基于LCOE的單面與雙面雙玻光伏組件 經濟性分析

陳 琦，王海華

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，南京210000)

0 引言

隨著中國2030年碳達峰、2060年碳中和目標的提出，以光伏發電為代表的可再生能源利用迎來了新的發展熱潮。光伏組件作為光伏發電的核心部件，也備受關注。雙面光伏組件因具有光致衰減小、弱光響應好等優點日益受到重視與青睞[1]，并且隨著其技術不斷得到完善，變得更為成熟，應用規模也不斷擴大[2]。在大多數情況下，對于相同光電轉換效率的雙面單玻光伏組件或常規的單面光伏組件而言，雙面雙玻光伏組件更具有發電量優勢[3]；而且雙面雙玻光伏組件和單面光伏組件的成本差距也在不斷縮小，價差僅取決于單面光伏組件背板材料和雙面雙玻光伏組件玻璃背板材料的成本，目前價差已在1美分/W以內[4]。本文結合平準化度電成本(LCOE)模型與PVsyst軟件對采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的光伏電站發電量進行模擬，并對不同場景下單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的經濟性進行對比。

LCOE是用于分析各種發電技術成本問題的主要指標。陳榮榮等[5]根據美國國家可再生能源實驗室(NREL)和德國弗勞恩霍夫太陽能研究所(Fraunhofer ISE)的LCOE評估方法，并考慮了系統殘值后，總結出并網光伏發電項目的LCOE模型，即：

式中：i為折現率；n為光伏發電系統運行的第n年；N為光伏發電系統全生命周期(一般為25年)；I0為初始投資；An為第n年的運營成本；Tn為第n年除運營成本外的其他費用；VR為系統殘值；Yn為第n年的并網光伏發電量。

式(1)考慮了光伏發電項目的初期成本、運營期成本和末期殘值。

此外，國內學者還根據中國的實際情況對LCOE模型進行了細化，吳紅等[6]在該模型基礎上引入了“三免三減半”稅收優惠政策；王嘉陽等[7]在該模型基礎上引入了增值稅抵扣政策。

在進行光伏發電項目的經濟效益分析時，昌敦虎等[8]對光伏發電項目LCOE模型計算時的折現成本C進行了細化，即：

式中：OAM為光伏發電項目的運行維護費用率；TAn為第n年的總稅收；LRn為第n年的貸款利息。

該模型將式(1)中的運營期成本細化為運行維護成本、稅務成本、貸款成本。

總體而言，稅收優惠政策對LCOE計算結果的影響有限，但折現率的取值不同會造成LCOE和項目發電量折現出現降幅不平衡的情況，目前中國對計算LCOE時如何選取折現率尚無相關的政策說明。在LCOE測算過程中，如果折現率從5%提高到8%，則LCOE的變化幅度可達到22.24%[6]。因此，本文對折現率的選取進行分析，以便更好地反映單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的經濟性。

1 采用不同類型光伏組件時的年發電小時數和首年發電量模擬

1.1 光伏方陣的年發電小時數模擬

為了對比單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的發電量差異，本文利用PVsyst軟件，以江蘇省啟東市某光伏電站中的一個光伏方陣為依托，分別對采用常規單面單玻單晶硅光伏組件(下文簡稱為“單面光伏組件”)或雙面雙玻單晶硅光伏組件(下文簡稱為“雙面雙玻光伏組件”)的光伏方陣進行了建模仿真。該光伏方陣包含8100塊540 Wp的單面光伏組件或雙面雙玻光伏組件，光伏組件以“2×27”的豎向方式布置在1個固定式光伏支架上，光伏組件下沿距離地面的高度為1.5 m；光伏支架傾角為21°，相鄰前后排光伏支架的中心間距為8.0 m；光伏方陣連接1臺3125 kW的箱式逆變一體機。

進行光伏方陣首年發電小時數模擬時，假設忽略有限模型陰影的邊緣效應。太陽輻照度等氣象數據參考Meteonorm7.2數據庫中的數據。通過控制變量法比較分別采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發電小時數。考慮到地面條件對年發電小時數的影響，因此，對不同地面平均反射率下單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的首年發電小時數進行了模擬，模擬結果如圖1所示。

圖1 不同地面平均反射率下采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發電小時數Fig. 1 First-year power generation hours of PV array when using monofacial PV modules and bifacial glass PV modules under different ground average reflectivity

