樞紐機場光伏發(fā)電項目的應用現(xiàn)狀與效益分析

李辛陽，高 陽

(河南省機場集團有限公司，鄭州 451161)

0 引言

能源是現(xiàn)代社會存在和發(fā)展的基石，而當前隨著綠色經(jīng)濟的深入人心和碳排放交易的推行，新能源的利用，尤其是太陽能的利用，得到了大力發(fā)展。根據(jù)國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：截至2021年4月底，我國太陽能發(fā)電的裝機容量已達2.6億kW。而光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電的一種重要形式，是近年來發(fā)展最快、最具經(jīng)濟潛力的新能源利用形式。我國多家樞紐機場，如深圳寶安國際機場、杭州蕭山國際機場、北京大興國際機場均先后啟動了光伏發(fā)電項目。本文在闡述了光伏發(fā)電項目的類型及其典型并網(wǎng)方式的基礎上，介紹了目前國內外樞紐機場光伏發(fā)電項目的應用現(xiàn)狀，并對樞紐機場光伏發(fā)電項目進行了全生命周期的效益計算。

1 光伏發(fā)電項目的類型及典型并網(wǎng)方式

按照建設模式不同，光伏發(fā)電項目可分為集中式光伏發(fā)電項目和分布式光伏發(fā)電項目2類。其中，不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電項目的并網(wǎng)電壓等級也不同。根據(jù)QGDW 1480—2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電項目推薦的并網(wǎng)電壓等級如表1所示。

表1 不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電項目推薦的并網(wǎng)電壓等級Table 1 Recommended grid-connected voltage levels of distributed PV power generation projects with different installed capacity

根據(jù)投資運營主體和結算對象不同，光伏發(fā)電項目的運營模式可分為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式、全額上網(wǎng)運營模式及合同能源管理運營模式這3種[1]。

光伏發(fā)電的并網(wǎng)方式可分為并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的并網(wǎng)方式和并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的并網(wǎng)方式。

1)并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的并網(wǎng)方式。典型的并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的設計方案如圖1所示。

此種設計方案適用于采用全額上網(wǎng)運營模式的光伏發(fā)電項目。對于樞紐機場光伏發(fā)電項目而言，若采用此種設計方案，則說明并網(wǎng)點與產(chǎn)權分界點一致，光伏發(fā)電系統(tǒng)與樞紐機場電網(wǎng)相互獨立。

圖1 典型的并網(wǎng)點接入公共電網(wǎng)的設計方案Fig.1 Design scheme of typical grid connection point connecting to public grid

2)并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的并網(wǎng)方式[2]。典型的并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的設計方案如圖2所示。

圖2 典型的并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的設計方案Fig.2 Design scheme of typical grid-connected point connecting to user power grid

此種設計方案適用于采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和合同能源管理運營模式的光伏發(fā)電項目。對于樞紐機場光伏發(fā)電項目而言，若采用此種設計方案，不會改變用戶與公共電網(wǎng)之間的產(chǎn)權分界點，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入樞紐機場電網(wǎng)內。

2 國內外樞紐機場光伏發(fā)電項目的應用現(xiàn)狀

深圳寶安國際機場于2012年啟動其光伏發(fā)電項目，由中廣核太陽能開發(fā)有限公司分2期投資建設，總投資額約為1.8億元。該項目為分布式光伏發(fā)電項目，裝機容量為20 MW，光伏組件主要安裝于物流園區(qū)及機場貨站樓的屋頂，占用屋頂?shù)目偯娣e約為14.3萬m2。該項目采用并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及合同能源管理的運營模式。截至2021年初，該項目的年均發(fā)電量約為1500萬kWh。

杭州蕭山國際機場于2016年啟動其光伏發(fā)電項目，采用公開招標的方式，以電價折扣力度為標準選擇合作方。該項目為分布式光伏發(fā)電項目，截至2021年3月，項目的裝機容量為6.57 MW；光伏組件主要安裝在機場貨站樓、宿舍樓、順豐物流園及蓄車樓的屋頂。該項目采用并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及合同能源管理的運營模式。截至2021年初，該項目的年均發(fā)電量約為800萬kWh。

