1.项目研究背景
光伏发电系统分为两种类型，一是集中式光伏发电系统，主要是在广阔地面上安装十几兆瓦以上的大型地面电站；二是分布式光伏发电系统，主要是在各种屋顶上安装的兆瓦级以下的光伏发电系统。分布式光伏发电系统与集中光伏发电系统相比，其特点是“自发自用、余量上网”，发出的电有相当部分可被用户自身消纳，由此具有靠近用户、输电成本低、对电网影响小等优势，是我国目前着力推广的电力生产方式之一。根据电力发展“十三五”规划，到2020年分布式光伏发电将达到60GW，而截至2015年，这一数字仅为6.06GW，还有高达50多GW的缺口。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是指建在建筑物屋顶的屋顶光伏发电项目。
2.屋顶光伏发电系统简介
屋顶光伏发电是人们对太阳能利用的一种方式，是一种环保、清洁的可再生能源。它对于优化能源战略、提高电源保障、节能减排、提高环境质量是非常有利的。首先，屋顶光伏电站是利用闲置的屋顶资源开发光伏电站，节省了土地资源。其次，电站紧邻用电单位，不存在电力输送问题，而且能够削峰填谷，提高电网供电能力。第三，电站拥有“自发自用、余电上网”与“全额上网”两种商业模式，业主可以根据自己的用电价格以及用电量自主选择。
2.1光伏发电原理介绍
光伏电池发电的原理简单来说就是光生伏特效应。当光线照射到太阳能电池板表面的时候，有一部分光子会被电池板中的硅材料吸收，从而使其电子发生跃迁成为按规律移动的自由电子，该自由电子在 PN 结两侧聚集形成一个电位差。此时将外部电路和电池板接通，在该电位差也即是电压的作用下，会形成电流，从而对外部电路产生一定值的功率输出，完成了光能到电能的转变过程。
2.2 屋顶光伏发电的系统构成
屋顶光伏发电系统的组成结构比较简单，主要有以下组成部分：太阳能光伏电池、并网逆变器及并网接入测控系统。一般屋顶光伏发电系统的组成模式如下图所示。
图1 屋顶光伏发电系统组成模式示意图
光伏电池是利用半导体光伏效应制成的一种能将太阳能转换成电能的器件。光伏电池主要包括晶体硅电池、薄膜电池和聚光太阳能电池。晶体硅电池因为资源丰富、转化率高，是市场中使用最多的电池，约占光伏市场的90%。晶体硅电池分为单晶硅电池和多晶硅电池，单晶硅电池的光电转换效率最高可达24.7%，高于多晶硅电池。单晶硅电池的寿命一般在25年至30年，也高于多晶硅电池，但是多晶硅电池的成本比单晶硅要低。
单体太阳能电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。光伏组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，并送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
表1 2016年光伏组件企业出货量排行
逆变器也是光伏发电系统的主要组成部分，它是连接电网的关键部件，其功能主要是将光伏组件产生的直流电转换成交流电，转换之后的交流电与外部电网的电力具有相同的电压和频率。逆变器对电网的安全运行起到一定保护作用，具有最大限度地发挥光伏组件性能的功能和异常或故障时的保护功能。逆变器的转换效率一般为92%~95%。2016年全球光伏逆变器企业出货量排名前两位的企业是中国的华为和阳光电源。
光伏发电系统组成结构。为保证系统安全可靠运行，需综合考虑防雷系统、保护系统、通信系统的设计。光伏发电系统组成结构示意如下图。
图2 光伏发电系统组成结构示意图
2.3光伏发电系统发电量
屋顶光伏发电系统的发电量与系统所处地区的太阳能资源有密切关系。太阳能资源越充足，可以开发利用的空间就越大；系统的装机容量越大、可利用的太阳能资源越多，那么光伏系统的发电量就越充足。
1 我国太阳能资源分布
中国气象局根据近年来统计和研究的数据重新计算了中国太阳能资源分布，并制定了《太阳能资源评估方法》行业标准。根据太阳能年总辐射量的空间分布将我国划分为四个资源带，即I类地区：太阳辐射量在6700MJ/m2.a~8370MJ/m2.a的资源最丰富区；II类地区：太阳辐射量在5400MJ/m2.a~6700MJ/m2.a的资源很丰富区；III类地区：太阳辐射量在4200MJ/m2.a~5400MJ/m2.a的资源丰富区；IV类地区：太阳辐射量在小于4200MJ/m2.a的资源一般区。
