全生命周期视角下农村户用光储项目经济效益分析

毛维杰 乔新娜 王维军

摘要：在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的环境背景下，积极推进可再生能源的开发与利用得到了国内外学者的广泛重视。太阳能作为清洁能源之一，开发利用太阳能资源对调整我国能源结构、改善生态环境具有重要意义，因此分布式光伏具有巨大的发展潜力。农村地区丰富且闲置的屋顶资源为户用光伏的推广建设提供了前提条件。基于此，本文主要梳理与分析户用光伏系统的运行模式，构建户用光伏成本效益计算模型，并通过算例计算四种户用光伏运行模式的经济效益，为农村户用光伏系统投资经济性评估和推广发展提供参考。

关键词：户用光伏；运行模式；效益

近年来，煤炭、石油和天然气等化石能源的过度开采与利用，全球能源供应日趋紧张，改变能源结构、提高能源利用率、积极推动风光等可再生能源的发展已成为各国应对能源危机的重要措施，得到了社会各界的广泛认可。在碳达峰、碳中和目标的指引下，分布式能源以环保、经济、高效等优点，成为越来越多发电企业和能源企业的选择。光伏作为解决能源问题的有效方案之一，对改善电源结构、落实碳减排目标具有重要意义，发展前景广阔。随着近年来光伏产业技术的进步和国家补贴政策的变化，光伏组件的价格较过去有所下降，对用户而言，光伏发电有了更高的投资价值。同时，农村地区可利用众多屋顶资源为户用光伏的开发建设提供了良好条件，推广屋顶光伏可实现丰富且闲置的屋顶资源开发，有利于农村居民参与户用光伏开发项目，为农村增加就业、创业机会，提高农村居民收入。目前，已有多省市出台相关政策文件，明确要求在县级地区推进屋顶户用光伏试点工作，为户用光伏发电系统提供补贴，促使户用光伏项目的发展。

本文以户用光伏系统在国内外的快速发展为背景，提出适用不同场景的户用光伏运行模式。分析户用光伏系统的成本与收益构成，构建成本效益计算模型，最后通过算例分析计算不同运行模式户用光伏系统的经济效益，通过敏感性分析验证模型的有效性，为农村地区屋顶光伏投资发展提供建议，以进一步改善能源结构、促进可再生能源发展。

一、分布式户用光储系统运行模式

目前，根据应用场景，户用光伏系统主要有四种运行模式：

（一）模式一

模式一为光伏系统单独运行，不配置储能设备。光伏系统发电仅供居民用户使用，夜间或光伏发电不足时考虑电网购电，光伏白天所发多余电能采取弃光处理。

（二）模式二

模式二为光伏系统单独运行，不配置储能设备。光伏系统发电仅供居民用户使用，夜间或光伏发电不足时考虑电网购电，光伏白天所发多余电能并入电网。与模式一相比，模式二多余的光伏发电量可以接入电网，获得卖电收益。此类光伏并网模式还要考虑大部分光伏发电上网对农村配电网的安全稳定运行造成的影响。

（三）模式三

模式三为光伏系统配置储能设备，该场景光伏储能系统的运行方式为自发自用，剩余光伏所发电能存储到储能设备中，以供居民夜间用电。例如，光伏剩余电能高于储能容量，可以采取弃光处理；夜间储能电池余量或光伏发电不足时，可以考虑电网购电。

（四）模式四

模式四为光伏配置储能系统，并采用自发自用、余电上网的运行方式。光伏所发电能优先供给用户使用，其次供给储能装置，最后剩余电能选择上网，获得售电收入。配置储能可以存储光伏发电，不但可以提高用户消耗光伏发电的比例，还能缓解农村配电网的光伏渗透压力。

二、户用光伏系统成本效益分析模型

（一）户用光伏储能系统成本分析

1.户用光伏系统成本

农村户用光伏发电系统成本主要包括前期设备投资成本和后期的运行维护成本。户用光伏系统设备投资成本如式1所示。

（1）

其中：表示光伏发电设备投资成本，表示单位功率光伏组件成本，表示光伏额定装机容量，表示光伏系统逆变器单位功率成本，表示固定支架单位成本，表示固定支架数量。

户用光伏系统运维成本一般包括修理费用、材料费用和人工费，具体如式2所示。

（2）

表示户用光伏系统全寿命周期运维成本，表示户用光伏运行年限，表示第年户用光伏维修费用，表示第年户用光伏运维单位功率材料费用，表示第年运维人工数量，表示第年运维人员人均工资，表示贴现率。