北京大興國際機場于2019年啟動了其北一跑道分布式光伏發(fā)電項目，由中國能源建設集團北京電力建設有限公司建設，該項目的裝機容量為2 MW，光伏組件主要布置在跑道周邊的空地上。該項采用并網(wǎng)點接入用戶側電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運營模式。該項目25年的年均發(fā)電量預計為220萬kWh。

光伏發(fā)電在國外樞紐機場也得到了廣泛應用。馬來西亞吉隆坡國際機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為19 MW，其25年的年均發(fā)電量預計約為2.6萬MWh；日本長崎機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為30 MW，25年的年均發(fā)電量預計為3.7萬MWh；印度科欽國際機場于2015年成為全球第1個完全由光伏發(fā)電來供應電力的機場，截至2021年，該機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為40 MW，25年的年均發(fā)電量預計為5.2萬MWh。

3 樞紐機場光伏發(fā)電項目的效益計算模型

3.1 運營模式分析

3.1.1 “自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式

采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式的樞紐機場光伏發(fā)電項目，投資方為樞紐機場，可采取機場自主管理或外包管理的運維方式。在該運營模式下，光伏電力優(yōu)先供機場使用，若有盈余，則按照當?shù)氐墓夥l(fā)電標桿上網(wǎng)電價出售給國家電網(wǎng)。

該運營模式下，樞紐機場承擔所有的項目成本，并享受所有的項目收益。

3.1.2 全額上網(wǎng)運營模式

采用全額上網(wǎng)運營模式的樞紐機場光伏發(fā)電項目，投資方的選擇較為靈活，可以是樞紐機場或新能源投資公司。投資方出資建設與管理光伏發(fā)電項目，將光伏電力全額出售給國家電網(wǎng)。

該運營模式下，投資方承擔所有的項目成本，并享受所有的項目收益。當投資方不是樞紐機場時，投資方需支付占用機場區(qū)域的租金；而當投資方是樞紐機場時，考慮到光伏發(fā)電標桿上網(wǎng)電價在逐年降低，且目前已低于樞紐機場日常用電電價，若樞紐機場采用該運營模式則其項目總體收益會低于采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時，因此不建議樞紐機場采用此種運營模式。

3.1.3 合同能源管理運營模式

合同能源管理運營模式是一種新型的應用于節(jié)能業(yè)務方面的運營模式，投資方(大多數(shù)情況下為新能源投資公司)與樞紐機場以合同契約的形式約定光伏發(fā)電項目的年發(fā)電量目標，為樞紐機場提供光伏電力。樞紐機場作為用電方，享有比市電更便宜的優(yōu)惠電價。該運營模式的實質是投資方以樞紐機場繳納的光伏電費來抵消其投入的成本。

該運營模式下，樞紐機場除提供光伏發(fā)電項目的用地外，無需投入其他成本，并享有優(yōu)惠電價，由此減少的電費支出相當于其穩(wěn)定的收益。同時，相比于使用火力發(fā)電電力，使用光伏電力可減少碳排放，隨著碳排放交易政策的落實，由減少的碳排放量獲得的交易收入也屬于樞紐機場的收益。

