光伏建筑外部性量化分析

李 芊， 唐蓓蕾， 李贺龙

(西安建筑科技大学 管理学院， 陕西 西安 710055)

光伏建筑外部性量化分析

李 芊， 唐蓓蕾， 李贺龙

(西安建筑科技大学 管理学院， 陕西 西安 710055)

由于外部性的存在，导致光伏建筑的发展受到制约，亟待政府制定相应的经济激励政策推动其发展。文章以此为出发点先论述了光伏建筑的概念，又针对光伏建筑所存在的外部性问题，运用经济学相关理论解释外部性的概念，并在此基础上阐述了光伏建筑具有正的外部性，研究了光伏建筑外部性表现形式，建立了光伏建筑外部性量化模型，并运用该模型对光伏建筑进行量化分析。研究表明光伏建筑具有很强的正外部性特征，需要实施一定的经济激励政策使外部性内部化，明确指出了光伏建筑经济激励政策需要达到的具体支持力度。本文研究成果为制定相关经济激励政策提供了必要依据。

光伏建筑； 外部性理论； 外部性量化； 经济激励政策

能源是社会发展的源动力。随着经济社会的发展，我国能源需求持续增长，生态环境问题突出，加快开发利用可再生能源已成为我国应对日益严峻的能源环境问题的必由之路。在众多可再生能源当中，太阳能以清洁无污染、长久广泛等优点引起关注，但是光伏发电的高成本一直制约着该产业的发展，而光伏与建筑的完美结合很大程度上降低了光伏发电成本，为光伏产业发展指明了新的方向。我国的太阳能资源相当丰富，根据国家气象局数据显示我国绝大多数地区的太阳能辐射总量在4000 MJ/m2以上，在同纬度的国家中属于太阳能资源最为丰富的国家之一，再则我国拥有大量闲置的建筑外表面积，因此光伏建筑在我国具有良好的发展基础。然而我国光伏建筑的发展并不理想，2015年我国光伏建筑安装占光伏市场的13%，而美国的光伏建筑安装容量却占美国市场总量的29%，因此我国需要对光伏建筑进行深入研究，以推动光伏建筑的发展。本文正是基于此对光伏建筑的外部性进行研究，为制定光伏建筑经济激励政策提供依据。

1 光伏建筑及其发展潜力分析

光伏建筑一体化最早是由世界能源组织于1986年提出的，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)，是太阳能发电的一种新概念。根据结合方式的不同，光伏建筑可分为两大类：一类是将光伏产品集成在建筑物外部围护结构上，与建筑物同时设计、同时施工、同时安装并与建筑完美结合，使它既作为建筑物的围护结构，又具有发电功能；另一类是将光伏方阵依附在建筑物表面，主要起发电作用。为将两者区别开来，中国可再生能源学会光伏专委会建议：用BMPV(Building Mounted Photovoltaic)代替原有的BIPV的广义含义，将第一种形式称为BIPV，第二种形式称为BAPV(Building Attached Photovoltaic)[1]。

据《2013-2017年中国光伏建筑一体化(BIPV)行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》预计到2020年，全国将建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万kW[2]。2012年《可再生能源发展“十二五”规划》提出到2015年太阳能发电装机达到2100万kW。到2020年，太阳能发电装机达到5000万kW[3]。由此可见光伏建筑必将具有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。但是根据国家能源局数据显示：截止到2015年底，我国累计光伏装机容量达到4318万kW，其中光伏电站3712万kW，光伏建筑606万kW；2015年新增光伏装机容量1513万kW，其中光伏建筑208万kW，仅占13%。由此可见我国的光伏建筑发展还不尽人意，急需国家制定政策给予扶持。而光伏建筑由于使用清洁能源，具有正的外部性，因此在制定政策时需要对其外部性进行分析。

2 光伏建筑外部性分析

2.1 外部性定义

外部性的概念最早是由马歇尔(Alfred Marshall)在1890年提出的。并由他的学生庇古(Arthur Pigou)对其进行丰富和完善，并对“外部经济”和“外部不经济”做出了区分。所谓外部性是指经济主体的经济活动对他人和社会产生了一种外部影响，而这种影响带来的收益和损失又不由经济主体通过市场以价格为基础进行交易，即经济主体从事经济活动时其成本与收益不完全由该主体所承担。