表2 中国太阳能区划指标
我国太阳能资源分布的主要特点为：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°~35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。
2.发电量计算
关于发电量的计算有两种方法，一种是根据由发电系统的装机容量和光伏发电的年日照峰值小时数来计，另一种方法是根据该地区的太阳能年辐射量和光伏系统的光电转换率计算。通常依据第一种方法计算，屋顶太阳能光伏发电系统第i年的发电量Qi（单位为KW·h/y）可由下式计算：
Qi =P×TS×η×（1-γ）i-1 （1）
上式中，P为发电系统的装机容量（单位为KW），也就是光伏发电系统的峰值功率或者额定功率；TS为光伏系统年满负荷日照小时数，要结合当地的日照情况计算；η为光伏发电系统的综合效率，可以通过相关技术参数粗略估计，光伏发电系统的损耗率的影响因素比较多，包括：组件表面灰尘的损失、部件的倾斜损失、电池方阵组合的损失、最大功率点偏离损失、逆变器转换损耗、线路损耗等；γ为太阳能光伏发电系统的平均年衰减率。
2.4屋顶光伏发电系统收入与成本
1.光伏发电系统收入
光伏发电系统的收益主要是卖电收入及其他补贴收益。
在我国，对于分布式屋顶光伏发电系统的电能并网结算方式，主要有如下两种：一是全额上网；二是自发自用、余电上网。
“全额上网”的结算方式，相当于把屋顶光伏发电系统看成分布式的小型电站。这种并网方式下，屋顶光伏发电系统所发的电量依照当地的光伏标杆电价，卖给电网。用户通过收取电费，获得收益。用户的收益取决于光伏发电系统的发电量和电价水平。
“自发自用，余电上网”的文字意思是指屋顶光伏发电系统所发电量优先由用户使用，在用户用不完的情形下，再向电网输送电力。因此，用户的净收益除了与系统的发电量和上网电价有关之外，还要受用户的用电量的影响。
研究户用屋顶光伏发电系统的商业模式，需要结合光伏发电系统并网结算方式进行详细分类。
自发自用，余电上网模式下的电费：
电费=用户用电量×合同电价+上网电量×脱硫燃煤电价
+总发电量×度电补贴。
全额上网模式下的电费：
电费=总发电量×光伏标杆电价。
2.屋顶光伏发电系统成本
屋顶光伏发电系统成本由装机成本、运营成本和财务费用组成。
装机成本 屋顶光伏发电系统主要包括光伏组件、支架、逆变器、电缆、变压器及其他设备等。装机成本指上述材料成本和安装成本的总和。
运营成本 屋顶光伏发电系统的运营成本指日常的维护和管理费用，运营成本与系统的装机规模有关。运营成本一般由系统的总装机成本乘以系统运营费率来计算。运营费率一般取值为1%-3%。
财务费用 屋顶光伏发电系统的财务费用与项目的贷款利息有关系。
3.户用屋顶光伏发电系统商业模式及运营模式研究
3.1户用屋顶光伏发电系统商业模式
随着国家在“电力发展十三五规划”中给分布式画了一个“60GW”的大饼，户用屋顶光伏领域成为各大光伏企业的兵家必争之地，各企业也在不断摸索新的商业模式。目前，常见的商业模式主要有经销商模式、租赁模式和渠道+光伏模式。
1.经销商模式
该模式多由光伏组件厂商主导，比如天合光能、爱康科技、汉能、英利等公司多是采取这一模式，该模式的好处是可以快速大面积进行全国市场的拓展，短时间内在户用屋顶光伏市场建立起品牌知名度，设备出货量也较为可观。比如“天合光能”户用屋顶光伏发展目标：以县为单位，构建全国2000家一级经销商；以乡为单位，构建全国30000家二级经销商。该模式下不同公司的出货量差距较大，和市场投入力度有直接关系。
2.租赁模式
租赁模式的系统产品线较为单一，通常会固定为5KW的系统，租赁费用普遍在500-800元/年之间。屋顶租赁模式的好处是前期市场推广较为容易，规模大，一次性集中式投入，市场拓展成本低。
3.渠道+光伏模式
光伏组件商借助某渠道商的平台，由渠道商帮其推广光伏发电系统，并支付渠道商相应的费用。比如前期协鑫集成“相中”了汇通达的渠道（汇通达服务网络延伸至苏、皖、鲁等14个省份，覆盖了50000多个村，与近5000万户农民家庭建立了联系和互动），双方达成合作协议。
3.2 运营模式研究
根据上述商业模式分析，可以得出户用屋顶光伏发电系统的运营模式基本上可分为两大类，一是用户自己投资，自己找施工方建设，自己运营；一是由光伏发电投资方出资建设，投资商运营管理光伏发电系统通过卖电获取收益（屋顶租赁模式）。
