枢纽机场光伏发电项目的应用现状与效益分析

李辛阳，高 阳

(河南省机场集团有限公司，郑州 451161)

0 引言

能源是现代社会存在和发展的基石，而当前随着绿色经济的深入人心和碳排放交易的推行，新能源的利用，尤其是太阳能的利用，得到了大力发展。根据国家能源局发布的全国电力工业统计数据显示：截至2021年4月底，我国太阳能发电的装机容量已达2.6亿kW。而光伏发电作为太阳能发电的一种重要形式，是近年来发展最快、最具经济潜力的新能源利用形式。我国多家枢纽机场，如深圳宝安国际机场、杭州萧山国际机场、北京大兴国际机场均先后启动了光伏发电项目。本文在阐述了光伏发电项目的类型及其典型并网方式的基础上，介绍了目前国内外枢纽机场光伏发电项目的应用现状，并对枢纽机场光伏发电项目进行了全生命周期的效益计算。

1 光伏发电项目的类型及典型并网方式

按照建设模式不同，光伏发电项目可分为集中式光伏发电项目和分布式光伏发电项目2类。其中，不同装机容量的分布式光伏发电项目的并网电压等级也不同。根据QGDW 1480—2015《分布式电源接入电网技术规定》，不同装机容量的分布式光伏发电项目推荐的并网电压等级如表1所示。

表1 不同装机容量的分布式光伏发电项目推荐的并网电压等级Table 1 Recommended grid-connected voltage levels of distributed PV power generation projects with different installed capacity

根据投资运营主体和结算对象不同，光伏发电项目的运营模式可分为“自发自用、余电上网”运营模式、全额上网运营模式及合同能源管理运营模式这3种[1]。

光伏发电的并网方式可分为并网点接入公共电网的并网方式和并网点接入用户侧电网的并网方式。

1)并网点接入公共电网的并网方式。典型的并网点接入公共电网的设计方案如图1所示。

此种设计方案适用于采用全额上网运营模式的光伏发电项目。对于枢纽机场光伏发电项目而言，若采用此种设计方案，则说明并网点与产权分界点一致，光伏发电系统与枢纽机场电网相互独立。

图1 典型的并网点接入公共电网的设计方案Fig.1 Design scheme of typical grid connection point connecting to public grid

2)并网点接入用户侧电网的并网方式[2]。典型的并网点接入用户侧电网的设计方案如图2所示。

图2 典型的并网点接入用户侧电网的设计方案Fig.2 Design scheme of typical grid-connected point connecting to user power grid

此种设计方案适用于采用“自发自用、余电上网”和合同能源管理运营模式的光伏发电项目。对于枢纽机场光伏发电项目而言，若采用此种设计方案，不会改变用户与公共电网之间的产权分界点，光伏发电系统接入枢纽机场电网内。

2 国内外枢纽机场光伏发电项目的应用现状

深圳宝安国际机场于2012年启动其光伏发电项目，由中广核太阳能开发有限公司分2期投资建设，总投资额约为1.8亿元。该项目为分布式光伏发电项目，装机容量为20 MW，光伏组件主要安装于物流园区及机场货站楼的屋顶，占用屋顶的总面积约为14.3万m2。该项目采用并网点接入用户侧电网的并网方式及合同能源管理的运营模式。截至2021年初，该项目的年均发电量约为1500万kWh。

杭州萧山国际机场于2016年启动其光伏发电项目，采用公开招标的方式，以电价折扣力度为标准选择合作方。该项目为分布式光伏发电项目，截至2021年3月，项目的装机容量为6.57 MW；光伏组件主要安装在机场货站楼、宿舍楼、顺丰物流园及蓄车楼的屋顶。该项目采用并网点接入用户侧电网的并网方式及合同能源管理的运营模式。截至2021年初，该项目的年均发电量约为800万kWh。

北京大兴国际机场于2019年启动了其北一跑道分布式光伏发电项目，由中国能源建设集团北京电力建设有限公司建设，该项目的装机容量为2 MW，光伏组件主要布置在跑道周边的空地上。该项采用并网点接入用户侧电网的并网方式及“自发自用、余电上网”的运营模式。该项目25年的年均发电量预计为220万kWh。

光伏发电在国外枢纽机场也得到了广泛应用。马来西亚吉隆坡国际机场光伏发电项目的装机容量为19 MW，其25年的年均发电量预计约为2.6万MWh；日本长崎机场光伏发电项目的装机容量为30 MW，25年的年均发电量预计为3.7万MWh；印度科钦国际机场于2015年成为全球第1个完全由光伏发电来供应电力的机场，截至2021年，该机场光伏发电项目的装机容量为40 MW，25年的年均发电量预计为5.2万MWh。