2.储能电池成本

储能电池投资成本如式3所示。

（3）

其中：表示储能装置总成本，表示储能电池额定容量，表示储能电池单位容量成本，表示储能电池额定功率，表示储能电池单位功率成本。

3.电网购电成本

居民家庭在安装户用光伏系统后每年电网购电成本如式4所示。

（4）

其中，表示用户第年电网购电成本，表示第年第天第时段用户用电负荷需求，表示第年第天第时段光伏发电出力，表示第年第天第时段储能电池出力，表示时间间隔，表示第年第天第时段对应的居民电价。

（二）户用光伏储能系统收入分析

1.节约购电收入

居民安装户用光伏发电系统后，光伏发电量能满足一部分家庭日常用电，减少电网购电量，可以节约家庭电费支出，故将用户节约的电费支出记为用户的潜在收益。节约电网购电收入如式5所示。

（5）

其中，表示居民第年节约电网购电收入，表示居民在第年第天第时段减少的电网购电。

2.光伏上网收入

当户用光伏余电并入电网时，用户可以赚取电网支付的光伏发电上网收益。户用光伏余电上网收入计算公式如6所示。

（6）

其中，表示居民用户屋顶光伏第年余电上网年收入，表示户用光伏第年第天第时段并网功率，表示地区户用光伏第年第天第时段发电上网电价。

3.光伏发电补贴收入

由于光伏发电可以有效降低二氧化碳排放，加速促进“双碳”目标的实现，因此政府会增加光伏发电项目的发电补贴。户用光伏发电补贴收入如式7所示。

（7）

其中，表示户用光伏发电的年补贴收入，表示度电补贴价格。

三、算例分析

（一）算例基础数据

本文以某农村居民家庭为例进行计算，安装容量为6kW的户用屋顶光伏。如果配置储能，要按照装机容量的20%、充电时长为3h配置储能设施，即储能电池功率为1200W、容量为3600kWh。

光伏运维费用中人工费为1万元/年，维修费在运营期第1～5年内为5元/kW.月，第6～10年为8元/kW.月，第11～25年为15元/kW.月，按照残值率5%回收光伏设备固定资产残值，户用光伏与储能电池基础参数如表1所示。

光伏发电量优先提供给家庭日常用电负荷，在模式一中，不配置储能，光伏发电量提供给用户之外的剩余电能并入电网。模式二中，配置储能设备，光伏发电量首先满足用户负荷需求，其次存储至储能电池中，电池满电后光伏余电并入电网，户用光伏各模式季节运行情况，如表2所示。

可以看出，模式三与模式四由于配置了储能设备，通过储能电池存储多余的光伏发电，能减少户用光伏发电的上网电量，光伏发电全年的自用比例由14.67%提升至26.85%，自用比例增长明显。

（二）户用光伏系统成本效益计算

在四种运行模式下，前三年政府为户用光伏发电提供补贴，度电补贴价格为0.3元/kWh，光伏上网电价为0.3元/kWh，运行年限为25年，选取基准收益率7%，根据仿真运行情况，四种模式户用光伏系统成本效益计算结果如表3所示。

从表中可以看出，模式一中，通过安装户用光伏储能系统，居民家庭每年能通过光伏发电节约电网购电费用865.32元，由于存在大量弃光，同时未配置储能电池，系统的财务内部收益率仅为4.42%，低于基准收益率7%，不具备投资价值；模式二中，居民通过光伏上网，每年可获3600.66元的余电上网收入，系统财务内部收益率达29.24%，FNPV为36303.94，有良好的经济性；模式三中，配置储能设备，家庭每年可节约电网购电费用1916.52元，但系统内部收益率仅为5.76%，这主要是该模式下存在较大比例弃光，能源效率较低；模式四中，家庭每年通过户用光伏上网获得3086.89元收益，每年减少电网购电费用1986.95元，系统FIRR为18.62%，高于基准收益率，有较好的投资可行性。

模式一与模式三经济效益较差的原因主要是光伏没有并入电网，存在较大比例的弃光电量，但站在电网角度，这两种模式均能有效降低分布式能源并确保电网安全稳定运行，政府或企业可以考虑为这两种模式提供相应的补贴，以此提升经济效益。

四、结语

综上所述，本文针对农村地区户用光伏的不同运行模式，构建户用光伏系统成本效益分析模型，通过算例分析计算得出不同运行模式下户用光伏系统的成本及经济效益情况。同时，通过经济效益模型的构建与计算，为户用光伏在农村地区的投资发展提供参考。

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作者简介：毛维杰，高级工程师；乔新娜：助理工程师；王维军，华北电力大学（保定校区），副教授。