并网 光伏发电的成本,进而分析了光伏成本的影响因素,对比 了不同资金来源的模式下,不同激励工具的效果,最 后定量计算了光伏发电的环境效益。通过并网光伏发电 系统的经济性和环境效益的综合分析,结论如下: (1)在不同光照资源条件下,我国并网光伏发电的成 本差异巨大。在无补贴情况下,我国并网光伏发电成 本介于1.55—4.26元/kWh之间;在目前初始投资补 贴一半的情况下,并网光伏发电成本介于0.83—2.29元/ kWh之间。即便在光照资源最丰富的地区,并网光伏发电 仍无法与常规能源发电相竞争。 (2)在的激励中,初始投资补贴额度的变化 对发电成本影响很大,贷款贴息和税收减免的影响相对较 小。在项目的融资方面,初始投资密度对成本影响很大, 但这依赖光伏系统组件价格的下降,短期内降低幅度有 限;另外,贷款所占的比例对发电成本也有一定影响,而且 随着贷款比例的增加,发电成本逐渐降低。CERs的价格 虽然对发电成本的影响很小,但对光伏等新能源发电成本 的降低能起到积极作用。 (3)通过对不同激励工具组合效果的分析,第二 种模式(上网电价补贴)更切合实际,便于操作,出台一个 适当的、稳定的上网电价能够有效的推动光伏市场的可持 续发展。 (4)光伏系统发电的环境成本为0.009 66元/kwh; 光伏发电系统的减排环境效益为0.026 147 kWh,则 并网光伏发电的环境效益为0.016 5 kwh。与常规能 源发电相比,光伏发电环境效益显著,具有非常广阔的应 用前景。 (编辑:常 勇) 参考文献(Reference) [1]Global Solar Photovoltaie Market Report 2009[R].Synergyst, 2009—09. 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Key words grid—connected photm oltaie systems;the ne|[)resent value;single factor sensitivity analysis ・94・