3.2 成本計算

樞紐機場光伏發(fā)電項目的成本主要包括初始投資成本、運維成本及貸款利息[3]。

3.2.1 初始投資成本

項目初始投資成本I0主要包含設備費用、安裝費用、場地費用及電網(wǎng)接入費用等。I0的計算式可表示為：

式中：PAZ為光伏發(fā)電項目的裝機容量；IW為光伏發(fā)電項目單位裝機容量的投資成本。

3.2.2 運維成本

項目運維成本主要包括設備預防性維護費用、設備周期性維護費用、設備定期測試費用等。項目的年運維成本IM可表示為：

式中：IWM為項目全生命周期內光伏組件單位裝機容量下的年運維成本。

3.2.3 貸款利息

項目貸款利息受項目的總投資額、貸款比例、貸款種類、政策優(yōu)惠等因素的影響，每個項目可根據(jù)自身的實際情況進行分析計算，本文不對此進行分析。

3.3 收益計算

樞紐機場光伏發(fā)電項目的收益主要包括政府補貼、發(fā)電量上網(wǎng)收入、項目殘值、優(yōu)惠電價收入、碳減排收入。

3.3.1 政府補貼

政府補貼主要包括光伏發(fā)電補貼、建設投資補貼、建設投資方稅收補貼。雖然不同地方關于光伏發(fā)電的政府補貼標準不同，但目前我國正在逐步較少相關補貼。

3.3.2 發(fā)電量上網(wǎng)收入

光伏發(fā)電項目的首年發(fā)電量Ep的計算式可表示為：

式中：HA為水平面總太陽輻射量；ES為標準測試條件下的太陽輻照度；K為綜合效率系數(shù)，該值是在綜合考慮光伏組件類型修正系數(shù)、光伏組件安裝傾角、逆變器效率、光伏組件光電轉換效率修正系數(shù)等因素對光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響后得出的。

當以當?shù)氐姆逯等照招r數(shù)H為主要因素分析光伏發(fā)電項目的首年發(fā)電量時，Ep還可表示為：

考慮到光伏組件每年都會存在輸出功率衰減的情況，光伏發(fā)電項目第n(n≤25)年的發(fā)電量Epn的計算式可表示為：

式中：Rg為光伏組件的年輸出功率衰減率。

當光伏發(fā)電項目的運營模式不同時，投資方第n年的光伏發(fā)電收入的計算式也有所不同。

1)當樞紐機場光伏發(fā)電項目采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時，投資方(樞紐機場)第n年的光伏發(fā)電收入BIn計算式為：

式中：Rs為樞紐機場光伏電力的自用率，Rs≤100%；Pi為光伏發(fā)電標桿上網(wǎng)電價；Pd為當?shù)仉娋W(wǎng)的售電電價。

2)當樞紐機場光伏發(fā)電項目采用全額上網(wǎng)運營模式時，在樞紐機場不是投資方的情況下，該運營模式下樞紐機場的固定收益為光伏發(fā)電項目占用機場區(qū)域的租金。而除樞紐機場以外的投資方(第三方)第n年的光伏發(fā)電收入Bxn的計算式可表示為：

3) 當樞紐機場光伏發(fā)電項目采用合同能源管理運營模式時，除樞紐機場以外的投資方(第三方)第n年的光伏發(fā)電收入Bhn的計算式可表示為：

式中：Pc為樞紐機場享有的優(yōu)惠電價。

該運營模式下，樞紐機場因享有優(yōu)惠電價而獲得的第n年的收入Bmn的計算式可表示為：

3.3.3 項目殘值

光伏發(fā)電項目的生命周期結束后，項目處理相關設備所得到的費用即為項目殘值Bsv。Bsv的計算式可表示為：

式中：Rsv為項目的殘值率。

3.3.4 碳減排收入

根據(jù)我國的碳交易政策，已將民航業(yè)納入碳排放管理和交易之中。光伏發(fā)電不會產(chǎn)生碳排放，但需要說明的是，本文計算不涉及光伏發(fā)電項目中的設備在制造、安裝時產(chǎn)生的碳排放。對比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，光伏發(fā)電項目第n年的碳減排量CEn的計算式可表示為[4]：

式中：CEf為火力發(fā)電單位發(fā)電量的碳排放量。

該項目的碳減排收入Bc的計算式可表示為：

式中：Pcc為光伏發(fā)電項目的碳交易價格。

3.4 平準化度電成本模型

平準化度電成本(LCOE)是用來衡量光伏發(fā)電項目全生命周期內單位發(fā)電量的綜合成本的指標。根據(jù)LCOE的定義，當光伏發(fā)電項目的售電電價達到LCOE時，則該項目的總成本現(xiàn)值Ct等于其總收入現(xiàn)值Bt，即[5]：

由于樞紐機場光伏發(fā)電項目采用全額上網(wǎng)運營模式時，樞紐機場的項目收益為租金；采用合同能源管理運營模式時樞紐機場的項目收益為因享有優(yōu)惠電價而獲得的收入，因此，僅需計算采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時樞紐機場光伏發(fā)電項目的LCOE，從而可得到該項目的總收入現(xiàn)值。根據(jù)式(13)，在該模式運營下樞紐機場光伏發(fā)電項目的各項成本和各項收入之間的關系，可表示為：