從圖1可以看出，隨著地面平均反射率的增大，相較于采用單面光伏組件，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發電小時數提升幅度也在逐漸增大。地面平均反射率為10%時，相較于采用單面光伏組件，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發電小時數提升了約2.0%；而在地面平均反射率為25%時，相較于采用單面光伏組件，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發電小時數提升了約4.4%。此外，采用雙面雙玻光伏組件時光伏方陣的首年發電小時數隨著地面平均反射率的提高呈線性上升趨勢。

1.2 首年發電量模擬

由于單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的背板結構不同，因此，這2種光伏組件的老化衰減程度也不相同。黃盛娟等[9]通過對光伏電站中的光伏組件進行測試后發現，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和背板材料的老化、黃變是導致光伏組件老化衰減的主要原因。雙面雙玻光伏組件的背面材料為超白低鐵鋼化玻璃，無論是紫外線(UV)、水汽或酸、堿、鹽霧等，都無法腐蝕或破壞雙面雙玻光伏組件的內部，大幅降低了此類光伏組件產生蝸牛紋、黑線的概率[10]。因此，目前主流的光伏組件廠家設定的雙面雙玻光伏組件在質保期內的老化衰減率普遍低于單面光伏組件的老化衰減率。以主流p型光伏組件的質保為例，單面光伏組件的年老化衰減率為0.55%，而雙面雙玻光伏組件的年老化衰減率為0.45%；但這2種光伏組件的首年老化衰減率均為2%。

地面條件不同，其平均反射率也不同，相應的雙面雙玻光伏組件的發電量也不同。裴駿等[11]提出在模擬采用雙面雙玻光伏組件的水上光伏電站的發電量時，可以將冬季的水面反射率設置為10%左右，從而可獲得較為準確的模擬結果。劉飛等[12]對比模擬發電量與實際發電量后發現，將人造草地的反射率設置為25%時，模擬發電量與實際發電量數據非常接近。綜上，本文以平均反射率為10%模擬雙面雙玻光伏組件的水面應用場景，以平均反射率為25%模擬雙面雙玻光伏組件的草地應用場景。

基于上文模擬得到的首年發電小時數及單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件的老化衰減率質保值，可以測算出單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件在25年全生命周期內的發電量。以江蘇省啟東市的某光伏電站為例，該光伏電站的裝機容量為100 MWp，模擬得到典型場景下采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時該光伏電站在25年全生命周期內的發電量，具體如圖2所示。

從圖2可以看出，無論在何種場景下，25年全生命周期內，采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的發電量均高于采用單面光伏組件時光伏電站的發電量。

圖2 典型場景下采用單面或雙面雙玻光伏組件時光伏電站在25年全生命周期內的發電量Fig. 2 Power generation capacity of PV power station with monofacial PV modules and bifacial glass PV modules in 25-year total life cycle under typical scenarios

2 LCOE分析

2.1 折現率的選取

折現率是指將未來有限期內的預期收益折算成現值的比率。由于光伏電站的全生命周期較長，因此折現率是決定其各個階段成本現值的核心參數。折現率也是項目投資者對資金時間價值的最低期望[13]。對于光伏電站的建設而言，其折現率通常要高于其長期貸款利率，因此本文不建議以長期貸款利率作為折現率的基準值。魏智超[14]通過木聯能CDG光電工程經濟評價軟件驗證了某大型光伏基地的LCOE與財務內部收益率(FIRR)之間的關系，即利用FIRR目標值反算得到的電價與利用FIRR目標值作為折現率計算得到的LCOE相等。因此，當以折現率作為投資者期望的最低FIRR時，LCOE可以用來代表整個光伏電站的成本電價。如果項目運營期售電電價明確，當LCOE低于上網電價時項目是可行的，反之則不可行。因此，本文推薦以投資者期望的最低FIRR作為折現率的基準值。

2.2 LCOE比較

結合上文得到的采用2種光伏組件時光伏電站的發電量模擬結果，以投資者期望的最低FIRR(7%)作為折現率，進行采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE比較。由于測算光伏電站的LCOE涉及多個因素，不同邊界條件下的測算結果也不盡相同。因此，假定在某個特定條件下，采用單面光伏組件時光伏電站的LCOE剛好為其運營期的售電電價 (0.391元/kWh)。由于采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的初期投資相對較高，但與該光伏電站采用單面光伏組件時相比，總體價差(即雙面雙玻光伏組件每瓦價格與單面光伏組件每瓦價格的差值)在0.1元/W之內，即采用雙面雙玻光伏組件時100 MWp光伏電站的初始投資增加額在1000萬以內。假定忽略因初始投資額增加而造成的經營成本與系統殘值差異，則可以在采用單面光伏組件時光伏電站LCOE基礎上，利用反算法得到采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE。典型應用場景下雙面雙玻光伏組件和單面光伏組件不同價差時光伏電站LCOE的變化情況如圖3所示。

