要： 基于平準化度電成本模型， 結合湖北省實例樣本數據， 構建 2016—2019 年湖北省光伏發電的成本結構框架，分析影響建設及度電成本的主要因素。 設置低等、 中等與高等三種情景模式與作用因子， 研究不同情形下湖北省光伏度電成本的未來發展趨勢， 討論不同影響因子對度電成本下降的驅動效果。 結果發現： 若無外力干預， 湖北省光伏度電成本下降緩慢， 預計將于“十四五” 末期甚至“十五五” 初期方能達到平價上網要求; 核心部件成本下降及能源利用效率提升將大幅促進度電成本的降低; 政策因素可顯著減少隱性成本從而推動光伏度電成本加速下降。
本文源自馮赫; 龍妍; 周銘， 能源與節能 發表時間：2021-04-25 《能源與節能》雜志，于1996年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:14-1360/TD，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：節能減排、環境資源、技術研究、實踐運用等。
關鍵詞： 光伏發電; 平準化度電成本; 情景分析
中國是全球主要的碳排放國之一[1-2] ， 為應對氣候變化風險， 中國大力發展以光伏為代表的新能源發電技術[3-5] 。 然而， 光伏發展初期高度依賴補貼政策， 給國家財政造成了巨大負擔[6-7] 。 近年來， 隨著技術指標不斷上升， 光伏發電成本顯著下降。 同時， 政府陸續出臺去補貼、 推競價、 促平價等一系列管理政策， 標志著中國光伏發電行業即將進入平價上網新時代[8-9] 。但是， 中國各省區太陽能資源稟賦差異較大， 部分資源較好地區目前已基本達到去補貼要求， 而湖北省由于資源較為貧乏， 發電成本高， 實現平價上網仍有一定難度[10-11] 。 因此， 亟需針對湖北省開發本地化的光伏發電成本核算模型， 厘清成本下降中的關鍵環節和風險節點， 對湖北省未來光伏度電成本做合理預測。
目前， 關于新能源發電經濟性評估的研究成果并不多， 通過調研相關文獻資料， 發現主要存在以下 2 個問題： a) 雖然以往研究構建了較為完善的度電成本核算模型， 并量化分析了影響新能源發電成本的主要驅動因素， 但是大部分研究距離現階段時間較長， 缺乏對近期成本下降的動態追蹤和情景分析， 無法準確反映當下不同新能源發電技術的實際度電成本， 亦不利于合理預測發電成本的未來變化趨勢[12-19] ; b) 大部分研究均集中在國家或整體層面， 尚未有文獻聚焦特定省份， 尤其是針對可再生能源資源相對貧乏地區做精細化的成本核算與分析[20-23] 。
鑒于此， 本文基于現有研究基礎， 以新能源資源匱乏的湖北省為研究對象， 通過收集并整理歷史資料， 分析湖北省近幾年光伏發電項目的成本結構， 結合平準化度電成本模型， 分別設立低等、 中等、 高等情景模式，并假定不同的驅動因素和影響因子， 預測 3 種情景下湖北省未來光伏度電成本及其發展趨勢。
1 平準化度電成本模型
1.1 采樣方法與數據來源
該研究以湖北省光伏電站為分析對象， 通過查閱 2016—2019 年間的 《中國電力年鑒》 與 《中國光伏產業發展線路圖 (2019 年版)》， 并對湖北省內的光伏電站進行實地走訪調研， 收集 2016—2019 年間湖北省光伏電站實際生產運營資料， 包括光伏電站的年發電量與年運營維護成本等數據。 通過查閱 2016—2019 年間的 《中國光伏發展報告》 等行業報告， 收集 2016— 2019 年間湖北省光伏電站的建設成本資料， 包括光伏組件數據、 管理費用、 融資成本等關鍵數據， 并以此構建基于湖北省本地化參數的光伏度電成本模型。
1.2 模型參數設定
