戶用小型離網型光伏儲能系統價值評估

王 婧，熊敏鵬，袁家海，趙 星

（1.華北電力大學經濟管理學院，北京 102206；2.北京唐浩電力工程技術研究有限公司，北京 100052）

0 引言

目前，在全球可持續發展和能源結構轉變的背景下，分布式能源作為一種新興的、具有特有優勢的供能系統，已經成為能源領域中一個重要的發展方向［1］。太陽能作為一種無止境、無污染的可再生能源，已成為一種非常有前途的替代能源。在過去的幾十年里，其發展速度高于其他可再生能源［2］。隨著全球向清潔能源的轉變，離網發電形式因具有安裝方便、不受電網政策限制等特點而受到關注，關于離網可再生發電系統的設計和優化的研究率先在歐美國家出現。在澳大利亞，隨著光伏和電池價格的下降以及電價的上漲，離網住宅光伏儲能系統的經濟性愈加顯著，當結合本地能源發電和本地能源儲存時，脫離電網可能成為一個更好的選擇［3?5］。而我國分布式能源發展較晚，離網住宅光儲系統通常建造在遠離公共電網的無電地區和一些特殊場所，如山區、荒漠及高原等地區，供用戶住宅日常用電［6］，解決偏遠地區用電不便的問題。主要原因在于離網型光伏系統有較高的初始投資、沒有合適的針對離網系統的貸款計劃、缺乏相關補貼政策。隨著分布式光伏系統競爭壓力的增大，規模經濟的增長、供應鏈競爭力的增強、技術進步以及相關激勵計劃的實施將推動成本的降低［7］，我國的離網型光伏發電系統也將得到進一步發展。

因此，對用戶側分布式光伏儲能系統價值進行量化評估，能夠為用戶光儲系統投資價值提供有益參考。目前，對于用戶側儲能的成本?效益模型已有一定的研究基礎，但是大部分只考慮了儲能系統在某一環節的單方面評價，并沒有對其涉及的其他環節效益進行更為系統全面的評估。文獻［8］在對用戶側儲能在電網和用戶自身應用價值進行梳理和分析的基礎上，提出了用戶側分布式儲能的價值評估模型。文獻［9］給定分布式光伏?儲能系統結構和運行方式，通過構建收益?成本的評估方法，計算了用戶凈收益及成本利潤率。但上述文獻只考慮了投資者的收益而沒有考慮儲能系統給電網帶來的整體效益。文獻［10］建立了分布式光伏儲能系統的綜合效益評估模型，基于項目年收益、總利潤和靜態投資回收期等指標評價項目經濟性，量化了系統的社會收益，但對社會收益的考慮不夠全面。文獻［11?12］考慮了儲能系統的套利、延緩機組投資以及節省配電網升級改造費用等特點，構建了較為全面的儲能系統的經濟效益評估模型，但是在評估儲能系統的應用效益時，未能考慮其對于環境的外部性影響。

首先，對小型用戶離網型光儲系統進行合理配置。其次，構建了基于發電側價值、電網側價值、用戶價值以及社會價值的戶用離網型光儲價值評估體系，建立了價值評估模型。從全社會以及用戶自身的角度出發，對離網系統在節省電費、節能降耗、減少污染、延緩輸配網投資等方面的效益進行了定量評估。最后通過敏感性分析，對離網型光儲系統經濟性進行預測并為其發展提出相關建議。

1 離網型光伏儲能系統

1.1 離網型光伏儲能系統結構

離網光伏儲能系統是指太陽能光伏發電不與電網連接的發電方式。系統主要由太陽能電池板、逆變器、控制器、蓄電池組成，具體如圖1 所示。光伏組件是在“光生伏特效應”的基礎上，將太陽能轉化為電能并輸送至儲能設備或直接為負載供能的裝置［13］。儲能蓄電池是將電能以其他形式的能量存儲起來的設備。當光伏陣列的輸出電能大于負載需要時，多余的電能儲存在蓄電池中；當光伏陣列輸出的電能小于負載所需時，由蓄電池釋放電能供負載使用。

