基于LCOE的单面与双面双玻光伏组件 经济性分析

陈 琦，王海华

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京210000)

0 引言

随着中国2030年碳达峰、2060年碳中和目标的提出，以光伏发电为代表的可再生能源利用迎来了新的发展热潮。光伏组件作为光伏发电的核心部件，也备受关注。双面光伏组件因具有光致衰减小、弱光响应好等优点日益受到重视与青睐[1]，并且随着其技术不断得到完善，变得更为成熟，应用规模也不断扩大[2]。在大多数情况下，对于相同光电转换效率的双面单玻光伏组件或常规的单面光伏组件而言，双面双玻光伏组件更具有发电量优势[3]；而且双面双玻光伏组件和单面光伏组件的成本差距也在不断缩小，价差仅取决于单面光伏组件背板材料和双面双玻光伏组件玻璃背板材料的成本，目前价差已在1美分/W以内[4]。本文结合平准化度电成本(LCOE)模型与PVsyst软件对采用单面光伏组件和双面双玻光伏组件的光伏电站发电量进行模拟，并对不同场景下单面光伏组件和双面双玻光伏组件的经济性进行对比。

LCOE是用于分析各种发电技术成本问题的主要指标。陈荣荣等[5]根据美国国家可再生能源实验室(NREL)和德国弗劳恩霍夫太阳能研究所(Fraunhofer ISE)的LCOE评估方法，并考虑了系统残值后，总结出并网光伏发电项目的LCOE模型，即：

式中：i为折现率；n为光伏发电系统运行的第n年；N为光伏发电系统全生命周期(一般为25年)；I0为初始投资；An为第n年的运营成本；Tn为第n年除运营成本外的其他费用；VR为系统残值；Yn为第n年的并网光伏发电量。

式(1)考虑了光伏发电项目的初期成本、运营期成本和末期残值。

此外，国内学者还根据中国的实际情况对LCOE模型进行了细化，吴红等[6]在该模型基础上引入了“三免三减半”税收优惠政策；王嘉阳等[7]在该模型基础上引入了增值税抵扣政策。

在进行光伏发电项目的经济效益分析时，昌敦虎等[8]对光伏发电项目LCOE模型计算时的折现成本C进行了细化，即：

式中：OAM为光伏发电项目的运行维护费用率；TAn为第n年的总税收；LRn为第n年的贷款利息。

该模型将式(1)中的运营期成本细化为运行维护成本、税务成本、贷款成本。

总体而言，税收优惠政策对LCOE计算结果的影响有限，但折现率的取值不同会造成LCOE和项目发电量折现出现降幅不平衡的情况，目前中国对计算LCOE时如何选取折现率尚无相关的政策说明。在LCOE测算过程中，如果折现率从5%提高到8%，则LCOE的变化幅度可达到22.24%[6]。因此，本文对折现率的选取进行分析，以便更好地反映单面光伏组件和双面双玻光伏组件的经济性。

1 采用不同类型光伏组件时的年发电小时数和首年发电量模拟

1.1 光伏方阵的年发电小时数模拟

为了对比单面光伏组件和双面双玻光伏组件的发电量差异，本文利用PVsyst软件，以江苏省启东市某光伏电站中的一个光伏方阵为依托，分别对采用常规单面单玻单晶硅光伏组件(下文简称为“单面光伏组件”)或双面双玻单晶硅光伏组件(下文简称为“双面双玻光伏组件”)的光伏方阵进行了建模仿真。该光伏方阵包含8100块540 Wp的单面光伏组件或双面双玻光伏组件，光伏组件以“2×27”的竖向方式布置在1个固定式光伏支架上，光伏组件下沿距离地面的高度为1.5 m；光伏支架倾角为21°，相邻前后排光伏支架的中心间距为8.0 m；光伏方阵连接1台3125 kW的箱式逆变一体机。

进行光伏方阵首年发电小时数模拟时，假设忽略有限模型阴影的边缘效应。太阳辐照度等气象数据参考Meteonorm7.2数据库中的数据。通过控制变量法比较分别采用单面光伏组件和双面双玻光伏组件时光伏方阵的首年发电小时数。考虑到地面条件对年发电小时数的影响，因此，对不同地面平均反射率下单面光伏组件和双面双玻光伏组件的首年发电小时数进行了模拟，模拟结果如图1所示。

图1 不同地面平均反射率下采用单面光伏组件和双面双玻光伏组件时光伏方阵的首年发电小时数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

