农村家庭分布式光伏发电系统推广模式研究

苏尤丽，孙岩松

（新疆财经大学 信息管理学院，新疆 乌鲁木齐 830012）

一、引言

光伏发电作为一种可再生的清洁能源，能有效缓解我国当前的资源短缺问题，为解决环境污染提供了有效途径。分布式光伏发电指在用户侧安装太阳能电板以及光伏组件，将太阳能直接转换为电能，是一种新型的新能源利用方式，能有效减少国家电网因远途输配电而造成的电力损失，减少相关的投资建设费用和维护费用。

在光伏发电的实际应用与推广方面，国外学者研究较早，早期主要围绕可行性进行分析，经过多年的发展已验证了在日光充足、日照时间长的地区发展分布式光伏发电可以带来可观的经济和社会效益[1-2]。目前的研究则在验证了可行性的基础上探讨怎样把效益扩大化，如Kirsten Ulsrud等人认为，业务和经济可持续性是农村光伏系统能否成功运作的核心，他借鉴了从印度向肯尼亚转移太阳能微型电网的经验，研究了空间转移战略如何与当地经验相结合，以促进创造性的学习过程业务[3-4]；Ehsanul Kabira对太阳能发电的优点及阻碍进行了分析，提出监管政策框架要与太阳能发电未来前景之间做到有益互动[5]。国内学者方面，温泽坤等以江西5 kW家庭式光伏发电系统为例分析了其环境与经济效益[6]；郭跃飞以高平市野沟村为例对户用分布式光伏扶贫模式进行分析，研究了光伏扶贫在经济、政治、社会、生态方面取得的成效和经验[7]；张欣使用层次分析法、模糊综合评价法对河北省广宗县分布式光伏发电项目综合效益进行评价研究[8]；张敦虎等人在采用平准化度电成本模型(LCOE)的基础上，开发出了平准化度电净现值模型(LNPVE)，分析了宜昌市渔峡口镇村级光伏扶贫电站项目的经济可持续性[9]。

综上所述，目前国外学者对分布式光伏发电的研究主要集中在怎样合理运营来获得收益，国内学者的研究则主要围绕分布式光伏发电所能带来的经济、生态等方面的效益。对于我国广大农村地区而言，光伏发电尚属新鲜事物，购买、租赁等光伏系统推广模式层出不穷，因此有必要对不同的推广模式进行对比分析，找出所能带来的效益上的不同，为光伏系统的推广以及用户的购买使用提供借鉴。

二、研究内容

（一）国内分布式光伏发电发展现状

伴随着一系列光伏政策的出台和光伏扶贫项目的落地，在过去的几年中，我国的光伏发电装机容量有了飞跃式的提高，由2012年的341万kW提高到了2018年的17 400万kW，其中主要集中在大型的地面光伏发电站，多建设在太阳能资源较丰富的西北地区。但是，由于西北地区地域广阔，人口较少，经济发展水平相对较差，因此对新能源发电的消纳能力不足，出现了弃光限电的现象[10-11]。而我国中东部地区经济发展较快，人口集中，对电力的需要量大，于是一些光伏企业开始推广小型的分布式光伏发电系统。

在以往的政策中，我国的电网公司只吸收火电、水电等相对稳定的常规电源，而分散的小型新能源发电由于发电量不稳定、影响电力负荷预测准确度等问题，想要并入电网的难度较大，普通家庭用户购买小型分布式光伏发电系统的欲望很小。根据2017年的光伏新政，利用太阳能、风能等新能源发电的系统，如果电压不超过10 kV而且单个发电设备装机容量不超过6 MW，就能免费的连接到国家电网。对于安装的新能源发电系统发出的电，用户可以选择自用，也可以卖给国家电网获取收益。目前我国的智能电网发展水平已达到世界前列，并且已覆盖到县市一级。

（二）研究对象

本文针对目前比较流行的三种光伏发电系统推广模式进行研究，分别讨论不同的推广模式下的经济效益，并对环境效益作总体研究，为光伏发电系统的推广方式、用户的模式选择提供借鉴。

随着光伏技术的发展，光伏组件价格不断下降，发电效率及使用寿命等大大提高，这为农村家庭屋顶安装小型太阳能发电系统提供了条件。农村地区严重依赖国家电网输送电力，而华北地区工厂较多，电网压力大，尤其到了夏季用电高峰时期，处于供电网末端的农村地区经常不得不拉闸限电，给农村的生产生活带来不便。家庭屋顶发电不仅可以方便居民生活用电，而且能够给用户带来收益。此外，华北地区空气污染严重，推广小型分布式光伏发电系统，使用清洁能源供电，可减少当地二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放，有效缓解环境污染。

本文以河北省邢台市为研究对象。邢台市地处东经114.48°，北纬37.07°，是我国太阳能资源三类地区，太阳能电池板最佳安装倾角为35°，最佳倾角下峰值日照时数为4.94 h[12]。表1为邢台市峰值日照时数。年均峰值日照时数为4.28 h。