圖1 離網光儲發電系統

1.2 離網型光伏儲能系統配置

負荷條件將直接影響光伏組件容量的確定。組件設計原則是要滿足平均天氣條件下每日用電量的需求，即光伏組件的全年發電量要等于負載全年用電量。根據建設地年平均太陽能輻射量、年用電量、系統總效率，可以計算出光伏系統的裝機容量。光伏系統裝機容量計算公式為［14］：

式中：W為光伏系統裝機容量，kW；L為光伏系統所在地年用電量，kWh；H為年峰值日照小時數，h；Ih為傾斜面年總太陽能輻射量，kWh/m2；Il為水平面年總輻射量，kWh/m2；I0為標準太陽輻射強度，1×103W/m；η為光伏系統總效率。

蓄電池組容量確定公式為［9］

式中：E0為平均每天負荷用電量，kWh；D為蓄電池供電支持天數；Dg為蓄電池允許放電深度；U為系統直流工作電壓；ηε為蓄電池充放電效率；ηφ為逆變器效率。

光伏系統采用電池充電控制器對電池進行安全充電，消除了電池過充的風險，該裝置也有助于保持電池的長壽命。充電控制器應能承載PV 陣列的短路電流；逆變器應能處理交流負載的最大期望功率，因此其額定功率須比所要求的交流負載的額定總功率高至少20%［15］。

1.3 離網型光伏儲能系統配置結果

選取某戶用小型離網型光伏?鉛酸電池儲能系統為例。北京水平面年總輻射量1 416.78 kWh/m2；根據小型用戶用電量的特征，設置用戶平均日用電量5 kWh，家用負載功率約為1 kW，日平均運行時間為5 h；光伏系統效率、逆變器效率、蓄電池放電深度及放電效率分別為60%、93%、60%、80%；直流系統的電壓為24 V。由于所在位置輻射太陽輻射時間較長，陰天較少，為節省投資，設置蓄電池供電支持天數為1 天。基于上述參數，計算光伏峰值功率為1 908 W，電池所需容量為466.70 Ah。選取的光伏組件單體規格為36 V/200 W，單體最大電流為6 A。離網型光伏儲能系統配置結果如表1所示。

2 用戶離網型分布式光伏儲能價值評估體系和模型

2.1 價值評估體系

用戶離網型光儲系統價值評估體系主要包括三方面的內容：成本計算、收益計算以及經濟性評價指標計算。系統成本主要包括初始投資成本、運行維護成本以及更換成本；收益主要從發電側收益、電網收益、用戶收益以及社會收益四個方面考慮；經濟性評估指標主要從累計凈現值以及內部收益/全系統收益兩個方面考慮，其中，內部收益/全系統收益指標反映了用戶自身收益占全系統收益的比例。構造的價值體系如表2 所示。該體系更加全面和系統地分析了用戶安裝離網型光伏儲能系統的價值。

表2 用戶側光儲系統價值體系

2.2 價值評估模型

2.2.1 成本

離網光伏系統總生命周期成本包括光伏組件、蓄電池、充電控制器、逆變器的購置成本，置換成本以及安裝和運維費用之和［16?18］。

設備初始購買成本主要包括四部分，分別為光伏系統成本、儲能裝置成本以及逆變器成本以及充電控制器成本。系統成本模型C為：

式中：Cpv為光伏系統的初始投資成本，元；Copv為光伏系統單位容量成本，元/kW；Cess為儲能系統的投資成本，元；Ceo為儲能系統單位容量成本，元/Ah；Qess為儲能系統的安裝容量，Ah；Ccon為控制器投資成本，元；Cco為單位容量的成本，元/A；Qcon為控制器安裝容量，A；Cinv為逆變器投資成本，元；Cio為逆變器單位容量的成本，元/kW；Qinv為安裝容量，kW。