3 枢纽机场光伏发电项目的效益计算模型

3.1 运营模式分析

3.1.1 “自发自用、余电上网”运营模式

采用“自发自用、余电上网”运营模式的枢纽机场光伏发电项目，投资方为枢纽机场，可采取机场自主管理或外包管理的运维方式。在该运营模式下，光伏电力优先供机场使用，若有盈余，则按照当地的光伏发电标杆上网电价出售给国家电网。

该运营模式下，枢纽机场承担所有的项目成本，并享受所有的项目收益。

3.1.2 全额上网运营模式

采用全额上网运营模式的枢纽机场光伏发电项目，投资方的选择较为灵活，可以是枢纽机场或新能源投资公司。投资方出资建设与管理光伏发电项目，将光伏电力全额出售给国家电网。

该运营模式下，投资方承担所有的项目成本，并享受所有的项目收益。当投资方不是枢纽机场时，投资方需支付占用机场区域的租金；而当投资方是枢纽机场时，考虑到光伏发电标杆上网电价在逐年降低，且目前已低于枢纽机场日常用电电价，若枢纽机场采用该运营模式则其项目总体收益会低于采用“自发自用、余电上网”运营模式时，因此不建议枢纽机场采用此种运营模式。

3.1.3 合同能源管理运营模式

合同能源管理运营模式是一种新型的应用于节能业务方面的运营模式，投资方(大多数情况下为新能源投资公司)与枢纽机场以合同契约的形式约定光伏发电项目的年发电量目标，为枢纽机场提供光伏电力。枢纽机场作为用电方，享有比市电更便宜的优惠电价。该运营模式的实质是投资方以枢纽机场缴纳的光伏电费来抵消其投入的成本。

该运营模式下，枢纽机场除提供光伏发电项目的用地外，无需投入其他成本，并享有优惠电价，由此减少的电费支出相当于其稳定的收益。同时，相比于使用火力发电电力，使用光伏电力可减少碳排放，随着碳排放交易政策的落实，由减少的碳排放量获得的交易收入也属于枢纽机场的收益。

3.2 成本计算

枢纽机场光伏发电项目的成本主要包括初始投资成本、运维成本及贷款利息[3]。

3.2.1 初始投资成本

项目初始投资成本I0主要包含设备费用、安装费用、场地费用及电网接入费用等。I0的计算式可表示为：

式中：PAZ为光伏发电项目的装机容量；IW为光伏发电项目单位装机容量的投资成本。

3.2.2 运维成本

项目运维成本主要包括设备预防性维护费用、设备周期性维护费用、设备定期测试费用等。项目的年运维成本IM可表示为：

式中：IWM为项目全生命周期内光伏组件单位装机容量下的年运维成本。

3.2.3 贷款利息

项目贷款利息受项目的总投资额、贷款比例、贷款种类、政策优惠等因素的影响，每个项目可根据自身的实际情况进行分析计算，本文不对此进行分析。

3.3 收益计算

枢纽机场光伏发电项目的收益主要包括政府补贴、发电量上网收入、项目残值、优惠电价收入、碳减排收入。

3.3.1 政府补贴

政府补贴主要包括光伏发电补贴、建设投资补贴、建设投资方税收补贴。虽然不同地方关于光伏发电的政府补贴标准不同，但目前我国正在逐步较少相关补贴。

3.3.2 发电量上网收入

光伏发电项目的首年发电量Ep的计算式可表示为：

式中：HA为水平面总太阳辐射量；ES为标准测试条件下的太阳辐照度；K为综合效率系数，该值是在综合考虑光伏组件类型修正系数、光伏组件安装倾角、逆变器效率、光伏组件光电转换效率修正系数等因素对光伏发电系统发电量的影响后得出的。

当以当地的峰值日照小时数H为主要因素分析光伏发电项目的首年发电量时，Ep还可表示为：

考虑到光伏组件每年都会存在输出功率衰减的情况，光伏发电项目第n(n≤25)年的发电量Epn的计算式可表示为：

式中：Rg为光伏组件的年输出功率衰减率。

当光伏发电项目的运营模式不同时，投资方第n年的光伏发电收入的计算式也有所不同。

1)当枢纽机场光伏发电项目采用“自发自用、余电上网”运营模式时，投资方(枢纽机场)第n年的光伏发电收入BIn计算式为：

式中：Rs为枢纽机场光伏电力的自用率，Rs≤100%；Pi为光伏发电标杆上网电价；Pd为当地电网的售电电价。

2)当枢纽机场光伏发电项目采用全额上网运营模式时，在枢纽机场不是投资方的情况下，该运营模式下枢纽机场的固定收益为光伏发电项目占用机场区域的租金。而除枢纽机场以外的投资方(第三方)第n年的光伏发电收入Bxn的计算式可表示为：

