光伏建筑外部性量化分析

李 芊， 唐蓓蕾， 李賀龍

(西安建筑科技大學 管理學院， 陜西 西安 710055)

光伏建筑外部性量化分析

李 芊， 唐蓓蕾， 李賀龍

(西安建筑科技大學 管理學院， 陜西 西安 710055)

由于外部性的存在，導致光伏建筑的發展受到制約，亟待政府制定相應的經濟激勵政策推動其發展。文章以此為出發點先論述了光伏建筑的概念，又針對光伏建筑所存在的外部性問題，運用經濟學相關理論解釋外部性的概念，并在此基礎上闡述了光伏建筑具有正的外部性，研究了光伏建筑外部性表現形式，建立了光伏建筑外部性量化模型，并運用該模型對光伏建筑進行量化分析。研究表明光伏建筑具有很強的正外部性特征，需要實施一定的經濟激勵政策使外部性內部化，明確指出了光伏建筑經濟激勵政策需要達到的具體支持力度。本文研究成果為制定相關經濟激勵政策提供了必要依據。

光伏建筑； 外部性理論； 外部性量化； 經濟激勵政策

能源是社會發展的源動力。隨著經濟社會的發展，我國能源需求持續增長，生態環境問題突出，加快開發利用可再生能源已成為我國應對日益嚴峻的能源環境問題的必由之路。在眾多可再生能源當中，太陽能以清潔無污染、長久廣泛等優點引起關注，但是光伏發電的高成本一直制約著該產業的發展，而光伏與建筑的完美結合很大程度上降低了光伏發電成本，為光伏產業發展指明了新的方向。我國的太陽能資源相當豐富，根據國家氣象局數據顯示我國絕大多數地區的太陽能輻射總量在4000 MJ/m2以上，在同緯度的國家中屬于太陽能資源最為豐富的國家之一，再則我國擁有大量閑置的建筑外表面積，因此光伏建筑在我國具有良好的發展基礎。然而我國光伏建筑的發展并不理想，2015年我國光伏建筑安裝占光伏市場的13%，而美國的光伏建筑安裝容量卻占美國市場總量的29%，因此我國需要對光伏建筑進行深入研究，以推動光伏建筑的發展。本文正是基于此對光伏建筑的外部性進行研究，為制定光伏建筑經濟激勵政策提供依據。

1 光伏建筑及其發展潛力分析

光伏建筑一體化最早是由世界能源組織于1986年提出的，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)，是太陽能發電的一種新概念。根據結合方式的不同，光伏建筑可分為兩大類：一類是將光伏產品集成在建筑物外部圍護結構上，與建筑物同時設計、同時施工、同時安裝并與建筑完美結合，使它既作為建筑物的圍護結構，又具有發電功能；另一類是將光伏方陣依附在建筑物表面，主要起發電作用。為將兩者區別開來，中國可再生能源學會光伏專委會建議：用BMPV(Building Mounted Photovoltaic)代替原有的BIPV的廣義含義，將第一種形式稱為BIPV，第二種形式稱為BAPV(Building Attached Photovoltaic)[1]。

據《2013-2017年中國光伏建筑一體化(BIPV)行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》預計到2020年，全國將建成2萬個屋頂光伏發電項目，總容量100萬kW[2]。2012年《可再生能源發展“十二五”規劃》提出到2015年太陽能發電裝機達到2100萬kW。到2020年，太陽能發電裝機達到5000萬kW[3]。由此可見光伏建筑必將具有廣闊的發展前景和巨大的市場潛力。但是根據國家能源局數據顯示：截止到2015年底，我國累計光伏裝機容量達到4318萬kW，其中光伏電站3712萬kW，光伏建筑606萬kW；2015年新增光伏裝機容量1513萬kW，其中光伏建筑208萬kW，僅占13%。由此可見我國的光伏建筑發展還不盡人意，急需國家制定政策給予扶持。而光伏建筑由于使用清潔能源，具有正的外部性，因此在制定政策時需要對其外部性進行分析。

