中日家用光伏发电系统经济性对比分析

吴 琼, 任洪波

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

中日家用光伏发电系统经济性对比分析

吴 琼, 任洪波

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

回顾了中日两国家用光伏发电系统的现状及相关政策.以单位供电成本和动态投资回收期为评价指标,选取具有类似气候特性的中国上海市和日本北九州市的家用光伏发电系统为研究案例,分析其运行特性、经济性能及其影响因素.研究结果表明,上海家用光伏发电系统的经济性明显优于北九州,因此发展潜力巨大.为促进分布式光伏的推广,与装机补贴相比,提高上网电价则更为有效.

光伏发电; 中日比较; 经济性; 单位供电成本; 动态投资回收期

为应对国际光伏市场的持续低迷,缓解国内光伏产业的供需矛盾,分布式光伏发电已取代集中式光伏电站,成为我国光伏政策关注的重点.作为分布式光伏的一个重要应用领域,家用光伏发电系统在日本、德国等世界主要光伏市场已取得巨大成功;特别是在日本,家用光伏发电是其光伏发电系统的最主要应用形式,也是日本光伏政策的主要着眼点.[1-2]

家用光伏发电系统是一种建立在用户侧的自产自消型分布式能源系统,通过太阳能电池板直接将太阳能转化为电能,安装便捷、节能环保.然而对于潜在用户,系统经济性是影响其决策的决定性因素.[3-6]为此,本研究选取全球家用光伏发电市场的领导者——日本作为参考对象,从单位供电成本、动态投资回收期等多个角度对系统经济性进行中日比较分析.

1 家用光伏发电系统应用现状及政策分析

1.1 应用现状

中日光伏发电系统的累计装机容量见图1.

图1 中日光伏发电系统的累计装机容量

日本是全球最成功的光伏市场之一.截至2011年,日本光伏发电系统总装机容量已达4.9 GW,占世界总容量的7%.[7]其中,住宅建筑是日本光伏发电市场的最大用户,且市场份额呈增加趋势;2011年日本家用光伏发电系统容量占总装机容量约83%.预计到2020年,日本光伏发电系统总装机容量将增至50 GW.[8]

中国是全球最大的光伏制造业聚集地和光伏产品出口国,目前世界60%以上的光伏产品都是中国制造;另一方面,中国90%的光伏产品用于出口,只有10%的产品用于满足国内市场需求.因此,国内安装率低、出口依存度高的现状使得光伏电池生产过程中产生的环境负荷远超其带来的减排效果.[9]我国政府也充分认识到这种低碳产业高碳化的严峻形势,近年来开始高度重视光伏发电系统的应用与推广,出台了很多鼓励政策,效果显著.2011年,全国新增太阳能发电装机容量约2.2 GW,位居世界第3,约占全球新增容量的7%.然而相比于日本,我国光伏发电系统大多以集中式光伏电站为主,家用光伏发电等分布式光伏发电系统的装机容量微乎其微.

1.2 相关政策分析

自20世纪70年代以来,日本就非常重视太阳能发电尤其是家用光伏发电技术的应用与推广,相继出台多项促进政策.中日光伏政策比较如表1所示.

表1 中日光伏政策比较

日本于1994年开始实施家用光伏发电项目装机补贴政策,经过10年的时间,2004年其光伏发电系统总装机容量居世界第一.2005年,该项政策废除后,一些欧洲国家(如德国、西班牙)由于采取固定上网电价补贴(FIT)等措施,在世界光伏市场上超越日本.2009年,日本政府重新启动装机补贴政策,并出台了更多鼓励措施,如高达48日元/kWh的上网电价,以期重新回到世界光伏市场的领导者位置.与日本相比,我国光伏发电的应用与推广晚了将近20年.过去,我国过度沉迷于以出口为导向的光伏组件生产产业,而忽略了光伏消费市场的开拓.此外,早期我国光伏应用仍沿用传统集中式电站的发展思路,主推大型光伏电站项目,这与以分布式光伏为主导的世界光伏市场背道而驰.2011年,美国商务部决定对中国的光伏产品正式发起“双反”立案;2013年,欧盟对进口自中国的太阳能电池板征收惩罚性关税.面对国外市场的打压和畸形的国内外市场份额,国内光伏企业意识到亟须扩大国内市场,以保证企业的生存和发展.为此,2012年起,我国提出在全国范围内推广与应用分布式光伏发电,国家电网和国家能源局也出台了一系列关于并网服务和价格补贴的相关政策,以期充分发掘太阳能资源的巨大潜力.

2 经济性评价指标

为比较中日家用分布式光伏发电系统的经济性,选用单位供电成本和动态投资回收期两个指标来衡量系统的经济性能.[10]

2.1 单位供电成本

单位供电成本即单位发电量所需总成本.它与需求侧无关,由供给侧系统初投资、运行维护费用等决定,计算公式为:

(1)

式中:C——单位供电成本;Cinv——年均投资费用;Co&m——年运行维护费用;Esum——年度总发电量.