平準化度電成本 (Levelized Cost of Electricity， LCOE)模型是國際上通用的用來評估發電項目經濟性的方法模型， 該模型數學表達式如式(1)所示：
式(1)中， LCOE 為平準化度電成本， 元 /(kW·h); Pdynamic_cost 為建設成本， 元， 其主要包括管理費用、 電網接入成本、 一次性土地費用、 電纜價格、 二次設備 (監控、 通信等設備)、 一次設備 (箱變、 主變、 開關柜、 升壓站(50 MW， 110 kV) 等設備)、 建安費用、 固定式支架、集中式逆變器、 組件價格、 融資成本等部分， 其中融資成本由融資年利率和融資周期構成; TO&M 為電站運行年限， a; n 為電廠運行至第 n 年; Ddepreciation 為電廠損耗，元; Rtax 為稅率， 本次研究中取 0%; Rdiscount 為電廠每年折舊率; PO&M 為電廠每年運維成本， 元; Vresidual_value 為固定資產價值， 元; Eaccrual 為電廠年發電量， kW·h， 其主要取決于裝機容量及年發電小時數。 模型分子 4 個部分分別表示建設成本、 資產折舊及稅收、 運維成本、固定資產殘值現值， 分母表示發電量現值。
2 湖北省光伏發電成本及經濟性預測分析
2.1 光伏電站建設成本及其結構分析
光伏電站的成本主要由建設成本與運維成本兩部分構成。 建設成本包括組件、 逆變器、 支架、 電纜、 一次設備、 二次設備等關鍵設備的成本， 和一次性土地費用， 電網接入成本， 建安、 管理費用及融資成本等。運維成本主要涵蓋了光伏電站運行期間的人力成本和設備維護費用。 湖北省光伏產業鏈現實情況和企業實地調研結果顯示， 近年來湖北省光伏電站運維成本基本保持不變。 2016—2019 年湖北省光伏電站建設成本及其構成情況如表 1 所示。
由表 1 可知， 從整體角度看， “十三五” 期間湖北省光伏電站的建設成本持續下降， 2016—2019 年湖北省光伏電站的建設成本分別為 7.75 元/W， 7.17 元/W， 5.22 元/W， 4.45 元/W， 年復合增長率為 -16.88%， 2019年建設成本較 2016 年下降 42.58%， 降幅明顯。 其中， 對光伏電站建設成本逐年下降貢獻最大的是光伏組件成本。 2016—2019 年湖北省光伏電站建設成本結構中組件費用分別為3.30元/W， 3.00元/W， 2.00元/W， 1.80元/W， 年復合增長率為 -18.29%， 2019 年組件費用較 2016 年下降 45.45%， 組件費用的下降速率與幅度均基本與光伏電站整體建設成本的變化趨勢持平。 從所占份額看， 2016 年湖北省光伏電站建設成本結構中組件部分的成本占比為 42.58%， 其次為建設安裝成本， 占比約為 12.90%。 2019 年組件占光伏電站建設成本的比例為 40.45%， 較 2016 年略有下降， 但仍大幅領先于占比位居第二的建筑安裝成本， 其成本占比僅為 14.16%。 2016 年與 2019 年湖北省光伏電站建設成本構成情況如圖 1 所示。
2.2 光伏電站度電成本及其結構分析
為研究湖北省光伏電站的發電經濟性， 本節以 2016—2019 年湖北省光伏電站建設成本及運維成本相關數據作為樣本資料， 以 100 MW 光伏電站為研究對象， 假設折舊率為 10%， 設定運行年限為 20 a， 年發電小時數為 1 200 h， 構建基于湖北省本地化參數的光伏電站 LCOE 模型， 具體結果如表 2 所示。