2 光伏建筑外部性分析

2.1 外部性定義

外部性的概念最早是由馬歇爾(Alfred Marshall)在1890年提出的。并由他的學生庇古(Arthur Pigou)對其進行豐富和完善，并對“外部經濟”和“外部不經濟”做出了區分。所謂外部性是指經濟主體的經濟活動對他人和社會產生了一種外部影響，而這種影響帶來的收益和損失又不由經濟主體通過市場以價格為基礎進行交易，即經濟主體從事經濟活動時其成本與收益不完全由該主體所承擔。

根據定義可將外部性分為外部經濟和外部不經濟。外部經濟是某個經濟主體的活動使他人或社會受益，而受益者無須花費代價，如圖1所示。外部不經濟是經濟主體的活動使他人或社會受損，而造成負外部性的經濟主體卻沒有為此承擔成本，如圖2所示。

圖1 外部經濟

圖2 外部不經濟

圖中，SS為供給曲線；DD為需求曲線；Q為產量；P為價格；MSB為邊際社會收益；MPB為邊際私人收益；MSC為邊際社會成本；MPC為邊際私人成本；Q1為實際均衡點產量；Q2為最適均衡點產量；P1、P2為Q1、Q2相對應的價格。可見，外部性的存在造成社會脫離最有效的生產狀態，使市場經濟體制不能很好地實現其優化資源配置的基本功能[4]。因此需要實施一定的手段使其內部化，需要對外部性大小進行分析。

2.2 光伏建筑的外部性

光伏建筑除了給經濟主體帶來一定的效用(產生電力)外，還在光伏建筑使用中產生良好的外部效益，具體表現為以下三個方面：

(1) 開源。光伏建筑使用了太陽能，光伏建筑發電除了可以供給“自身使用”外，多余的電量還可以進入國家電網，供給其他人使用，大力發展以光伏發電為代表的可再生能源，可以逐步實現對傳統電力的替代，能夠改善能源消耗結構，從源頭上尋找到緩解能源危機的途徑。

(2)節流。火力發電所需重要資源為煤炭和水，光伏建筑發電可以減少火電的使用量，因此光伏建筑相當于節約了火電所需的煤炭和水量，有利于控制化石類能源的消耗，節約水資源。此外光伏與建筑結合不需另行建設發電站，也有利于充分利用土地資源。

(3)減排。太陽能是綠色、清潔能源，可以減少二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和粉塵等污染物的排放，具有一定的環境效益。但是社會并不會向光伏建筑的經濟主體支付報酬，這就使光伏建筑社會受益大于個人收益，因此光伏建筑具有正的外部效益。

2.3 分析光伏建筑外部性的意義

國家能源局發布的《2015年光伏發電建設實施方案》國能新能(2015)73號文件下達了2015年全國新增光伏發電建設規模1780萬kW的目標，去年該指標為1400萬kW，實際完成1000萬kW。國家能源局數據顯示，2015年上半年，全國新增光伏發電裝機容量達到773萬kW，僅完成全年目標1780萬千瓦的43%，以目前進度來看，想要完成全年目標難度很大。因此需要制定政策加以扶持。

光伏建筑的發展需要大量的資金投入，如何引進社會資金成為焦點問題。開發商投資光伏建筑必然要增加初始成本，成本的增加將使開發商的風險加大，而且光伏建筑的收益是一個漫長的過程，較長的投資回收期很難對開發商產生吸引力，因此選擇光伏建筑很難成為開發商的自發行為。再則光伏建筑存在一定的外部性，容易導致市場失靈，所以只有制定出有效的政策才能促進光伏建筑的快速發展。但是政府在制定經濟激勵政策時缺乏理論依據，系統分析光伏建筑的外部性以及外部性量化是破解這一難題的關鍵。

3 光伏建筑外部性量化模型

3.1 基本公式

解決外部性的基本思路是讓外部性內部化，即通過制度將經濟主體的經濟活動所形成的外部收益或外部成本，轉化為私人收益和私人成本[5]。由此可見，讓外部性內部化需要知道具體的外部收益、外部成本是多少，這就涉及到外部性量化問題。要將外部性量化是很困難的，一些經濟學家探索的一種有效途徑是借助一些數學模型，使私人成本CP與社會成本CS、私人效益BP與社會效益BS具體化，根據私人成本CP與社會成本CS或私人效益BP與社會效益BS的差異估算外部性的大小。這兩者的差異越大，表明外部性越大。即式(1)和式(2)。

