第六章太阳能光伏发电系统的经济性分析-solarbe文库

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第六章太阳能光伏发电系统的经济性分析§ 6.1 前言光伏发电系统在缺电、无电地区得到了一定应用，而目前进一步大规模推广的主要障碍是光伏发电系统高昂的价格。光伏系统经济性研究十分复杂，它不仅涉及系统本身的初投资及技术可靠性，而且还涉及到应用地区的生态环境、资源条件、人员素质、交通状况等，特别是它与随机性很大的太阳能资源和用户需求密切相关，因而使其研究工作更加困难。目前，国内外大都采用实验示范研究、工程计算以及理论分析相结合的方法。定量地分析太阳能光伏发电系统的经济性，不仅要考虑发电系统的静态成本的效益，而且还必须注意其动态效益，全面反映太阳能光伏发电系统的经济话动情况，将有助于小型太阳能光伏发电系统的推广应用。我们根据能源分析的基本原理，借鉴常规能源系统经济分析方法，结合太阳能光伏利用系统的特点和性能参数，采用年现金流程分析法 [53]，即把太阳能光伏发电系统总投资折算成系统寿命年限内的年等值费用，计算小型光伏发电系统的单位供电成本，并与常规能源系统进行比较，研究太阳能光伏系统提高经济性的途径和适用范围，分析光伏发电系统的前景。§ 6.2 太阳能光伏发电系统单位供电成本 [53,54,55,56]太阳能光伏发电系统的关键部件是光伏电池，它们是利用光伏效应，将光能转换成电能。然后通过控制器、蓄电池及逆变器等送入负载。太阳能光伏发电系统主要由光伏电池、控制器、逆变器及蓄电池等组成。因此，光伏发电系统成本由以下几顶组成初投资光伏电池阵列、控制器和逆变器、蓄电池、支承系统和配电系统（包括安装调试、电缆等费用）、其它费用（运输费用及其它零星费用等）；运行费维修清洗费、管理费、人工工资等。太阳能光伏发电系统的成本由初投资和运行费二部分组成。由于太阳能光伏发电系统运行比较简单，运行费用相对不高，系统的主要费用之一是光伏电池，其价格较贵。工厂生产的光伏电池组件，通常只给定某一标准测试条件下的输出功率数，而实际应用，光伏电池的输出功率是变化的，同投射到光伏电池阵列表面的辐射量有关。我们知道，太阳辐射是随使用地点、季节、一天中的时间以及天气状况等多因素而变，因此，要确定光伏电池每年的实际发电量是一个十分复杂的问题。太阳光伏电池的年发电量不但与辐射能量有关，而且与日照时数有关。但是，气象台站给出的实测日照时数是不同辐射强度下累加值，而光伏电池阵列输出功率峰瓦是在 AM1.5 ，光伏电池温度 25℃，日照强度 1000W/m 2 条件下的测试结果。因此，要把年实测日照时数换算成年峰值日照时数。太阳能光伏电池阵列的总功率是由辐射参数和负裁确定的。但是，实际输出功率还与阵列表面的灰尘及长期使用后性能的衰减系数 f、蓄电池库仑效率 η b 及逆变器的效率 η i 有关。在综合考虑上面因素的情况下，太阳能光伏发电系统的年发电量为33 1010 yDWyfDWHTTiby （ 6.1）式中Hy年有效发电量（ kW h／年）；W太阳能光伏发电系统总的峰值功率（ W p）；n有效使用年限（年）， n 20 年；η b蓄电池库仑效率， η b＝ 0.8～ 0.92；η i逆变器的效率， η i 0.9～ 0.96；f衰减及灰尘等性能参数衰减系数， f 0.8～ 0.98；η 太阳能阵列输出的峰瓦功率转换成交流功率的总效率； η ≈ 0.6～ 0.87；DTy年峰值日照时数（ h／年）。光伏发电系统的总投资为0040302010 1 WCAWCAWCAWCAWCAWCBc （ 6.2）式中W光伏电池阵列的峰值功率 W p；C0光伏电池每蜂瓦价格（元／ W p）；A1蓄电池相对于光伏电池阵列的投资系数， A 10.15～ 0.7；A2控制器、逆变器相对于光伏电池阵列的投资系数， A 20.15～ 0.5；A3支架、电缆等辅助设施相对于光伏电池阵列的投资系数， A 30.05～ 0.25；A4其它费用（施工、运输等）相对于光伏电池阵列的投资系数， A 40.05～ 0.15；A光伏电池阵列以外的总投资系数， AA 1A 2A 3A 4， A0.4 ～ 1.6。