根据定义可将外部性分为外部经济和外部不经济。外部经济是某个经济主体的活动使他人或社会受益，而受益者无须花费代价，如图1所示。外部不经济是经济主体的活动使他人或社会受损，而造成负外部性的经济主体却没有为此承担成本，如图2所示。

图1 外部经济

图2 外部不经济

图中，SS为供给曲线；DD为需求曲线；Q为产量；P为价格；MSB为边际社会收益；MPB为边际私人收益；MSC为边际社会成本；MPC为边际私人成本；Q1为实际均衡点产量；Q2为最适均衡点产量；P1、P2为Q1、Q2相对应的价格。可见，外部性的存在造成社会脱离最有效的生产状态，使市场经济体制不能很好地实现其优化资源配置的基本功能[4]。因此需要实施一定的手段使其内部化，需要对外部性大小进行分析。

2.2 光伏建筑的外部性

光伏建筑除了给经济主体带来一定的效用(产生电力)外，还在光伏建筑使用中产生良好的外部效益，具体表现为以下三个方面：

(1) 开源。光伏建筑使用了太阳能，光伏建筑发电除了可以供给“自身使用”外，多余的电量还可以进入国家电网，供给其他人使用，大力发展以光伏发电为代表的可再生能源，可以逐步实现对传统电力的替代，能够改善能源消耗结构，从源头上寻找到缓解能源危机的途径。

(2)节流。火力发电所需重要资源为煤炭和水，光伏建筑发电可以减少火电的使用量，因此光伏建筑相当于节约了火电所需的煤炭和水量，有利于控制化石类能源的消耗，节约水资源。此外光伏与建筑结合不需另行建设发电站，也有利于充分利用土地资源。

(3)减排。太阳能是绿色、清洁能源，可以减少二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和粉尘等污染物的排放，具有一定的环境效益。但是社会并不会向光伏建筑的经济主体支付报酬，这就使光伏建筑社会受益大于个人收益，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义

国家能源局发布的《2015年光伏发电建设实施方案》国能新能(2015)73号文件下达了2015年全国新增光伏发电建设规模1780万kW的目标，去年该指标为1400万kW，实际完成1000万kW。国家能源局数据显示，2015年上半年，全国新增光伏发电装机容量达到773万kW，仅完成全年目标1780万千瓦的43%，以目前进度来看，想要完成全年目标难度很大。因此需要制定政策加以扶持。

光伏建筑的发展需要大量的资金投入，如何引进社会资金成为焦点问题。开发商投资光伏建筑必然要增加初始成本，成本的增加将使开发商的风险加大，而且光伏建筑的收益是一个漫长的过程，较长的投资回收期很难对开发商产生吸引力，因此选择光伏建筑很难成为开发商的自发行为。再则光伏建筑存在一定的外部性，容易导致市场失灵，所以只有制定出有效的政策才能促进光伏建筑的快速发展。但是政府在制定经济激励政策时缺乏理论依据，系统分析光伏建筑的外部性以及外部性量化是破解这一难题的关键。

3 光伏建筑外部性量化模型

3.1 基本公式

解决外部性的基本思路是让外部性内部化，即通过制度将经济主体的经济活动所形成的外部收益或外部成本，转化为私人收益和私人成本[5]。由此可见，让外部性内部化需要知道具体的外部收益、外部成本是多少，这就涉及到外部性量化问题。要将外部性量化是很困难的，一些经济学家探索的一种有效途径是借助一些数学模型，使私人成本CP与社会成本CS、私人效益BP与社会效益BS具体化，根据私人成本CP与社会成本CS或私人效益BP与社会效益BS的差异估算外部性的大小。这两者的差异越大，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为外部性大小；BE为外部收益；CE为外部成本。