3) 当枢纽机场光伏发电项目采用合同能源管理运营模式时，除枢纽机场以外的投资方(第三方)第n年的光伏发电收入Bhn的计算式可表示为：

式中：Pc为枢纽机场享有的优惠电价。

该运营模式下，枢纽机场因享有优惠电价而获得的第n年的收入Bmn的计算式可表示为：

3.3.3 项目残值

光伏发电项目的生命周期结束后，项目处理相关设备所得到的费用即为项目残值Bsv。Bsv的计算式可表示为：

式中：Rsv为项目的残值率。

3.3.4 碳减排收入

根据我国的碳交易政策，已将民航业纳入碳排放管理和交易之中。光伏发电不会产生碳排放，但需要说明的是，本文计算不涉及光伏发电项目中的设备在制造、安装时产生的碳排放。对比传统的火力发电，光伏发电项目第n年的碳减排量CEn的计算式可表示为[4]：

式中：CEf为火力发电单位发电量的碳排放量。

该项目的碳减排收入Bc的计算式可表示为：

式中：Pcc为光伏发电项目的碳交易价格。

3.4 平准化度电成本模型

平准化度电成本(LCOE)是用来衡量光伏发电项目全生命周期内单位发电量的综合成本的指标。根据LCOE的定义，当光伏发电项目的售电电价达到LCOE时，则该项目的总成本现值Ct等于其总收入现值Bt，即[5]：

由于枢纽机场光伏发电项目采用全额上网运营模式时，枢纽机场的项目收益为租金；采用合同能源管理运营模式时枢纽机场的项目收益为因享有优惠电价而获得的收入，因此，仅需计算采用“自发自用、余电上网”运营模式时枢纽机场光伏发电项目的LCOE，从而可得到该项目的总收入现值。根据式(13)，在该模式运营下枢纽机场光伏发电项目的各项成本和各项收入之间的关系，可表示为：

式中：i为项目的折现率；N为光伏发电项目的全生命周期，本文取25年。

由于目前枢纽机场光伏发电项目均处于发电阶段，且光伏电量能被机场全部消纳，因此Rs=100%。将该值代入式(6)可得：

将式(15)代入式(14)，可得：

在光伏发电项目的售电电价为当地电网的售电电价且与LCOE相等的前提下，式(16)可进一步表示为：

从式(17)可以看出，当忽略光伏发电项目的碳减排收入和项目残值收入时，LCOE就是光伏发电项目全生命周期内总成本现值与全部发电量现值的比值。由于LCOE值越小，光伏发电项目的单位发电量成本也就越低，因此，当该项目每度电的售价大于LCOE时，项目才有收益。

将式(1)、式(2)、式(4)、式(10)～式(12)代入式(17)，可得：

当忽略碳减排收入和项目残值时，式(18)可简化为：

4 实例分析

4.1 光伏产业现状

根据中国光伏行业协会的统计数据，2020年地面光伏发电项目的平均初始投资成本为3.99元/W，工商业分布式光伏发电项目的平均初始投资成本为3.38元/W；地面光伏发电项目每年的平均运维成本为0.046元/W，分布式光伏发电项目每年的平均运维成本为0.054元/W。

4.2 基于LCOE的光伏发电项目的成本效益分析

我国大多数地区的峰值日照小时数在1000～2000 h之间，为分析不同峰值日照小时数下光伏发电项目的LCOE，现作如下假设：N=25年、K=0.8、Rg=0.8%、i=5%、IW=3.38元/W、IWM=0.054元/W，不考虑碳排放交易。依据上述数据，利用式(19)可计算得到不同峰值日照小时数下光伏发电项目的LCOE，结果如表2所示。

表2 不同峰值日照小时数下光伏发电项目的LCOETable 2 LCOE of PV power generation projects under different peak sunshine hours

根据国家发展和改革委员会发布的《关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知》[6]，我国Ⅰ～Ⅲ类太阳能资源区内光伏发电标杆上网电价分别为0.35、0.40、0.49元/kWh。这3个光伏发电标杆上网电价均高于表2中峰值日照小时数大于等于1400 h时光伏发电项目的LCOE值，这说明在此条件且无政策补贴的情况下，项目仍能产生效益，具有投资价值；并且峰值日照小时数越高，光伏发电项目的LCOE值越低，项目的收益越好。

