户用屋顶分布式光伏发电成本效益分析
国网北京昌平供电公司的研究人员张伊美、刘欣明，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，我国对分布式光伏发电大力扶持，但补贴正在逐年下降。本文介绍了分布式光伏发电的政策环境，在此基础上建立了居民用户的发用电成本和效益模型。选取北京市2017年居民用户发用电数据，对分布式光伏投资回收年限进行测算，结果表明在现行补贴政策和投资成本下，平均回收成本时间为7.5年左右。
在此基础上分析了用户实际用电量、上网占比、投资成本及补贴力度对投资回报率的影响，计算得到相同回报率下不同度电补贴对应的单位容量光伏组件造价，为居民用户投资分布式光伏提供了指导和依据。
光伏发电具有清洁环保、不受资源分布地域限制、易于被消纳等优点[1]。分布式光伏发电一直被国家大力支持，并在近几年内发展迅速。光伏电站2015年总装机为15GW，2016年总装机为34.54GW，仅2017年新增装机便达53.06GW[2-3]。在2016年上调过一次可再生能源基金附加后，未来可再生能源基金附加难以上调，补贴来源方面便再未有加大力度的政策[2]。
目前光伏组件成本逐渐下降，2018年国家推行的分布式光伏度电补贴也出现了首次下调，分布式光伏前景依然看好，但投资将逐渐趋于理性。
分布式光伏发电的形式有3种，即自发自用余电上网、全部自用和全额上网。本文仅讨论自发自用余电上网和全部自用形式下的分布式光伏并网。居民报装分布式光伏一般采用这两种形式。
目前国内关于分布式光伏发电的研究已有不少[4-8]，但针对现有补贴政策和当前投资成本下的效益分析居多，对未来补贴下调和光伏组件成本下降的趋势考虑不足，本文基于现有数据进行测算分析，并考虑补贴力度和投资成本等因素变化的影响，向用户投资提供合理性化建议。
1 分布式光伏发展现状
1.1 政策环境
国家发改委、国家能源局等对分布式光伏并网工作出台一系列相关政策[9-13]。针对分布式光伏发电，国家层面实行全电量补贴的政策，自并网之时起对分布式发电项目实行每千瓦时0.42元（含税）的电价补贴，期限为20年。2017年12月19日，国家发改委下调了分布式光伏电价，2018年以后投运的分布式光伏发电项目，度电补贴标准降低至0.37元（含税）。各地市也出台了相关分布式光伏发电奖励办法。
以北京市为例，北京市发改委为鼓励分布式光伏发电，对2015年至2019年期间并网的分布式光伏发电项目，按每千瓦时0.3元（含税）进行补贴，每个项目补贴持续5年。
1.2 分布式光伏发电投资成本
居民用户投资分布式光伏发电项目，需购买光伏组件，逆变器，开关等辅助元件，以及安装费等等，用户需要维护光伏发电设备材料，维护成本大概1%～3%投资成本。光伏发电成本中，光伏组件约占50%～60%。总体建设费用已经降至每千瓦时万元以下[2]。
1.3 太阳能量环境和分布式光伏发电项目报装趋势
以北京市为例，太阳辐射量全年平均为4600～5700MJ/m2。年平均日照时数在2000～2800h之间，主要为2600h左右。辐射主要集中在4—8月，占全年55.1%。通过测算，按照最佳倾角31°敷设光伏电池板，年最大负荷发电小时数为1087h，平均每天2.98h[14]。
而从目前政策趋势来看，补贴的拖欠将成为常态，光伏补贴是不可持续的。图1为某区域居民分布式光伏2015—2017年业务受理和并网数据的增长情况。从图1可以看出，2015—2017年，每年新增受理和并网用户都在不断增长，受理容量年增长率逐年降低。鉴于建设周期的存在，平均受理-并网周期约为135天，并网增长率一定程度上滞后于受理增长率，最大增长率出现在2016年。未来，分布式光伏发展需要从数量向质量转型。
图1 某区域居民分布式光伏2015至2017年业务受理和并网增长率
2 户用分布式光伏投资成本效益分析
2.1 户用光伏投资成本效益模型