光伏發電系統的使用壽命為20 年，蓄電池的使用壽命為7年。因此，蓄電池每7年需要更換一次，需要更換兩次。蓄電池更換成本的計算公式為

式中：Y為更換次數。

安裝及運維費用一般按光伏系統初始投資的一定比例近似估算。其中，安裝成本被認為是光伏組件初始成本的10%；運行維護費被認為是光伏組件投資成本的1%。計算公式分別為：

式中：Cm為安裝費用，元；Cf為運行維護費用，元；m1和m2分別為安裝及運維系數。

2.2.2 收益

發電側收益包括延緩調峰機組建設成本以及減少發電機組運行成本，年效益計算公式分別為［11］：

式中：G1為延緩調峰機組建設年效益，元；G2為減少發電機組運行成本年效益，元；Af為發電公司的單位可免容量成本，元/kW；d為貼現率；n為系統的壽命年限；Av為發電公司的單位可免電量成本，元/kWh；Q為系統每年的發電量，kWh。

電網收益包括減少電網擴建費用［11］以及減少電網耗損成本，年收益計算公式為：

式中：B1為減少電網擴建費用年效益，元；B2為降低電網耗損成本年效益，元；Ctrans為變壓器的單位改造費用，元/kW；Cline為線路擴容單位費用，元/kW；Pele為當地電價，按當地電價0.488 3 元/kWh 計算；ηg為系統運行時電網的耗損率，%。

用戶側安裝離網型光伏儲能系統，對自身而言，主要的收益是節省電費。按年累計用電量及當地市電價格計算。計算公式為

式中：Bele為用戶年節省電費，元/a。

社會收益主要包括環境效益和節能效益。采用光儲聯合系統，相比傳統火為發電，能夠降低污染物排放量。根據污染物的環境效益及減排量可以計算出光儲系統為社會帶來的環境效益［19］，即為

式中：Sev為環境效益，元；Vei為第i項污染物減排的環境效益；α為污染物的種類；Qmig為分布式電源第i項污染物的排放量；Qcip為燃煤發電機組第i項污染物的排放量。部分污染物排放數據及環境效益如表3和表4所示。

表3 相對火電機組的污染排放數據比較 單位：g/kWh

表4 各種污染物環境效益 單位：元/kg

火電機組生產單位電能所消耗的煤炭量為0.4 kg；煤炭價格為600元/t。相對常規火電機組，分布式電源供應同等電能和熱能所節約化石能源的效益為

式中：Ses為節約的化石能源的效益，元；Mc為火電機組生產單位電能所消耗的煤炭量；Pc為煤炭價格。

用戶側配置光儲系統可減少電力消耗，進而使化石能源的消耗減少，降低二氧化碳等溫室氣體的排放，起到節能減排的效果。

2.2.3 經濟性評價指標

考慮凈現值（Net Present Value，NPV）和內部收益/全系統收益2個經濟評價指標對戶用離網型光儲系統項目進行經濟性評價。NPV 是指儲能項目按照行業的基準收益率將項目生命周期內每年的凈現金流量折算到項目投資起始點時的現值之和［20］。運用NPV 經濟評價指標對用戶自身的投資效益進行經濟性評價，因此分析時主要考慮離網型光儲系統減少用戶電費的效益。內部收益/全系統收益旨在分析用戶安裝光儲系統對自身收益占全系統收益的情況。兩個經濟性評價指標的計算公式為

式中：FCI為現金流入量；FCO為現金流出量；（FCI?FCO）t為第t年的凈現金流量，資金投入年為第0 年，即t=0；k為折現率。當Vnp≥0 時，代表項目可行，當Vnp<0時，代表項目不可行。

式中：P為用戶安裝光儲系統所獲個人收益和總系統收益之比；Vtotal為總系統收益，包括發電側收益、電網側收益、用戶收益以及社會收益；Vinside為用戶的自身收益，是總系統收益的一部分。