表1 邢台市峰值日照时数

三、不同模式下发电收益分析

目前国内的光伏发电系统推广模式主要有三种：（1）用户全额购买光伏电板及组件，发电收益全部由用户所得；（2）用户贷款购买光伏电板及组件，用发电收益来偿还贷款；（3）用户提供自家屋顶，让光伏发电系统免费装在自家屋顶，发电收益由光伏发电公司所得，用户每年可获得分红。光伏发电系统安装20年后，用户获得其所有权，即20年后的发电收益由用户所得。

（一）全额购买

太阳能与电能转换公式如下：

其中G为光伏系统的年均发电量；W为太阳能电池板安装容量；H为最佳倾角下峰值日照时数，取年平均4.28；η为光伏系统的发电效率，考虑到当前的技术条件、环境因素以及光伏企业和电站开发商等对光伏组件衰减率的要求，假设第25年光伏系统的发电效率为80%，即η取值80%[13]，则：

其中n=25，x 为光伏发电每年降低的发电效率，约为0.008 9。以10 kW太阳能系统为例，光伏系统的首年发电量为15 449 kW。对于所发电量，用户可选择“全额上网”或者“自发自用、余电上网”。目前国家政策对分布式光伏发电采取单位电量定额补贴的方式，即对光伏系统的全部发电量都进行补贴，所以无论是自发自用电量还是余电上网电量均按同一标准获得国家补贴。下面分别分析这两种方式所能带来的收益。

1.全额上网

全额上网是指所发电量全部并网卖给电网公司。邢台地区的光能发电上网电价为0.36元，国家补贴为0.08元，一度电总收入为0.44元。发电收益计算公式为：

其中，R为发电收益；P为度电总收入；C为发电量。以此计算，10 kW太阳能系统第一年发电收入为6 812.50元。前25年的发电量、发电收入如表2所示[14]，25年的发电总收入为153 305.79元。

表2 25年太阳能发电量及发电收入

年份 发电效率/% 发电量/kW·h（年） 发电收入/元14 88.24 13 784 6 065.04 15 87.45 13 662 6 011.07 16 86.67 13 540 5 957.57 17 85.90 13 419 5 904.54 18 85.14 13 300 5 851.99 19 84.38 13 182 5 799.91 20 83.63 13 064 5 748.29 21 82.88 12 948 5 697.13 22 82.15 12 833 5 646.43 23 81.41 12 719 5 596.17 24 80.69 12 605 5 546.37 25 79.97 12 493 5 497.01

2.自发自用、余电上网

自发自用、余电上网是指所发电量一部分用户自己使用，多余电量接入电网卖给电网公司。邢台市执行阶梯电价，电价水平如表3所示：

表3 河北省邢台市阶梯电价收费标准（居民生活用电部分，单位：元）

从上表可以看出，无论是第几档的居民用电，其价格都要高过光能发电上网电价。将用户使用自发电所节省下的电费算作收益，计算发电总收益，公式如下：

当居民每月用电为150 kW·h，每年用电1 800 kW·h时，需缴纳电费936元。自发自用、余量上网模式下，用户第1年可获收益为1 800×0.52+（15 483—1 800）×0.36+15 449×0.08=7 097.8元，相比全额上网，多出的部分为居民用电价格与光伏发电上网电价之间的差值，差值为285.3元。

由此可见，因为居民用电价格要高于光伏发电上网电价，因此用户应尽可能的选择“自发自用、余电上网”模式。此外，由于目前采用的是阶梯电价，因此对于用电量较大的用户来说，采用该模式能获得更大的收益。

除了经济效益外，采用自发自用、余额上网模式还能方便居民生活。乡村电网或多或少都存在一些问题，断电情况屡有发生，而自家的太阳能发电系统正好可以弥补国家电网的不足，保证电力的不间断供应。

（二）银行贷款

根据邢台市某光伏发电系统经销商报价，10 kW太阳能发电系统的价格为4万元，用户可以通过银行贷款来全额购买光伏发电系统，利用每年的发电收益来偿还。目前银行对贷款购买光伏发电系统所征收的年利率为7.8%。

如果用户选择只偿还利息，则每年需偿还利息3 120元。全额上网情况下，10 kW光伏发电系统的投资回收期为12年。也就是说，从第12年开始，用户即可还清所有本息。这其后的第13～25年间，用户还可获得34 881元的收入。

自发自用、余量上网情况下，用户每使用1 kW·h自发电，与并网相比，可多获得0.16元的收益，多出的收益占上网电价的44.44%，明显高于光伏系统贷款利率水平。因此，银行贷款购买光伏系统模式下，依然建议用户采用“自发自用、余量上网”模式。

用户将每年所有的发电收益全部用来偿还本金和利息的情况下，收益如表4所示，剩余收益为97 278 元。因此建议用户选择将每年的发电收益全部用来偿还本息。

表4 贷款购买光伏发电系统收益（单位：元）

（三）免费安装

以邢台市某光伏发电系统经销商为例，用户无需购买光伏发电系统，可选择提供自家屋顶用来安装光伏发电系统，这样每年可获得分红1 500元。光伏系统建成运行20年后，用户可获得光伏系统的拥有权。当前技术条件下，光伏系统的使用寿命可达到25年以上。以光伏系统的寿命周期为25年为例，在前20年获得的总计3万元的分红以外，用户还可获得光伏系统第21～25年的发电收益。这5年间，总计可获得28 000元的发电收益。与前面两种途径相比，选择免费安装光伏发电系统收益较小，但是胜在用户无需资本投资，这样就降低了投资风险。