对于北京地区居民用户来说，为满足产权的合法性，安装分布式光伏发电的有效位置主要为农村宅基地和别墅的屋顶，为低压单相或三相，用户报装容量在1～20kW。户用光伏并网系统结构简单，均为一个光伏并网点和一个公共连接点，分别计量发电量和上网电量。其中并网点计量发电量，公共连接点为双向计量表，同时计收用电量和光伏上网电量，户用光伏并网系统如图2所示。
图2 户用分布式光伏发用电计量关系
此外，对于居民用户光伏效益，不考虑北京煤改电电价政策带来的影响。这是因为电采暖电价时段为非光照时间，光伏发电并不会抵消此部分用电，仅需考虑并网前后的居民阶梯电费差。
2.2 投资效益测算案例
图3为北京市某地区典型居民用户报装光伏发电15kW的发电量、上网电量、计收用电量和实际用电量随月份变化的趋势图。从图3中可以看出，光伏发电呈现季节性，发电量较高的月份为5—9月。居民用户的夏季实际用电量较大，已经远远超出三档阶梯电价电量值。用户光伏发电上网电量差值为用户自发自用电量部分，抵扣了一部分计收用电量，使得用户节省了一部分高额电费。
图3 典型个人用户逐月光伏发电情况（15kW）
模型数据背景：按第一年发电效率衰减率 为3%，之后第i年衰减率 为1%，时间成本率 取2017年居民消费价格指数2%。根据2017年北京某地区域光伏用户实际报装统计数据，按2018年以前的0.42元/kW·h的度电补贴和北京市级奖励资金0.3元/kW·h的政策下，用户光伏板平均造价参考当地平均安装价格，为0.85万元/kW·h。经测算，居民用户平均投资回收成本为6.99年，具体结果见表1。
表1 居民用户年发用电和回收年限情况
从样本用户测算结果还可以看出，居民用户平均日最大发电小时数3h。同时，不同的发电效率，上网电量，实际用电情况均对回收年限产生影响。
3 投资回报影响因素相关性分析
用户的实际用电量、上网电量比重、光伏投资成本以及光伏补贴力度均会对投资的回收年限产生影响，下面分别予以分析。
3.1 实际用电量和上网占比
以单相居民用户安装5kW分布式光伏并网为例，上网电量占发电量比重不应超过50%[13]。分析不同上网电量占比时，用户自身用电量与投资光伏回收年限的关系如图4所示。
图4 分布式光伏投资回收年限随实际用电量变化趋势
从图4可以看出，上网电量占比越高，用户投资成本的回收年限越长，这是因为光伏发电上网电价低于居民电价（两者差值为居民输配电价），用户自用的电量越多，不经电网而于本地消纳的电量就越多，节省了更多的输配电成本。
我国现行居民电价大多为阶梯电价[15]，可按用电量区间划分为三档。上网电量占比不变的情况下，随着用户实际用电量增加，回收年限逐渐缩短。当实际用电量在一档阶梯电量区间内时，实际用电量对回收年限的影响很小；在二档和三档阶梯电量区间范围时，回收年限缩短的速度相应增加。当用户实际用电量超过一定值时，自发自用电量全部替代三档阶梯电量，光伏发电已经产生了最大效益，收益年限不再减少。
3.2 实际用电量和上网占比
以北京市政策为例，考虑3种补贴政策下的光伏投资成本与回收年限的关系：①2018年国家分布式光伏每千瓦时0.37元电补贴20年和市级补贴每千瓦时0.3元5年；②2020年后北京市取消市级补贴后的情况；③远景时期光伏发电取消补贴之后的情况。
不同补贴政策下光伏投资回收年限与成本关系如图5所示。从图中可以看出，随着补贴力度降低，光伏发电的回收年限逐渐变长；同时，在没有补贴的情况下，通过降低光伏组件造价，也能大大缩短回收年限。
图5 不同补贴政策下光伏投资成本与回收年限
参照北京当地光伏组件平均造价（约0.85万元/ kW），按每千瓦时0.37元电补贴政策计算，平均7.54年可以回收成本；取消市级补助后，平均9.86年可以回收成本。若取消全部补贴，则光伏投资成本至少需降至3408元/kW，才能保证可以在8年内回收成本。
1）居民用户用电价格低，报装容量小，免征增值税，可以就地消纳。经测算现行补贴政策下，平均回收成本时间为7.5年左右。在目前国家补贴和市级奖励办法的扶持下，处于较高水平。但实际补贴发放滞后，拨款周期长，平均延后1～1.5年，故回收年限将略高于理论测算值。
2）对于用电量大、上网比例低的用户来说，回收年限短，更适合投资分布式光伏。