由表 2 可知， 從整體層面看， 近年來湖北省光伏電站度電成本下降趨勢明顯。 2016—2019 年湖北省光伏電站的平準化度電成本分別為 0.80 元 /(kW·h)， 0.74 元/(kW·h)， 0.55 元/(kW·h)， 0.48 元/(kW·h)， 年復合增 長 率 -11.99% ， 2019 年 度 電 成 本 較 2016 年 下 降 66.67%。 從影響度電成本的參數看， 2016—2019 年湖北省光伏電站的年運維成本及年發小時數基本保持恒定，分別為 0.05 元/W與 1 200 h， 因此“十三五” 期間湖北省光伏電站度電成本的持續降低主要歸功于建設成本的下降。 2017 年、 2018 年、 2019 年湖北省光伏電站的建設成本較 2016 年的降幅分別達到 7.48%， 32.65%， 42.58% ， 而 同 年 度 電 成 本 的 降 幅 分 別 為 7.50% ， 31.25%， 40.00%， 二者基本保持一致， 再次佐證了光伏電站建設成本的降低是光伏發電度電成本下降的主要驅動力。 截至 2019 年底， 湖北省光伏電站的度電成本為 0.48 元/(kW·h)， 盡管較之前已實現大幅下降， 但與同年湖北省燃煤發電標桿上網電價 0.40 元/(kW·h)仍有一定差距。
2.3 光伏電站建設及度電成本預測分析
該研究將影響光伏度電成本的因素歸納為投資成本與發電效率兩大類， 其中投資成本主要由核心組件、其他設備及管理融資等組成， 發電效率則主要通過年平均發電小時數體現。 設立低等、 中等、 高等 3 種情景模式。 其中， 低等情景的主要影響因素為建設成本， 中等情景的主要影響因素為年平均發電小時數， 高等情景則是在中等情景的基礎上增加政府干預因素。 最后，基于 LCOE 模型， 分別計算 3 種情景模式下湖北省未來的新能源度電成本， 并量化分析新能源度電成本下降過程中各影響因素的絕對貢獻率。 2025 年與 2030 年湖北省光伏電站建設與度電成本在低等情景模式下的預測值與 2019 年對比情況如表 3 所示。
光伏電站建設的審批流程復雜， 建設周期長， 建設成本的變化對光伏度電成本的下降至關重要。 由表 3 可知， 在低等情景模式下， 光伏電站建設成本 (包括融資成本， 下同) 的逐年降低有效驅動了光伏度電成本的持續下降。 根據測算結果， 在假設建設成本由 2019 年的 4.45 元/W 分別降至 2025 年的 3.83 元/W 與 2030 年的 3.60 元/W 時， 光伏度電成本將由 2019 年的 0.48 元/(kW·h)分別降至 2025 年的 0.42 元/(kW·h)與 2030 年的 0.39 元/(kW·h)， 降幅分別為 7.60%和12.59%，即建設成本每下降 1.00 元 /W， 度電成本將同步降低約 0.10 元/(kW·h)。 其中， 綜合表 1 數據可知， 組件費用占建設成本的比例在 40%以上， 其他成本雖亦有下降趨勢但空間不大， 因此組件成本降低將直接帶動建設成本下降從而推動度電成本降低。
除降低成本以外， 效率提升是促進光伏平價上網早日實現的另一關鍵因素。 因此， 在中等情景模式下，將年發電小時數作為第二影響因素， 考察其對光伏度電成本下降的作用效果。 由表 4 可知， 在建設成本逐漸下降的基礎上， 假設年發電小時數由 2019 年的 1 200 h 分別提升至 2025 年的 1 350 h 與 2030 年的 1 500 h， 光伏度電成本將由 2019 年的 0.48 元/(kW·h)分別降至 2025 年的 0.37 元/(kW·h)和 2030 年的 0.32 元/(kW·h)，降幅分別為 17.87%， 30.07%。 與低等情景相比， 在 2025 年， 當年發電小時數提升 150 h 時， 度電成本隨之下降了 0.05 元/(kW·h)， 降幅為 11.11%， 降本效果顯著; 在 2030 年， 當年發電小時數提升 300 h 的情況下，度電成本僅降低了 0.07 元/(kW·h)， 降幅為20.00%， 并未隨著發電小時數的增加而增加， 可見雖然度電成本在技術不斷發展的同時將會持續下降， 但由效率提升所帶來的降本效果將會逐漸下降。