光伏发电系统的单位（电量）运行费用10300yDnCHnWCOMTy（ 6.3）式中OM光伏发电系统的单位（电量）运行费用，元／ kW h；α 相对于光伏电池阵列的运行费用系数， α ≈ 0.005～ 0.015。为了便于与常规能源及其它能源进行对比，将发电成本用相对于光伏发电系统年等值费用的单位（电量）供电成本来表示，其关系式为10110101 3003030yDnCFCAnyDnCyDWFWCAOMHFBETTTyc（ 6.4）式中E单位（电量）供电成本，元／ kW h；F每年固定的分担费率； 111nniiiF， i 为贴现率， i 5～ 12。由方程（ 6.4）表明，单位供电成本是一项重要的技术经济分析指标，与光伏电池的价格、系统效率和辐射条件有关。它综台反映了各项主要因素对供电成本的影响，而且，也考虑了资金的时间因素。显然，单位供电成本越小，经济效益则越好。而且，可与火电、水电、风电及柴油发电系统相比较，分折不同供电系统的经济效益，评价其经济性。由方程（ 6.4）所计算绘制的一组曲线见图 6-1。由图中曲线可知，太阳能发电系统价格越高，年峰值日照时数越少则供电成本越高。图 6-1 供电成本与太阳能发电系统价格、气象条件的关系§ 6.3 火电及其它发电系统单位供电成本 [53,54,56,57,58]目前在我国关于各类发电系统的经济比较还没有统一的标准，而且，各类发电系统的情况也不尽相同，影响发电系统经济性的因素很多。例如，火电燃料的价格，运行、维修费用，设备效率，运行时间，使用寿命，税收标准，贷款利率等等；而水电还要考虑地形、地质、水文、库容以及大坝、引水渠道，淹没损失等。所以，评价各类发电系统的经济效果，应尽可能地考虑常规发电及配电系统诸因素的影响。对于太阳能光伏发电系统，需要与常规的发电系统以及核能、风能、柴油等发电系统进行比较。作为技术经济比较的对象，应符合下列条件1. 1. 满足相同的用电需要；（ 2）具有相同或相当的供电能力；（ 3）用电量或用电时数相同。常规供电方式，一船指水电和火电，其供电成本由两部分组成即发电成本与输电成本之和sfg HHH （ 6.5）式中Hg供电成电，元／ kW h；Hf发电成本，元／ kW h；Hs输电成本，元／ kW h。发电成本全国各地不一，为了便于比较，以全国中、小型火力发电的平均值为基准进行讨论。当然，具体项目可结合实际分析。输电成本包括系统投资，每年的维护、远行、管理等项费用之和。如果考虑输电效率，输电成本为444101010srssrs GLKNrFNGLKrGLKFH（ 6.6）式中G输电线年供电量 kW h／年 L输电线路长度 m；K每公里输电线路投资包括变电站，见表 2[56,57] ，万元／ km ；η s输电效率， η s＝ 0.88～ 0.95。N有效使用年限， N≈ 20 年；r线路或变电站的直接和间接维护费用系数， r≈ 0.02～ 0.03；Fr每年固定的分担费率； 111nnr iiiF， I 为贴现率， I 5～ 12。将 6 代人 5式得410srfg GLKNrFHH（ 6.7）表 6-1 每公里输电线路投资额定线电压（ kV）线路结构形式输送距离（ km）投资费用（万元／ km）6 架空 10～ 5 0.8 10 架空 15～ 8 1.1 35 架空 50～ 15 1.21 60 架空 70～ 30 1.58 110 架空 150～ 50 1.96 根据表 6-1 中的数据和公式 6.7，可算出不同容量、不同供电距离情况下供电成本，并绘成图 6-2。从图中曲线的变化来看，供电容量对供电成本的影响很大，即输电距离越长，输电容量越小则供电成本越高。图 6-2 供电成本与输电容量、供电距离的关系目前，国内也常用单位千瓦的总投资对各种发电装置进行比较。表 6-2[51,52,56]给出了各类发电装置的单位千瓦投资情况，火电千瓦投资中包括煤矿和环境投资；水电千瓦投资中包括其它部门分摊的投资；光伏发电千瓦投资中包括电池、支架、控制、安装等费用；风电千瓦投资中包括风机、支架、储能设备及其它投资。