从图1可以看出，随着地面平均反射率的增大，相较于采用单面光伏组件，采用双面双玻光伏组件时光伏方阵的首年发电小时数提升幅度也在逐渐增大。地面平均反射率为10%时，相较于采用单面光伏组件，采用双面双玻光伏组件时光伏方阵的首年发电小时数提升了约2.0%；而在地面平均反射率为25%时，相较于采用单面光伏组件，采用双面双玻光伏组件时光伏方阵的首年发电小时数提升了约4.4%。此外，采用双面双玻光伏组件时光伏方阵的首年发电小时数随着地面平均反射率的提高呈线性上升趋势。

1.2 首年发电量模拟

由于单面光伏组件和双面双玻光伏组件的背板结构不同，因此，这2种光伏组件的老化衰减程度也不相同。黄盛娟等[9]通过对光伏电站中的光伏组件进行测试后发现，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和背板材料的老化、黄变是导致光伏组件老化衰减的主要原因。双面双玻光伏组件的背面材料为超白低铁钢化玻璃，无论是紫外线(UV)、水汽或酸、碱、盐雾等，都无法腐蚀或破坏双面双玻光伏组件的内部，大幅降低了此类光伏组件产生蜗牛纹、黑线的概率[10]。因此，目前主流的光伏组件厂家设定的双面双玻光伏组件在质保期内的老化衰减率普遍低于单面光伏组件的老化衰减率。以主流p型光伏组件的质保为例，单面光伏组件的年老化衰减率为0.55%，而双面双玻光伏组件的年老化衰减率为0.45%；但这2种光伏组件的首年老化衰减率均为2%。

地面条件不同，其平均反射率也不同，相应的双面双玻光伏组件的发电量也不同。裴骏等[11]提出在模拟采用双面双玻光伏组件的水上光伏电站的发电量时，可以将冬季的水面反射率设置为10%左右，从而可获得较为准确的模拟结果。刘飞等[12]对比模拟发电量与实际发电量后发现，将人造草地的反射率设置为25%时，模拟发电量与实际发电量数据非常接近。综上，本文以平均反射率为10%模拟双面双玻光伏组件的水面应用场景，以平均反射率为25%模拟双面双玻光伏组件的草地应用场景。

基于上文模拟得到的首年发电小时数及单面光伏组件和双面双玻光伏组件的老化衰减率质保值，可以测算出单面光伏组件和双面双玻光伏组件在25年全生命周期内的发电量。以江苏省启东市的某光伏电站为例，该光伏电站的装机容量为100 MWp，模拟得到典型场景下采用单面光伏组件和双面双玻光伏组件时该光伏电站在25年全生命周期内的发电量，具体如图2所示。

从图2可以看出，无论在何种场景下，25年全生命周期内，采用双面双玻光伏组件时光伏电站的发电量均高于采用单面光伏组件时光伏电站的发电量。

图2 典型场景下采用单面或双面双玻光伏组件时光伏电站在25年全生命周期内的发电量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 折现率的选取

折现率是指将未来有限期内的预期收益折算成现值的比率。由于光伏电站的全生命周期较长，因此折现率是决定其各个阶段成本现值的核心参数。折现率也是项目投资者对资金时间价值的最低期望[13]。对于光伏电站的建设而言，其折现率通常要高于其长期贷款利率，因此本文不建议以长期贷款利率作为折现率的基准值。魏智超[14]通过木联能CDG光电工程经济评价软件验证了某大型光伏基地的LCOE与财务内部收益率(FIRR)之间的关系，即利用FIRR目标值反算得到的电价与利用FIRR目标值作为折现率计算得到的LCOE相等。因此，当以折现率作为投资者期望的最低FIRR时，LCOE可以用来代表整个光伏电站的成本电价。如果项目运营期售电电价明确，当LCOE低于上网电价时项目是可行的，反之则不可行。因此，本文推荐以投资者期望的最低FIRR作为折现率的基准值。

2.2 LCOE比较

结合上文得到的采用2种光伏组件时光伏电站的发电量模拟结果，以投资者期望的最低FIRR(7%)作为折现率，进行采用单面光伏组件和双面双玻光伏组件时光伏电站的LCOE比较。由于测算光伏电站的LCOE涉及多个因素，不同边界条件下的测算结果也不尽相同。因此，假定在某个特定条件下，采用单面光伏组件时光伏电站的LCOE刚好为其运营期的售电电价 (0.391元/kWh)。由于采用双面双玻光伏组件时光伏电站的初期投资相对较高，但与该光伏电站采用单面光伏组件时相比，总体价差(即双面双玻光伏组件每瓦价格与单面光伏组件每瓦价格的差值)在0.1元/W之内，即采用双面双玻光伏组件时100 MWp光伏电站的初始投资增加额在1000万以内。假定忽略因初始投资额增加而造成的经营成本与系统残值差异，则可以在采用单面光伏组件时光伏电站LCOE基础上，利用反算法得到采用双面双玻光伏组件时光伏电站的LCOE。典型应用场景下双面双玻光伏组件和单面光伏组件不同价差时光伏电站LCOE的变化情况如图3所示。