核心組件的成本下降及能效提升勢必會推進新能源度電成本下降。 此外， 新能源電站還存在其他隱性成本，譬如接入成本、 土地費用與融資成本。 鑒于此， 在高等情景模式中， 將政策手段作為第三影響因素， 考察在政府干預的情況下， 通過大幅度降低電網接入成本， 土地費用與融資成本對光伏度電成本下降的影響效果。 由表 4 可知， 假設在建設成本不斷下降與年發電小時數持續提升的基礎上， 高等情景下 2025 年與 2030 年的電網接入費用與土地成本均為 0 元/W， 同時融資成本快速下降， 2025 年與 2030 年分別為 0.15 元/W與 0.05 元/W， 則光伏度電成本將由 2019 年的 0.48 元/(kW·h)分別降至 2025 年的 0.33 元/(kW·h)與 2030 年的 0.28 元/(kW·h)，降幅分別為 30.25%與 42.15%。 與中等情景相比較， 2025 年， 度電成本降低了 0.04 元/(kW·h)， 其中由于電網接入費用的下降， 帶動了度電成本降低約 0.017 4 元/(kW·h)，貢獻率為 46.51%， 土地成本和融資成本的下降分別帶動了度電成本降低約 0.013 9 元/(kW·h)與 0.006 1 元/(kW·h)，貢獻率分別為 37.21%和 16.28%; 2030 年， 度電成本同樣降低了 0.04 元/(kW·h)， 其中由于電網接入費用、 土地成本以及融資成本的降低分別帶動了度電成本下降約 0.014 9 元/(kW·h)， 0.011 7 元/(kW·h)， 0.012 5 元/(kW·h)，貢獻率分別為 38.00%， 30.00%， 32.00%。 2025 年與 2030 年湖北省光伏電站建設及度電成本在中、 高等情景模式下的預測值與 2019 年對比情況如表 4 所示。
3 結語
研究基于 LCOE 模型， 結合湖北省實例樣本數據，分析了近年來湖北省光伏發電的度電成本及其組成結構， 同時通過設立低等、 中等、 高等情景模式， 預測湖北省未來光伏度電成本的發展趨勢及主要影響因素，得出以下結論：
a) 在無外力因素干預的條件下， 湖北省光伏度電成本下降較為緩慢。 研究結果顯示， 在低等情景模式下， 湖北省光伏發電項目的運維成本及年發電小時數均保持不變， 僅有建設成本自然降低， 預計光伏度電成本將于“十四五” 末期甚至“十五五” 初期方能達到平價上網要求。
b) 降低核心組件成本并提高能效技術水平有利于推動光伏度電成本降低。 研究結果顯示， 光伏電站建設成本每降低 1 元/W將帶動度電成本下降約 0.1 元/(kW·h)，而作為影響光伏發電的關鍵因素， 光伏組件占建設成本的比例在 40%以上， 因此組件費用的下降對降低建設成本及度電成本具有決定性作用。 另外， 年發電小時數每提升 150 h， 將帶來約 0.05 元/(kW·h)的度電成本下降幅度， 因此采用更優材料或技術提升利用效率將進一步促進度電成本降低。
c) 政策因素可通過干預隱性成本從而加速光伏度電成本的下降。 研究結果顯示， 電網接入費用每降低 0.20 元/W 將會推動度電成本下降約 0.016 2 元/(kW·h);土地成本每降低 0.16 元 /W， 可幫助度電成本下降約 0.012 8 元/(kW·h); 融資成本每降低 0.115 元/W， 可帶動度電成本下降約 0.009 3 元/(kW·h)。 因此， 政府可通過加大對光伏發電項目的干預力度， 促進湖北省光伏發電早日實現平價上網。
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