四、经济效益分析

本研究针对邢台市光伏发电系统的推广进行讨论，居民在考虑是否选择安装光伏发电系统时，主要关心其是否能够带来足够的经济效益。其中净现值(NPV)、和回收期(PBP)是经济影响评估中决定是否进行项目投资的关键[15]。

（一）净现值(NPV)

净现值(Net Present Value)是一项投资所产生的未来现金流的折现值与项目投资成本之间的差值。净现值法是评价投资方案的一种方法。

成本构成：总资本投资（IC），累计年度运营和维护成本（A）

净现值计算公式如下：

表5 净现值

25年的净现值之和为108 238元，减去4万元的初始资本投资，净现值之和为68 238元，符合投资条件。

（二）回收期(PBP)

回收期(Pay-back Period)指所有利益的近期价值等于所有成本加上资本投资的近期价值的年份，回收期计算公式如下：

由于本文中不考虑年度运营和维护成本，因此NPV(A)=0,

公式可简化为：

结合表4、5分析可得，当前补贴情况下全额购买和贷款购买10 kW光伏发电系统的投资回收期分别为7年和9年。

五、补贴退坡机制下经济效益分析

4月2日，国家发展改革委印发《关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知》，从今年6月1日起，户用分布式光伏补贴标准调整为每千瓦时0.08元。相较于2019年的光伏上网电价和补贴政策，“自发自用、余电上网”模式的户用分布式光伏补贴标准下调0.1元，降幅为55.5%。财政补贴上的压力以及出于对光伏行业整体健康发展的考虑，光伏发电度电补贴不断下降直至消失已成为大趋势。下面模拟国家度电补贴为0、0.02、0.04、0.06、0.08元的补贴退坡情景下的发电收益，其他参数与前文一致，模拟结果如图1所示：

图1 补贴退坡情景下发电收益仿真

总体来看，随着国家度电补贴的减少，居民安装光伏发电系统所得收益呈伴随下降趋势；当补贴退至为0元（kW·h）时，每年的发电收益要比现有补贴水平0.08元（kW·h）下降1 000～1 200元。

图2为有补贴（0.08元/kW·h）和无补贴时10 kW光伏发电系统25年发电收益净现值对比仿真：

图2 补贴退坡情景下发电收益净现值对比仿真

具体分析无补贴情况下发电收益净现值，结果如表6所示：

表6 无补贴情况下收益净现值

取消补贴后25年内的发电收益净现值为88 558元，减去4万元的初始资本投资，净现值之和为48 558元。可见虽然取消补贴后发电收益下降幅度较大，但由于NPV>0，所以仍然具备投资价值。

贷款购买10 kW光伏发电系统情况下，若无国家补贴，还本付息的时间将要增长，如表7所示，投资回收期为12年。以光伏系统25年为生命周期计算，还清本息后还可获得收益63 562.34元。而如果用户选择只用发电收益偿还利息的话，投资回收期要长达20年，且剩余回报仅为7 432元，收益几乎可忽略不计。可见，无国家补贴对贷款购买光伏系统的用户影响较大。

表7 无补贴情况下贷款购买光伏发电系统收益（单位：元）

六、总结及建议

（一）总结

家庭屋顶太阳能发电不仅能给农村地区人民带来经济收益，还能推广使用清洁能源，有效缓解环境污染。此外，太阳能发电系统的推广使用能促进我国新能源产业的发展。

本文对光伏发电系统不同推广模式下用户的收益进行了研究，研究结果表明，在光伏发电系统使用年限内，全额购买光伏发电系统与贷款购买相比可多带来5～6万元的发电收入；采用自发自用、余电上网能给用户带来更多的收益，用电量大的用户安装分布式光伏发电系统更为适合；取消国家补贴电价对贷款购买光伏发电系统的用户影响较大。

（二）建议

在当前仍有国家补贴的情况下，用户收益较多，但过度依赖政府补贴不仅会给政府带来财政上的负担，也不利于整个产业的健康发展，未来取消补贴、光伏发电平价上网的趋势已不可避免。在此条件下，只有提高光伏产业技术水平、实现技术上的创新、降低太阳能电池板及相关组件的价格，才能吸引更多的用户加入到新能源发电的行列来。

对于普通的农村家庭来说，一次性拿出4万元来购买光伏系统可能会较为勉强，并且在当地光伏发电还属于新兴事物，收益性暂不明朗。在推广光伏发电时，企业可先采用模式三，在每个村级单位寻找示范用户为其免费安装光伏发电系统，每年付给其租金，收益归企业所有，但是发电量、发电收益等信息可向用户公开，起到激励作用。此外，如果取消国家补贴，对贷款购买光伏系统的用户收益影响较大[16]。因此，在取消国家补贴的大趋势下，应该适当降低光伏系统贷款利率。