2.2 动态投资回收期

动态投资回收期是指在考虑货币时间价值的条件下,以系统净现金流量的现值抵偿初期投资现值所需要的全部时间,[11]其计算公式为.

(2)

式中:Cini——系统总投资;A——系统净现金流量;i——利率.

3 经济性能比较与分析

本文将通过具体实例,对中日两国家用分布式光伏发电系统的经济性进行比较分析.考虑到气候条件对光伏发电系统的出力特性以及需求侧电力负荷的影响,选取纬度相近、具有类似气候条件的中国上海市和日本北九州作为中日两国的代表城市.具体而言,本文在两个城市分别选定具有相同面积(150 m2)的住宅建筑为研究对象,综合考虑当地气象条件、能源价格等的差异性,探讨分布式光伏发电系统的经济性.

3.1 电力负荷

本文假定所研究住宅建筑的电力、空调、供暖和热水等终端能源需求均通过电力来满足.图2为上海和北九州冬夏两季典型日的逐时电力负荷.由于住宅建筑的用能特点,两地住宅电力负荷曲线呈现类似的峰谷起伏趋势.但是很明显,由于用电设备普及度和生活水平的差异,北九州的电力需求明显高于上海.同时,冬季电力负荷要明显高于夏季.

3.2 电价情况

本研究根据对当地电力公司的调查,总结出两地家庭用电价格体系,北九州的住宅分时电价结构较为复杂,分为3个等级、4个时间段;白天高峰时段(10∶00～17∶00)电价为低谷期的3倍以上,且夏季电价较其他季节更高.[12].相比而言,上海市居民用电价格绝对值较低,峰谷差别较小,且未实行季节性差别电价.[13]

对于上网电价,虽然两地均遵循“自用为主、多余上网”的政策,但上网电价制度仍存在较大的差别.在上海市,包括发电自用部分的光伏系统的全部发电量均可获得补贴,本研究取0.45 元/kWh;此外,剩余电力的上网电价为当地脱硫电价(上海为0.48 元/kWh)的基础上加上补贴电价,为0.93 元/kWh.然而在北九州,根据对当地电力公司九州电力的调查,其发电自用部分不能获得补贴,但上网电价较高,为2.33 元/kWh.

图2 上海和北九州冬夏两季典型日逐时电力负荷

3.3 其他参数

光伏系统的发电量主要取决于太阳辐射.本研究所采用的上海和北九州的逐时辐射数据均取自实测值.此外,评价系统经济性所需的其他技术和经济参数如表2所示.[14-16]

表2 两地光伏系统的技术和经济参数

3.4 结果与讨论

3.4.1 经济性对比分析

本文采用单位供电成本、动态投资回收期来评价家用光伏发电系统的经济性,结果如表3所示.

总体而言,上海市家用光伏发电系统的经济性明显高于北九州市.北九州家用光伏发电系统的单位供电成本高达上海的近3倍.这主要归因于其高昂的系统初期投资价格(参见表2).日本高昂的劳动力成本以及以国产为主的光伏市场导致其光伏组件价格一直居高不下;而在中国,由于政府对光伏产业的倾向性支持以及廉价的劳动力,国内光伏产品价格低廉,这也是其受到欧美打压的主要原因.然而就动态投资回收期而言,两地区差别大为缩小,只相差约2.2年.这是因为根据前述动态投资回收期的计算公式,其不仅考虑了包括供给侧和需求侧在内的整个供能系统全部经济信息,而且还融合考虑了光伏发电系统与常规供能系统的相对经济价值.因此,北九州较高的当地电价使得光伏发电系统的相对经济价值提高,从而获得相对理想的动态投资回收期.

表3 经济性评价结果

此外,由于上海采用了每度电补贴政策,因此其自发自用部分的实际收益为本地电价与补贴价格之和,即1.127 元/kWh,而供电成本仅为0.44 元/kWh,其发电自用部分的净收益为0.687 元/kWh;同样,其余电上网部分的净收益为0.49 元/kWh.对于北九州而言,由于没有每度电补贴政策,因此其发电自用部分在8∶00～10∶00间的净收益仅为0.1 元/kWh,在10∶00～17∶00间为0.89 元/kWh(夏季);由于其上网电价较高,所以余电上网部分的净收益为1.07 元/kWh.