由此可确定计算光伏建筑外部性的公式为：

E=BS-BP

其中社会效益BS包括光伏建筑发电效益E1，节能效益(减少煤炭使用效益)E2，减排效益(减少二氧化碳、二氧化硫、粉尘等污染物效益)E3；私人效益BP为光伏建筑发电效益E1。因此计算公式为式(3)。

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

(3)

3.2 计算节能效益E2

节能效益的计算思路为：先计算光伏建筑发电量，根据发电量逆推火力发电需要多少煤炭和水，再计算出光伏建筑节能效益。预计光伏建筑年均发电量为Q1，光伏建筑设计使用年限为T年，则可估算出光伏建筑总发电量Q为式(4)

Q=Q1×T

(4)

据中国电力新闻网数据显示：2013年火电供电煤耗降至321 g/kWh[6]。2000年以来，我国火电行业单位发电量的耗水量从2000年的4.03 kg/kWh，下降到2008年的2.78 kg/kWh[7]。这里取值火电供电煤耗A1=321 g/kWh，单位发电耗水量A2=2.78 kg/kWh，因此可以计算出光伏建筑发电可节约煤炭量M1和水量M2，见式(5)、(6)：

M1=A1×Q

(5)

M2=A2×Q

(6)

综上所述，节能效益E2为式(7)：

E2=Em+Es=Pm×M1+Ps×M2=(Pm×A1+Ps×A2)×Q

(7)

式中：Pm为单位标准煤炭价格；Ps为单位水价格；Em为节约煤炭效益；Es为节约水效益。

3.3 计算减排效益E3

光伏建筑减排效益主要表现在减少火力发电排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉尘等污染物等方面，它的大小等价于治理这些污染物所需费用。假设火力发电二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉尘的排放绩效值分别为Gi(i=1,2,3,4),对应的费用是Pi(i=1,2,3,4)。则减排效益计算公式为：

(8)

4 案例分析

所选案例为2013年竣工的上汽集团50 MW金太阳示范工程。该工程设计使用寿命为25年，50 MW装机容量。总共利用闲置屋顶及停车场面积约70万m2[8]。

4.1 项目节能效益计算

在上海地区平均每1 W装机容量每年可以发电将近1 kWh[9],。据调查，上海市煤炭价格在500～700元/t之间，工业用水价格为1.3元/m3。取值为煤炭价格600元/t，工业用水1.3元/t。根据3.2节中公式可估算出该项目节能效益为24526.75万元。计算如下：

Q=50×106×1×25=12.5亿 kWh

M1=321×12.5×108=401250 t

M2=2.78×12.5×108=3475000 t

E2=(600×401250+3475000×1.3)÷104=24526.7万元

4.2 项目减排效益计算

根据环境保护部与国家质量监督检验检疫总局联合发布的GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》以及参考文献[10,11]，推算出上海地区火电排放绩效值分别为：CO2为840 g/kWh，SO2为0.5 g/kWh，NOx为0.7 g/kWh，粉尘为0.08 g/kWh。相对应的排放费用如下：

(1) 根据上海环境能源交易所消息显示：2015年6月碳排放交易均价约为21元/t左右。因此假定在该项目中CO2排放费用为25元/t；

(2) 根据2014年国家发展改革委、财政部、环境保护部联合发布的发改价格[2014]2008号文件《关于调整排污费征收标准等有关问题的通知》显示：2015年6月底前，各省(区、市)价格、财政和环保部门要将废气中的SO2和NOx排污费征收标准调整至不低于每污染当量1.2元/kg。因此假定在该项目中SO2、NOx排放费用均为1200元/t，而SO2、NOx的当量值为0.95；

(3) 根据2003年颁布的《排污费征收标准管理办法》规定：尘烟的排污费用为2.18元/kg。因此假定在该项目中尘烟排放费用为2500元/t。

根据3.3节中的公式计算出该项目减排效益为：

E3=(25×840+1200×0.5÷0.95+1200×0.7÷0.95+2500×0.08)÷106×12.5×108÷104=2840 万元

4.3 结果分析

根据式(4)计算出该项目外部性为：

E=24526.75+2840=27366.75万元

由此可以看出光伏建筑具有很强的正外部性，该外部收益并没有使开发商获利，严重影响其积极性，不利于光伏建筑的发展。因此需要政府通过财政补贴、税收优惠、上网电价等激励政策将光伏建筑所形成的社会收益转化为开发商的私人收益，从而调动开发商的积极性，其基本原理如图3所示。