E=BE=BS-BP

(1)

E=CE=CS-CP

(2)

式中：E為外部性大小；BE為外部收益；CE為外部成本。

由此可確定計算光伏建筑外部性的公式為：

E=BS-BP

其中社會效益BS包括光伏建筑發電效益E1，節能效益(減少煤炭使用效益)E2，減排效益(減少二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物效益)E3；私人效益BP為光伏建筑發電效益E1。因此計算公式為式(3)。

E=(E1+E2+E3)-E1=E2+E3

(3)

3.2 計算節能效益E2

節能效益的計算思路為：先計算光伏建筑發電量，根據發電量逆推火力發電需要多少煤炭和水，再計算出光伏建筑節能效益。預計光伏建筑年均發電量為Q1，光伏建筑設計使用年限為T年，則可估算出光伏建筑總發電量Q為式(4)

Q=Q1×T

(4)

據中國電力新聞網數據顯示：2013年火電供電煤耗降至321 g/kWh[6]。2000年以來，我國火電行業單位發電量的耗水量從2000年的4.03 kg/kWh，下降到2008年的2.78 kg/kWh[7]。這里取值火電供電煤耗A1=321 g/kWh，單位發電耗水量A2=2.78 kg/kWh，因此可以計算出光伏建筑發電可節約煤炭量M1和水量M2，見式(5)、(6)：

M1=A1×Q

(5)

M2=A2×Q

(6)

綜上所述，節能效益E2為式(7)：

E2=Em+Es=Pm×M1+Ps×M2=(Pm×A1+Ps×A2)×Q

(7)

式中：Pm為單位標準煤炭價格；Ps為單位水價格；Em為節約煤炭效益；Es為節約水效益。

3.3 計算減排效益E3

光伏建筑減排效益主要表現在減少火力發電排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物等方面，它的大小等價于治理這些污染物所需費用。假設火力發電二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉塵的排放績效值分別為Gi(i=1,2,3,4),對應的費用是Pi(i=1,2,3,4)。則減排效益計算公式為：

(8)

4 案例分析

所選案例為2013年竣工的上汽集團50 MW金太陽示范工程。該工程設計使用壽命為25年，50 MW裝機容量。總共利用閑置屋頂及停車場面積約70萬m2[8]。

4.1 項目節能效益計算

在上海地區平均每1 W裝機容量每年可以發電將近1 kWh[9],。據調查，上海市煤炭價格在500～700元/t之間，工業用水價格為1.3元/m3。取值為煤炭價格600元/t，工業用水1.3元/t。根據3.2節中公式可估算出該項目節能效益為24526.75萬元。計算如下：

Q=50×106×1×25=12.5億 kWh

M1=321×12.5×108=401250 t

M2=2.78×12.5×108=3475000 t

E2=(600×401250+3475000×1.3)÷104=24526.7萬元

4.2 項目減排效益計算

根據環境保護部與國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布的GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》以及參考文獻[10,11]，推算出上海地區火電排放績效值分別為：CO2為840 g/kWh，SO2為0.5 g/kWh，NOx為0.7 g/kWh，粉塵為0.08 g/kWh。相對應的排放費用如下：

(1) 根據上海環境能源交易所消息顯示：2015年6月碳排放交易均價約為21元/t左右。因此假定在該項目中CO2排放費用為25元/t；

(2) 根據2014年國家發展改革委、財政部、環境保護部聯合發布的發改價格[2014]2008號文件《關于調整排污費征收標準等有關問題的通知》顯示：2015年6月底前，各省(區、市)價格、財政和環保部門要將廢氣中的SO2和NOx排污費征收標準調整至不低于每污染當量1.2元/kg。因此假定在該項目中SO2、NOx排放費用均為1200元/t，而SO2、NOx的當量值為0.95；