3 算例分析

3.1 基礎數據

成本?收益相關參數如表5所示。

表5 成本-收益相關參數

3.2 經濟可行性分析

依據上述價值評估模型和相關參數，計算結果為：用戶投資2 kW 離網型光儲系統需要設備初始投資金額為18 886.25 元，該成本包括光伏、蓄電池、控制器以及逆變器投資成本；電池每7 年更換一次，更換成本為3 556.25 元；離網型光儲系統安裝成本為1 200元；該系統年運行維護成本為120元。

用戶安裝離網型光儲系統的年收益如圖2所示。

圖2 投資離網光儲系統年收益

由圖2 可知，減少用戶電費是全系統收益中最主要的收益來源，其次依次為減少機組運行成本、節能效益以及減少電網擴建費用等。用戶投資該系統的凈現值為?13 711.30 元，內部收益/全系統收益為33.37%。由凈現值經濟指標分析可知，用戶投資離網型光伏儲能系統投資效益不明顯。從內部收益/全系統收益評價指標來看，內部收益只占全系統收益的三分之一，由此可知，用戶安裝離網型光伏儲能系統對社會整個系統的效益遠大于用戶自身獲得的效益。

3.3 敏感度分析

敏感度分析可以定量了解參數變化對投資決策的影響。本文中設定凈現值敏感度函數為ΔS=ΔN/ΔT。其中，ΔT為各參數的單位變化量，ΔN為凈現值的變換量，ΔS為敏感度值。算例選取光伏系統成本、蓄電池儲能成本、用戶電價3 個實際因素。除此之外，由于目前國家針對離網型的光儲系統沒有相關的補貼政策，為提高用戶的投資效益，選取發電量補貼和初始投資補貼兩個假設因素。在此基礎上對案例進行單因素和多因素敏感度分析。

單因素敏感性分析結果如圖3所示。

圖3 敏感性分析

由圖3 可知，初始投資補貼對凈現值最為敏感，上述五個因素對凈現值敏感系數從高到低依次為：初始投資補貼、發電量補貼價格、光伏系統成本、用戶電價、儲能系統成本。其中，光伏組件成本和蓄電池成本下降均導致用戶凈現值增大，而光伏發電量補貼價格、初始投資補貼價格及居民電價的上升也將導致用戶凈現值增大。

在實際因素中，光伏成本是最大影響因素，敏感度為0.94，即當光伏成本下降10%，用戶凈現值增大9.4%；其次，用戶電價是第二影響因素，對凈現值的影響也較大，敏感度為0.50，即當電價每提高10%，用戶凈現值增大5%；最后，鉛酸電池對凈現值的敏感度為0.42，即當用戶電價挺高10%，用戶凈現值增大4.2%。在假設因素中，初始投資補貼價格和發電量補貼價格對凈現值的影響均較大，敏感度系數均超過1。其中初始投資補貼價格對凈現值的敏感度為1.03，即當初始投資補貼價格增加10%時，用戶凈現值提高10.3%；發電量補貼價格對凈現值的敏感度為1.25，即當發電量補貼價格每提高10%時，用戶凈現值提高12.5%。

上述影響因素都具有不確定性，并且一般都不是單因素獨立變化，而是由多個因素同時變化的。所以有必要進行多因素敏感性分析，進一步揭示出多個敏感性因素變化時對投資項目的凈現值的影響程度。選取光伏成本、鉛酸電池成本、用戶電價三組因素進行敏感性分析，結果如表6所示。