综合考虑上述系统运行特性,为进一步促进家用光伏发电系统的应用与推广,两地的政策着重点均应有所调整.对上海而言,应进一步提高上网电价,而自发自用部分的每度电补贴可以适当减弱;相反,如果每度电补贴政策在北九州得到应用,其经济性能将会大幅改善.此外,装机补贴是降低北九州家用光伏发电系统单位供电成本的重要一环,目前其补贴力度相对较弱.同时,需要指出的是,虽然北九州家用光伏发电系统的整体经济性比上海差,然而其光伏发电系统的普及程度要明显高于上海.究其原因,市民的环保意识、政府和民间机构的宣传推广至关重要.在日本,光伏电池已成为一种大众电器出现在各大电器商场,同时媒体的大批量公益广告也使得市民对光伏发电都有基本认识.相对而言,在中国,光伏发电离普通市民的距离还较远,总被冠以高科技产品的名头,使得分布式光伏市场总是处于高处不胜寒的尴尬地位.因此,借鉴日本经验,促进光伏产品的平民化至关重要.

3.4.2 敏感性分析

动态投资回收期的敏感性分析结果如图3所示.

图3 动态投资回收期的敏感性分析结果

(1) 初期投资的敏感性 由图3可知,动态回收期随初期投资的降低而缩短,在北九州,其敏感度要稍高于上海,初期投资每降低10%,回收期会减少1.5年以上;在上海,初期投资减为现价的一半,其动态回收期将从12.4年减少到5.1年.对于北九州而言,虽然其初期投资减为现价的一半仍然高于上海目前光伏发电系统的价格,其回收年限将减少为7.4年.因此,通过扩大光伏组件进口从而降低系统单价是提高日本家用光伏发电系统经济性的一个有效手段.但必须指出的是,装机补贴只是短期行为,并不能成为长期政策,这也是虽然日本光伏组件价格较高,但并没有采取较强力的装机补贴政策的原因.

(2) 上网电价的敏感性 由图3可知,即使上网电价提高到现价的1.5倍,上海家用光伏发电系统的投资回收期仅减少3.8年,而北九州仅减少2.2年.北九州家用光伏发电系统的经济性对上网电价敏感度较低的主要原因是其所发电量主要为自家使用,上网部分所占份额较少.要想使得上网电价发挥更大作用,有必要促进光伏发电的全量收购,从而使得用户获利更多.

(3) 实际电价的敏感性 由图3可以看出,实际电价的增加对北九州家用光伏发电系统经济性的影响明显高于上海;当地电价提高50%时,北九州的回收年限减少4.3年,而上海仅减少2.0年.同时,随着实际电价的提高,其对光伏发电系统经济性的影响逐渐减弱.因此,并不能期待通过电价的升降来实现对家用光伏发电系统投资态度的巨大转变.

4 结 论

(1) 基于中日两国“自用为主、余电上网”的分布式光伏应用原则,由于上海和北九州两地负荷特性的差异,上海家用光伏发电量以上网占多,而北九州则主要用以自用.这也揭示了两地在促进分布式光伏应用与推广方面所应采取政策措施的差异性.

(2) 上海家用光伏发电系统的经济性明显优于北九州,这主要归因于我国低廉的光伏组件价格.为此,对比日本家用分布式光伏发电系统大规模普及的现状,我国现有补贴政策完全可以支撑今后分布式光伏发电系统的应用与推广.

(3) 虽然通过装机补贴可以明显提高家用光伏发电系统的经济性,但作为一种不可持续性政策,日本已逐渐废除,因此也不适用于我国分布式光伏的发展.

[1] 刘青荣,顾群音,阮应君,等.日本太阳能光伏发电系统的政策和实例[J].华东电力,2009,37(2): 280-283.

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[15] 深圳市金能谷光电科技有限公司.太阳能电池板参数[EB/OL].[2013-07-30].http://szjng.sm160.com/.

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(编辑 白林雪)

Economic Comparison of Residential PV Systems Between China and Japan

WU Qiong, REN Hongbo

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The current status and corresponding policies of residential photovoltaic(PV) system in China and Japan are reviewed. By taking the power generation price and dynamic payback period as the assessment index,Shanghai and Kitakyushu with similar climate conditions are selected to analyze the economic performance of the residential PV systems.According to the analysis results,the economic performance of the residential PV system in Shanghai is relatively better than that in Japan.Therefore,it is believed that there is great potential of residential PV system adoption in Shanghai.In addition,to promote the adoption of residential PV system,compared with the subsidies to initial cost,the rise of buyback price is considered to have better performance.

PV system; China-Japan comparison; economic performance; unit power generation price; dynamic payback period

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.018

2013-03-23

简介：吴琼(1987-),女,硕士,助理工程师,江苏泰州人.主要研究方向为新能源与分布式能源系统分析与评价.E-mail: wuqiongrff@163.com.

国家自然科学基金项目(71403162); 北京大学世界新能源战略研究中心课题(201405).

TM615;F426.61

A

1006-4729(2016)06-0589-05