式中：i為項目的折現(xiàn)率；N為光伏發(fā)電項目的全生命周期，本文取25年。

由于目前樞紐機場光伏發(fā)電項目均處于發(fā)電階段，且光伏電量能被機場全部消納，因此Rs=100%。將該值代入式(6)可得：

將式(15)代入式(14)，可得：

在光伏發(fā)電項目的售電電價為當?shù)仉娋W(wǎng)的售電電價且與LCOE相等的前提下，式(16)可進一步表示為：

從式(17)可以看出，當忽略光伏發(fā)電項目的碳減排收入和項目殘值收入時，LCOE就是光伏發(fā)電項目全生命周期內總成本現(xiàn)值與全部發(fā)電量現(xiàn)值的比值。由于LCOE值越小，光伏發(fā)電項目的單位發(fā)電量成本也就越低，因此，當該項目每度電的售價大于LCOE時，項目才有收益。

將式(1)、式(2)、式(4)、式(10)～式(12)代入式(17)，可得：

當忽略碳減排收入和項目殘值時，式(18)可簡化為：

4 實例分析

4.1 光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年地面光伏發(fā)電項目的平均初始投資成本為3.99元/W，工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目的平均初始投資成本為3.38元/W；地面光伏發(fā)電項目每年的平均運維成本為0.046元/W，分布式光伏發(fā)電項目每年的平均運維成本為0.054元/W。

4.2 基于LCOE的光伏發(fā)電項目的成本效益分析

我國大多數(shù)地區(qū)的峰值日照小時數(shù)在1000～2000 h之間，為分析不同峰值日照小時數(shù)下光伏發(fā)電項目的LCOE，現(xiàn)作如下假設：N=25年、K=0.8、Rg=0.8%、i=5%、IW=3.38元/W、IWM=0.054元/W，不考慮碳排放交易。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用式(19)可計算得到不同峰值日照小時數(shù)下光伏發(fā)電項目的LCOE，結果如表2所示。

表2 不同峰值日照小時數(shù)下光伏發(fā)電項目的LCOETable 2 LCOE of PV power generation projects under different peak sunshine hours

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《關于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策有關事項的通知》[6]，我國Ⅰ～Ⅲ類太陽能資源區(qū)內光伏發(fā)電標桿上網(wǎng)電價分別為0.35、0.40、0.49元/kWh。這3個光伏發(fā)電標桿上網(wǎng)電價均高于表2中峰值日照小時數(shù)大于等于1400 h時光伏發(fā)電項目的LCOE值，這說明在此條件且無政策補貼的情況下，項目仍能產(chǎn)生效益，具有投資價值；并且峰值日照小時數(shù)越高，光伏發(fā)電項目的LCOE值越低，項目的收益越好。

4.3 項目參數(shù)

本文以華中地區(qū)某樞紐機場的分布式光伏發(fā)電項目為例，對分別選擇“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和合同能源管理這2種運營模式時該項目的經(jīng)濟性進行分析。

本樞紐機場光伏發(fā)電項目的裝機容量為7 MW，項目初始投資成本為2793萬元，項目所在地的峰值日照小時數(shù)為1460 h；光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)取0.8，光伏組件的年輸出功率衰減率取0.8%，項目殘值率取5%；項目全生命周期內光伏組件單位裝機容量下的年運維成本為0.054元/W；項目的全生命周期取25年，項目折現(xiàn)率取5%。碳排放量計算根據(jù)生態(tài)環(huán)境部公布的300 MW以下燃煤機組碳排放量基準值為0.979 t/MWh進行計算，碳排放交易按照24元/t計算。該樞紐機場的市電電價為0.53元/kWh，合同能源管理運營模式下樞紐機場享受的優(yōu)惠電價為0.477元/kWh。