表 6-2 我国各类发电装置的单位千瓦投资表（元／ kW）火电水电风力发电光伏发电国产机组进口机组大水电小水电4500－ 6300 7200－ 8200 7000－ 10000 3000－ 4000 4000－ 7500 ＞ 5－ 6万从表 2 中看出，目前太阳能光伏发电是无法与大中型火电、水电相比较的。但是，对于独立的小容量的供电系统，太阳能光伏发电又有它的用武之地，况且，太阳能是一种无污染、无需运输的洁净能源，它有着与水电、火电不可比拟的优越性。§ 6.4 分析结果 [51,52,55]在我国的山区及边远地区、尚有许多乡、村没有电，这些地区一般都较为贫因，用电特点是小型、分散。因地制宜的发展这些地区的光伏发电事业，对于活跃经济，增加收益，提高当地人民的生活、文化水平都具有重要的意义。小型、分散的太阳能光伏发电系统正好与这些地区的用电特点相吻合。由于太阳能取之不尽，用之不竭，随处可得，加之光发电不需照料，不留废物，无污染，系统无传动部件，使用、维护、管理方便，不需架设长距离输电线路，建设周期短，组装后便可送电；更重要的是太阳光随地可取，无须运输免费供应，这更适合干旱、沙漠、丘陵、山区和远离电网的地区使用。目前，中小型独立太阳能光伏发电系统的单位供电成本主要受光伏电池组件和蓄电池价格的影响，单、多晶电池组件的峰瓦价格约为 30～ 35 元，非晶电池的峰瓦价格约为 26 元，蓄电池价格约为电池组件价格的 15～ 70％左右。再加上控制器、逆变器等其它费用，光伏发电系统成本大约是单（多）晶 50～ 70 元／ W p，非晶 40～ 60 元／ Wp。对于大型光伏发电系统，由于其土建和安装费用较大，因而成本会更高。若将不同的气象参数、系统成本代入 6.4式，便可得到一组曲线，见图 6-2。图 6-2 表明，太阳能光伏发电系统的供电成本随着日照时效的增加，起初下降较快，当日照时数超过 2200 小时，供电成本趋于平缓。但是，随着光伏发电系统成本增加，曲线向上平移，单位供电成本增加。若以我国 I 类光照地区即西北地区的年峰值日照时数 2200 小时为例目前，单晶硅光伏发电系统每峰瓦成本约为 50～ 70 元，每千瓦时供电成本在 2.3～ 3.2元之间；非晶硅光伏发电系统每峰瓦约在 40～ 60 元左右，其供电成本在 1.8～ 2.8 元之间；对于一些要求比较高的光伏发电系统，每峰瓦成本在 80 元左右，其单位供电成本在 3.7 元左右。对于常规的水电或火电，大容量集中供电，其单位供电成本远低于光伏发电供电系统。但是，若采用大电网给分散居住的农牧区供电，由于输电成本急剧上升，其供电成本大幅度上升。由图 2 可知，不同输电距离，不同输电容量，其单位供电成本随输电距离的增加而上升。如5 千瓦的输电线路，若输电距离 40 公里，则供电成本约 3.4 元／ kWh 左右；若输电距离 50公里，则供电成本约 4.2 元／ kWh 左右。此时用大电网供电的单位供电成本已高于光伏发电系统。虽然太阳能光伏发电已成为全球发展最快的能源之一，然而与风力发电相比，光伏发电成本仍较高。在我国，风力发电的成本为 0.6 元／ kWh 左右，上网电价为 0.7～ 0.95 元／ kWh ，是现今在各种可再生能源中，发电成本最接火电等常规能源发电成本的。但风能发电受地域的限制比太阳能发电更加明显，风力发电对环境也有一定的影响。实践证明，采用风、光互补发电系统是弥补各自不足发挥各自所长的好办法。对于那些交通不便、经济落后的边远山区，远距离输电不仅线损失大，由于气候等的影响，线路故障也多，而且，还要消耗大量的有色金属，投资很大，运行管理，维修费用也大。因此，在目前或将来靠远距离给分散的边远地区送电在经济上是不可行的。而发展这些地区的光伏发电、风力发电等绿色电力事业，不但经济上可行，而且对发展这些地区的经济、文化也有重要的意义。总之，对于那些大电网无法涉足的地方以及特殊要求的工作环境，可以肯定，独立运行的光伏发电系统是有较大优势的。而对于大电网能够供电的地方，鉴于我国的能源和环境状况，并网运行的光伏发电系统也具有很好的应用前景。