圖3 典型應用場景下雙面雙玻光伏組件和單面光伏組件 不同價差時光伏電站的LCOE變化趨勢Fig. 3 LCOE variation trend of PV power station with different price differences between bifacial glass PV modules and monofacial PV modules under typical application scenarios

從圖3可以看出，在水面應用場景下，當雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差在0.17元/W以內時，采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE低于采用單面光伏組件時光伏電站的LCOE；在草地應用場景下，由于相較于單面光伏組件，雙面雙玻光伏組件增加的發電量更高，而且從現在的LCOE隨價差的變化趨勢來看，只有當雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差在0.20元/W以上時，采用單面光伏組件時光伏電站的LCOE才能低于采用雙面雙玻光伏組件時光伏電站的LCOE。但由于市場上雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差一般在0.1元/W以內，因此，在這2種典型場景下采用雙面雙玻光伏組件的經濟性均優于采用單面光伏組件時的經濟性。

為了進一步比較采用單面光伏組件與采用雙面雙玻光伏組件時的經濟性，假定光伏電站采用單面光伏組件時的LCOE剛好為其運營期的售電電價(0.391元/kWh)，并對這2種光伏組件在不同價差條件下，雙面雙玻光伏組件不同發電量增益時光伏電站的LCOE進行測算，測算結果如圖4所示。需要說明的是：相較于上文典型場景下的LCOE比較，此次不僅僅關注場景反射率不同對發電增益產生的影響，而是在綜合考慮各種影響發電量增益因素的情況下，分析雙面雙玻光伏組件的發電增益對光伏電站LCOE的影響。

圖4 不同價差及不同發電增益下采用雙面雙玻光伏組件時 光伏電站的LCOEFig. 4 LCOE of PV power station using bifacial glass PV modules under different price differences and different power generation capacity gains

從圖4可以看出，僅在雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差很大且雙面雙玻光伏組件的發電量增益很小的雙重條件下，單面光伏組件的經濟性才能優于雙面雙玻光伏組件。若雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差在0.05元/W以內，即使雙面雙玻光伏組件無發電量增益，其老化衰減率優勢也會使其表現出較好的經濟性。若雙面雙玻光伏組件的發電增益在1%以上，即使雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的價差達到0.1元/W，雙面雙玻光伏組件也是更為經濟的選擇。

3 結論

本文以江蘇省啟東市某光伏電站為例，結合LCOE模型分析對比了該光伏電站分別采用單面光伏組件和雙面雙玻光伏組件時的經濟性，主要結論如下：

1)計算LCOE時折現率的選擇對計算結果的影響較大，當折現率選取為財務內部收益率(FIRR)時，LCOE的測算結果即為該FIRR下光伏電站的LCOE。利用LCOE反算項目成本電價或進行經濟性比選時，建議折現率選用投資者預期的最低FIRR。

2)由于雙面雙玻光伏組件自身的老化衰減特性優于常規單面光伏組件，在草地、水面等應用場景下，雙面雙玻光伏組件的經濟性均優于單面光伏組件。在資金成本充裕的情況下，可以考慮選用雙面雙玻光伏組件來獲得更好的光伏電站投資收益率。

3)僅在雙面雙玻光伏組件與常規單面光伏組件的每瓦價差及雙面雙玻光伏組件的發電量增益均很小的條件下，常規單面光伏組件才具有一定優勢。若這2種光伏組件的價差在0.05元/W以內，即使不考慮雙面雙玻光伏組件的發電量增益，選用雙面雙玻光伏組件的收益率仍高于采用單面光伏組件時的收益率。

4)若雙面雙玻光伏組件相對于單面光伏組件的發電增益在1%以上，且在0.1元/W的價差下，選用雙面雙玻光伏組件可獲得更高的財務內部收益率。考慮到雙面雙玻光伏組件與單面光伏組件的市場價差在0.1元/W以內，且雙面雙玻光伏組件在大部分應用場景下的發電增益均高于1%，因此建議將雙面雙玻光伏組件作為光伏電站的主流選型方案。