4.3 项目参数

本文以华中地区某枢纽机场的分布式光伏发电项目为例，对分别选择“自发自用、余电上网”和合同能源管理这2种运营模式时该项目的经济性进行分析。

本枢纽机场光伏发电项目的装机容量为7 MW，项目初始投资成本为2793万元，项目所在地的峰值日照小时数为1460 h；光伏发电系统的综合效率系数取0.8，光伏组件的年输出功率衰减率取0.8%，项目残值率取5%；项目全生命周期内光伏组件单位装机容量下的年运维成本为0.054元/W；项目的全生命周期取25年，项目折现率取5%。碳排放量计算根据生态环境部公布的300 MW以下燃煤机组碳排放量基准值为0.979 t/MWh进行计算，碳排放交易按照24元/t计算。该枢纽机场的市电电价为0.53元/kWh，合同能源管理运营模式下枢纽机场享受的优惠电价为0.477元/kWh。

4.3.1 项目的发电量计算

根据式(5)可得到该枢纽机场光伏发电项目的首年发电量为811.06万kWh；而将该项目的各参数输入PVsyst软件进行仿真分析，得到该项目的首年发电量为853.17万kWh。考虑到软件仿真时，光伏组件、逆变器等设备的参数，光伏组件的安装方式及气象数据等信息与实际情况会存在些许差别，但与公式的计算结果相比，仿真结果的误差在允许范围内。不过，为了追求更精细的计算，下文中的计算结果均是基于本文的公式得到的。

通过公式计算得到本项目25年全生命周期的总发电量约为18314.24万kWh。

4.3.2 项目的效益计算

1)当该项目采用“自发自用、余电上网”运营模式时，由于枢纽机场能全部消纳项目所发光伏电力，因此无需对余电上网部分进行分析。此时根据式(6)、式(10)～式(12)，可得到项目全生命周期的发电总收入为9706.54万元，项目残值为139.65万元；当该项目减少的碳排放量为17.93万吨时，碳减排收入为430.32万元。将上述数据折算成项目初始收入现值，可得到项目25年的发电总收入现值为5593.12万元，项目的残值现值为41.24万元，碳减排总收入现值为247.92万元。

2)当该项目采用合同能源管理运营模式时，枢纽机场的收益包括享受优惠电价带来的收入和碳减排收入。在项目全生命周期内枢纽机场可使用相较于市电更便宜的光伏电力，其25年的优惠电价总收入为970.65万元，碳减排总收入现值为430.32万元。将上述数据折算成项目初始收入现值，该项目25年的优惠电价总收入现值为559.31万元，碳减排总收入现值为247.92万元。

4.3.3 项目成本计算

根据式(1)、式(2)，可得到该枢纽机场光伏发电项目的初始投资为2793万元，每年的运维成本为37.8万元，25年的总运维成本为945万元。将25年的总运维成本折算成项目初始时的运维成本现值，为532.75万元。

4.3.4 项目效益分析

结合上述结果对不同运营模式下本光伏发电项目25年的效益进行分析，结果如表3所示。

表3 不同运营模式下本光伏发电项目25年的效益分析结果Table 3 25-year benefit analysis results of PV power generation projects under different operating modes

由表3可知，2种运营模式下该光伏发电项目在25年全生命周期内均能得到可观的收益。

光伏发电项目的发电量、投资成本对LCOE的影响较大，但随着光伏发电技术的进步，光伏组件成本的降低及光电转换效率的提高，LCOE将会逐年降低，因此，光伏发电项目会越来越受到枢纽机场的青睐。

5 结论

本文对不同运营模式下的枢纽机场光伏发电项目的效益进行了分析计算，建立了项目的LCOE计算模型，并根据市场发展趋势，考虑了碳排放交易产生的效益，计算了不同峰值日照小时数下项目的LCOE，得出以下结论：

1)峰值日照小时数大于等于1400 h的地区，枢纽机场光伏发电项目的LCOE低于标杆上网电价，具备投资的可行性；且峰值日照小时数越高，项目的LCOE越低，其收益越高。因此，光照资源好的枢纽机场适合应用光伏发电项目。

2)“自发自用、余电上网”和合同能源管理运营模式下枢纽机场光伏发电项目均能得到可观的收益，但“自发自用、余电上网”运营模式的收益更高，不过其投资成本也相对较高。若枢纽机场不想负担较高的投资成本，其光伏发电项目可采取合同能源管理运营模式，该运营模式下枢纽机场仅需提供光伏发电项目的用地，项目的风险低且收入稳定。