图3 税收使正外部性内部化

图中MC为成本曲线。由于光伏建筑项目具有正的外部性，此时经济活动的边际社会收益MSB就等于边际私人收益MPB加上外部性收益，即MSB=MPB+E。图3中MPB曲线与PSB曲线竖直方向的差距(a、b间距离)就能表示外部性的大小E。由于正外部性的存在导致光伏建筑的实际均衡产量Q1小于社会最优产量Q2。此时若对项目进行补贴并且力度大小为E时，就能使成本曲线变为MC′，则MC′与MPB的交点横坐标就与社会最优产量相等，表示资源配资达到社会最优状态，就能刺激更多的开发商投入到光伏建筑当中。

而且随着我国能源和环境问题的加重，国家对污染物排放征收的排污费标准将会越来越高，再伴随着光伏技术的发展光伏发电效率提升，导致光伏建筑的外部性越来越大。因此本文得出以下启示：光伏建筑具有很强的外部性，而且其大小会随着环境和能源等问题的加重而不断变大，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经济激励政策的重要依据，所以政府需要根据光伏建筑的市场变化以及外部性的大小随时对经济激励政策进行修改和完善。如本案例就需要各种政策的扶持力度达到或者超过2.7亿元，使光伏建筑产生的外部性完全内部化，使社会资源配置达到最优水平。

5 结 语

运用外部性理论对光伏建筑进行研究，建立光伏建筑外部性量化公式并结合实例分析表明，光伏建筑具有显著的外部性，仅依靠市场机制自发调节并不能有效地推进其发展，需要政府给予一定的政策支持，而且政策的扶持力度应当达到或超过光伏建筑产生的外部性大小。目前促进光伏建筑的的政策和法规体系还不够完善，特别是缺乏对光伏建筑的经济激励政策和财政支持。研究光伏建筑的外部性是制定光伏建筑经济激励政策的理论依据，对推动我国光伏建筑的进展，提高新能源利用率，缓解资源约束带来的压力，具有重大的理论和实践意义。

[1] 刘 馨. 赵玉文：实施“上网电价法”是推动太阳能光伏建筑一体化应用的关键所在[J]. 新材料产业, 2010, (2): 10-11.

[2] 2013-2017年中国光伏建筑一体化(BIPV)行业市场前瞻与投资战略规划分析报告[R]. 北京: 前瞻产业研究院, 2014.

[3] 中国国家发展和改革委员会. 可再生能源发展“十二五”规划[J]. 太阳能, 2012, (16): 6-19.

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[6] 中国电力新网. 我国燃煤电厂减排成效显著火电供电煤耗下降[EB/OL]. [2014-03-07]. http://www.cpnn.com.cn/zdyw/201403/t20140307_660042.html.

[7] 中国电力新网. 火电耗水量近年大幅“缩水”十二五末占全国用量15%[EB/OL]. [2013-05-30]. http://www.cpnn.com.cn/zdzgtt/201305/t20130530_579579.html.

[8] 扈 凡. 上汽集团50兆瓦金太阳示范工程竣工[J]. 上海企业, 2014, (1): 80.

[9] 杨金焕. 并网光伏电站发电量的估算[C]//魏启东, 袁竹林. 第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集. 长沙: 东南大学出版社, 2010:1347-1351.

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[11]李明娜, 蔺健宁, 管培云. 污染物排放新标准执行前后大型电厂排放分析[J]. 环境与发展, 2015, 27(2): 67-69.

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，陕西西安人，副教授，博士，研究方向为工程经济与管理(Email:582188211@qq.com)

唐蓓蕾(1991-)，女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为工程经济与管理(Email:381986576@qq.com)

陕西低碳建筑评价及发展路径研究(12JZ014)

F407.9

A

2095-0985(2016)06-0074-04