由表6 可知，在光伏和電池成本下降、用戶電價增長的條件下，投資該項目的凈現值逐漸增大，甚至可實現從虧本轉為盈利。

對光伏成本、鉛酸電池成本、初始投資補貼價格三因素敏感性進行分析，結果如圖4所示。

圖4 光伏成本、鉛酸電池成本、初始投資補貼三者變化時對NPV的影響

由圖4 可知，在光伏和電池成本下降的基礎上，如果給予相應的初始投資補貼，投資該項目的凈現值增長變化明顯。

對光伏成本、鉛酸電池成本、發電量補貼三因素敏感性進行分析，結果如表7所示。

表7 光伏成本、鉛酸電池成本、發電量補貼三者變化時對NPV的影響

由表7 可知，在光伏和電池成本下降的基礎上，如果給予相應的發電量補貼，凈現值由負值轉為正值，這種變化比圖4 變化更明顯，說明在光伏和電池成本下降的情況下，發電量補貼比初始投資補貼對項目凈現值的影響更大。

4 結語

在對小型用戶離網型光儲系統進行合理配置的基礎上，建立了離網型光儲系統價值評估模型，利用累計凈現值以及內部收益/總系統收益兩個經濟評價指標對算例進行價值分析。除此之外，從光伏成本、蓄電池成本、用戶電價、發電量補貼價格以及初始投資補貼這5 個因素進行單因素和多因素敏感度分析。通過本文的分析，主要的結論和建議有：

小型用戶安裝離網型光伏?鉛酸電池儲能系統的累計凈現值為?13 711.30 元，投資經濟性不明顯。但相關文獻研究表明，經濟性可能只是影響消費者脫離電網的眾多因素之一。其他的因素有希望自給自足、不受未來電價上漲的影響、在自然災害或停電期間供應充足等，這些都可能導致部分市場越來越多地采用這種技術，而不考慮純經濟可行性。從內部收益/總系統收益經濟指標為0.33 來看，總系統收益遠遠大于用戶自身收益，說明用戶投資光儲系統能帶來較大的全系統效益。這些收益涉及發電側、電網側、用戶側以及社會多個方面，包括少建或緩建調峰機組、減少發電機組的運行成本、減少電網擴建（線路和變壓器單位更換）費用、降低電網耗損成本、減少用戶電費、環境效益以及節能效益。本文通過對戶用小型離網型光伏儲能系統的價值評估，對用戶安裝光儲系統的成本收益有了更深刻的認識，對于適當的離網型光儲系統政策設計具有一定的價值。

由單因素敏感性分析可知，光伏成本、蓄電池成本、用戶電價、初始投資補貼以及發電量補貼均是影響用戶經濟性的重要因素。但各個因素對凈現值的敏感度不同，從高到低依次為：初始投資補貼、發電量補貼、光伏系統成本、用戶電價、鉛酸電池成本。由多因素敏感性分析可知，小型用戶安裝離網型光伏儲能系統在一定的條件下也會有投資回報。但離網型光儲系統具有投資回報是基于多因素聯合作用得到的。首先，是基于光伏系統度電成本以及儲能系統儲能成本存在下降空間。隨著光伏電池組件效率的提升、制造工藝的進步以及原材料價格下降等因素都會導致未來光伏發電成本的下降。其次，需要一定的政策支持。目前只針對并網用戶有相關的補貼政策，而對于離網型用戶沒有相關的補貼政策。通過敏感性分析可知，對于離網型用戶而言，在離網發電初期，出臺相關針對離網用戶的補貼政策是必要的。可以選擇初始投資補貼或者發電量補貼兩種補貼形式，這兩種補貼均能有效提高離網發電系統的經濟性，但提高效果有所區別。在多種因素對用戶凈現值均作用的條件下，選擇發電量補貼比初始投資補貼經濟效果更明顯。通過提高用戶部署離網型光儲系統經濟性來調節用戶收益和總系統收益的關系。

本文不僅從用戶自身角度分析安裝光儲系統的成本收益，而且也從全系統的角度分析光儲系統帶來的經濟效益。目前來看，脫離電網對于用戶經濟性不足，但隨著系統成本的降低，以及用戶不僅僅只關心投資效益情況的出現，安裝離網型光儲系統的情況可能會逐漸增多。