4.3.1 項目的發(fā)電量計算

根據(jù)式(5)可得到該樞紐機場光伏發(fā)電項目的首年發(fā)電量為811.06萬kWh；而將該項目的各參數(shù)輸入PVsyst軟件進行仿真分析，得到該項目的首年發(fā)電量為853.17萬kWh?？紤]到軟件仿真時，光伏組件、逆變器等設備的參數(shù)，光伏組件的安裝方式及氣象數(shù)據(jù)等信息與實際情況會存在些許差別，但與公式的計算結果相比，仿真結果的誤差在允許范圍內。不過，為了追求更精細的計算，下文中的計算結果均是基于本文的公式得到的。

通過公式計算得到本項目25年全生命周期的總發(fā)電量約為18314.24萬kWh。

4.3.2 項目的效益計算

1)當該項目采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式時，由于樞紐機場能全部消納項目所發(fā)光伏電力，因此無需對余電上網(wǎng)部分進行分析。此時根據(jù)式(6)、式(10)～式(12)，可得到項目全生命周期的發(fā)電總收入為9706.54萬元，項目殘值為139.65萬元；當該項目減少的碳排放量為17.93萬噸時，碳減排收入為430.32萬元。將上述數(shù)據(jù)折算成項目初始收入現(xiàn)值，可得到項目25年的發(fā)電總收入現(xiàn)值為5593.12萬元，項目的殘值現(xiàn)值為41.24萬元，碳減排總收入現(xiàn)值為247.92萬元。

2)當該項目采用合同能源管理運營模式時，樞紐機場的收益包括享受優(yōu)惠電價帶來的收入和碳減排收入。在項目全生命周期內樞紐機場可使用相較于市電更便宜的光伏電力，其25年的優(yōu)惠電價總收入為970.65萬元，碳減排總收入現(xiàn)值為430.32萬元。將上述數(shù)據(jù)折算成項目初始收入現(xiàn)值，該項目25年的優(yōu)惠電價總收入現(xiàn)值為559.31萬元，碳減排總收入現(xiàn)值為247.92萬元。

4.3.3 項目成本計算

根據(jù)式(1)、式(2)，可得到該樞紐機場光伏發(fā)電項目的初始投資為2793萬元，每年的運維成本為37.8萬元，25年的總運維成本為945萬元。將25年的總運維成本折算成項目初始時的運維成本現(xiàn)值，為532.75萬元。

4.3.4 項目效益分析

結合上述結果對不同運營模式下本光伏發(fā)電項目25年的效益進行分析，結果如表3所示。

表3 不同運營模式下本光伏發(fā)電項目25年的效益分析結果Table 3 25-year benefit analysis results of PV power generation projects under different operating modes

由表3可知，2種運營模式下該光伏發(fā)電項目在25年全生命周期內均能得到可觀的收益。

光伏發(fā)電項目的發(fā)電量、投資成本對LCOE的影響較大，但隨著光伏發(fā)電技術的進步，光伏組件成本的降低及光電轉換效率的提高，LCOE將會逐年降低，因此，光伏發(fā)電項目會越來越受到樞紐機場的青睞。

5 結論

本文對不同運營模式下的樞紐機場光伏發(fā)電項目的效益進行了分析計算，建立了項目的LCOE計算模型，并根據(jù)市場發(fā)展趨勢，考慮了碳排放交易產(chǎn)生的效益，計算了不同峰值日照小時數(shù)下項目的LCOE，得出以下結論：

1)峰值日照小時數(shù)大于等于1400 h的地區(qū)，樞紐機場光伏發(fā)電項目的LCOE低于標桿上網(wǎng)電價，具備投資的可行性；且峰值日照小時數(shù)越高，項目的LCOE越低，其收益越高。因此，光照資源好的樞紐機場適合應用光伏發(fā)電項目。

2)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和合同能源管理運營模式下樞紐機場光伏發(fā)電項目均能得到可觀的收益，但“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運營模式的收益更高，不過其投資成本也相對較高。若樞紐機場不想負擔較高的投資成本，其光伏發(fā)電項目可采取合同能源管理運營模式，該運營模式下樞紐機場僅需提供光伏發(fā)電項目的用地，項目的風險低且收入穩(wěn)定。