(3) 根據2003年頒布的《排污費征收標準管理辦法》規定：塵煙的排污費用為2.18元/kg。因此假定在該項目中塵煙排放費用為2500元/t。

根據3.3節中的公式計算出該項目減排效益為：

E3=(25×840+1200×0.5÷0.95+1200×0.7÷0.95+2500×0.08)÷106×12.5×108÷104=2840 萬元

4.3 結果分析

根據式(4)計算出該項目外部性為：

E=24526.75+2840=27366.75萬元

由此可以看出光伏建筑具有很強的正外部性，該外部收益并沒有使開發商獲利，嚴重影響其積極性，不利于光伏建筑的發展。因此需要政府通過財政補貼、稅收優惠、上網電價等激勵政策將光伏建筑所形成的社會收益轉化為開發商的私人收益，從而調動開發商的積極性，其基本原理如圖3所示。

圖3 稅收使正外部性內部化

圖中MC為成本曲線。由于光伏建筑項目具有正的外部性，此時經濟活動的邊際社會收益MSB就等于邊際私人收益MPB加上外部性收益，即MSB=MPB+E。圖3中MPB曲線與PSB曲線豎直方向的差距(a、b間距離)就能表示外部性的大小E。由于正外部性的存在導致光伏建筑的實際均衡產量Q1小于社會最優產量Q2。此時若對項目進行補貼并且力度大小為E時，就能使成本曲線變為MC′，則MC′與MPB的交點橫坐標就與社會最優產量相等，表示資源配資達到社會最優狀態，就能刺激更多的開發商投入到光伏建筑當中。

而且隨著我國能源和環境問題的加重，國家對污染物排放征收的排污費標準將會越來越高，再伴隨著光伏技術的發展光伏發電效率提升，導致光伏建筑的外部性越來越大。因此本文得出以下啟示：光伏建筑具有很強的外部性，而且其大小會隨著環境和能源等問題的加重而不斷變大，需要政府制定政策加以扶持。而外部性的大小是政府制定光伏建筑經濟激勵政策的重要依據，所以政府需要根據光伏建筑的市場變化以及外部性的大小隨時對經濟激勵政策進行修改和完善。如本案例就需要各種政策的扶持力度達到或者超過2.7億元，使光伏建筑產生的外部性完全內部化，使社會資源配置達到最優水平。

5 結 語

運用外部性理論對光伏建筑進行研究，建立光伏建筑外部性量化公式并結合實例分析表明，光伏建筑具有顯著的外部性，僅依靠市場機制自發調節并不能有效地推進其發展，需要政府給予一定的政策支持，而且政策的扶持力度應當達到或超過光伏建筑產生的外部性大小。目前促進光伏建筑的的政策和法規體系還不夠完善，特別是缺乏對光伏建筑的經濟激勵政策和財政支持。研究光伏建筑的外部性是制定光伏建筑經濟激勵政策的理論依據，對推動我國光伏建筑的進展，提高新能源利用率，緩解資源約束帶來的壓力，具有重大的理論和實踐意義。

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Externally Quantitative Analysis of BIPV

LIQian,TANGBei-lei,LIHe-long

(Management School, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Since the existence of externalities, that leading to the development of BIPV is restricted, the government needs to develop appropriate economic incentives to promote its development. The paper discusses the concept of solar architecture and the existence of BIPV external problems. Based on the analysis of the external of BIPV using related economic theories, a quantitative model of BIPV was established and the application of the model was also studied. The research finds that it has a strong positive externality between BIPV, and it’s necessary to implement a series of economic incentive policies to internalize those externalities. what’s more, the paper will provide some necessary basis for further relevant economic incentive policies.

BIPV; externally theory; internalization of externality; economic incentive policies

2016-03-02

2016-05-12

李 芊(1967-)，女，陜西西安人，副教授，博士，研究方向為工程經濟與管理(Email:582188211@qq.com)

唐蓓蕾(1991-)，女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為工程經濟與管理(Email:381986576@qq.com)

陜西低碳建筑評價及發展路徑研究(12JZ014)

F407.9

A

2095-0985(2016)06-0074-04