图3 典型应用场景下双面双玻光伏组件和单面光伏组件 不同价差时光伏电站的LCOE变化趋势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

从图3可以看出，在水面应用场景下，当双面双玻光伏组件与单面光伏组件的价差在0.17元/W以内时，采用双面双玻光伏组件时光伏电站的LCOE低于采用单面光伏组件时光伏电站的LCOE；在草地应用场景下，由于相较于单面光伏组件，双面双玻光伏组件增加的发电量更高，而且从现在的LCOE随价差的变化趋势来看，只有当双面双玻光伏组件与单面光伏组件的价差在0.20元/W以上时，采用单面光伏组件时光伏电站的LCOE才能低于采用双面双玻光伏组件时光伏电站的LCOE。但由于市场上双面双玻光伏组件与单面光伏组件的价差一般在0.1元/W以内，因此，在这2种典型场景下采用双面双玻光伏组件的经济性均优于采用单面光伏组件时的经济性。

为了进一步比较采用单面光伏组件与采用双面双玻光伏组件时的经济性，假定光伏电站采用单面光伏组件时的LCOE刚好为其运营期的售电电价(0.391元/kWh)，并对这2种光伏组件在不同价差条件下，双面双玻光伏组件不同发电量增益时光伏电站的LCOE进行测算，测算结果如图4所示。需要说明的是：相较于上文典型场景下的LCOE比较，此次不仅仅关注场景反射率不同对发电增益产生的影响，而是在综合考虑各种影响发电量增益因素的情况下，分析双面双玻光伏组件的发电增益对光伏电站LCOE的影响。

图4 不同价差及不同发电增益下采用双面双玻光伏组件时 光伏电站的LCOEFig. 4 LCOE of PV power station using bifacial glass PV modules under different price differences and different power generation capacity gains

从图4可以看出，仅在双面双玻光伏组件与单面光伏组件的价差很大且双面双玻光伏组件的发电量增益很小的双重条件下，单面光伏组件的经济性才能优于双面双玻光伏组件。若双面双玻光伏组件与单面光伏组件的价差在0.05元/W以内，即使双面双玻光伏组件无发电量增益，其老化衰减率优势也会使其表现出较好的经济性。若双面双玻光伏组件的发电增益在1%以上，即使双面双玻光伏组件与单面光伏组件的价差达到0.1元/W，双面双玻光伏组件也是更为经济的选择。

3 结论

本文以江苏省启东市某光伏电站为例，结合LCOE模型分析对比了该光伏电站分别采用单面光伏组件和双面双玻光伏组件时的经济性，主要结论如下：

1)计算LCOE时折现率的选择对计算结果的影响较大，当折现率选取为财务内部收益率(FIRR)时，LCOE的测算结果即为该FIRR下光伏电站的LCOE。利用LCOE反算项目成本电价或进行经济性比选时，建议折现率选用投资者预期的最低FIRR。

2)由于双面双玻光伏组件自身的老化衰减特性优于常规单面光伏组件，在草地、水面等应用场景下，双面双玻光伏组件的经济性均优于单面光伏组件。在资金成本充裕的情况下，可以考虑选用双面双玻光伏组件来获得更好的光伏电站投资收益率。

3)仅在双面双玻光伏组件与常规单面光伏组件的每瓦价差及双面双玻光伏组件的发电量增益均很小的条件下，常规单面光伏组件才具有一定优势。若这2种光伏组件的价差在0.05元/W以内，即使不考虑双面双玻光伏组件的发电量增益，选用双面双玻光伏组件的收益率仍高于采用单面光伏组件时的收益率。

4)若双面双玻光伏组件相对于单面光伏组件的发电增益在1%以上，且在0.1元/W的价差下，选用双面双玻光伏组件可获得更高的财务内部收益率。考虑到双面双玻光伏组件与单面光伏组件的市场价差在0.1元/W以内，且双面双玻光伏组件在大部分应用场景下的发电增益均高于1%，因此建议将双面双玻光伏组件作为光伏电站的主流选型方案。