1.用户自建模式
用户自建模式是由居民本人或委托第三方向当地县级能源管理部门提出建设申请，申请通过后由用户或受托方自行建设，项目建成并网后由省能源管理部门对居民进行投资补助。签订合同（协议）前，供应商需要使用户知晓光伏产品的信息和一些风险因素，屋顶光伏系统建成上网运行之后由能源管理部门对用户进行一定数额的投资补贴。
2.屋顶租赁模式
户用屋顶光伏发电系统的屋顶租赁模式是由光伏发电投资商与有建设意愿的居民协商达成协议，按租赁模式建设运营屋顶光伏发电系统，居民享受双方约定的电价、屋顶租金或者其他形式的优惠，屋顶发电投资商享受能源管理部门的投资补助。
4.典型案例经济性分析
针对集团华北区域农村煤改气覆盖乡镇较多的特点，选取河北省保定市涞水县作为案例发生地，对户用屋顶光伏发电系统两种运营模式的经济性进行分析。
4.1 概况
涞水县当地燃煤上网标杆电价0.3634元/KWh，居民第一档电价0.52元/KWh，每月第一档用电量为180KWh。
国家补贴为0.42元/kWh，原则补贴20年。根据河北省光伏补贴政策，河北省地方补贴为0.2元/kWh，原则补贴3年；保定市及涞水县无补贴。
根据涞水县光照资源情况，涞水县年平均峰值满发小时数为1261.44h，每天平均峰值日照小时数为4.32h。
4.2 屋顶租赁模式经济性分析
1.测算边界条件
按照政府现在主推的集中连片开发农村户用屋顶光伏的模式，假设企业投资某200户村子的屋顶光伏，每户装机容量为5KW，装机成本为6元/W。主要的测算边界条件见下表。
表8 屋顶租赁模式测算边界条件
表9 光伏系统每年发电量
2.经济性分析
经查阅相关资料，涞水县第一档控制电量为每户180千瓦时/月、2160千瓦时/年，200户年用电量为43.2万千瓦时/年。上表中25年年平均发电量为112.36万千瓦时/年，按第一档控制电量计算，居民用电量约占发电量的比例为38.45%。以此比例为基础，假定项目自用电量占发电量的比例为40%，其余电量上网，计算得出项目总投资回收期为9.53年、项目投资内部收益率为7.94%。
3.敏感性分析
对于影响户用屋顶光伏发电经济性的关键因素，需要进行敏感性分析。
（1）自发自用比例
户用屋顶光伏发电系统所发电量的上网比例对于其经济性有较大影响，下表对发电量40%自用、60%自用和100%上网这3种情况进行敏感性分析，得到了不同情况下的经济指标。
表10 屋顶租赁模式下用户电量上网比例敏感性分析
注：全额上网电价按2017年光伏电站标杆上网电价计算。
（2）年发电量
户用屋顶光伏发电系统年发电量对于其经济性也有较大的影响。现以表9中的年发电量为基数，在所发电量40%自用、60%上网及其他条件不变的情况下研究年发电量在增加10%、不变和减小10%时的经济性，计算结果如下表所示。
表11 屋顶租赁模式下年发电量敏感性分析
4.小结
（1）结合敏感性分析结果，户用屋顶光伏发电系统所发电量自用比例越大，则内部收益率越大，静态投资回收期越短，项目经济性越好。
（2）考虑到居民屋顶结构、承载力、寿命等很难得到保证，居民积极性不高等因素，屋顶租赁模式推广难度大。根据前面的计算，针对河北省现行的分布式光伏发电补贴政策，企业投资建设的户用屋顶光伏发电系统内部收益率在8%左右，项目经济性也一般。
4.3 用户自建模式案例
1.测算边界条件
根据《国家税务总局关于国家电网公司购买分布式光伏发电项目电力产品发票开具等有关问题的公告》，户用屋顶光伏发电项目月销售额小于2万元时，可以免缴增值税；对于一般家庭3-5kw，每月售电额在几百块，不用缴税。华北地区属于国家电网公司经营范围，户用屋顶光伏发电项目不用缴税。
某居民用户屋顶可装机容量为5KW，装机成本为8元/W。用户自建模式下的主要测算边界条件见下表。
表12 业主自建模式测算边界条件
2.经济性分析
同上面案例，假定项目自用电量占发电量的比例为40%，其余电量上网。计算得出项目总投资回收期为8.95年，项目投资内部收益率为10.63%。
3.敏感性分析
上面案例已对影响户用屋顶光伏经济性的自发自用比例及年发电量进行了敏感性分析。对于用户自建模式的屋顶光伏发电系统，单位静态投资也是影响项目经济性的关键因素。
结合户用屋顶光伏发展现状，在其他条件不变的情况下，将单位静态投资分别取为5元/W、6元/W、7元/W、8元/W及9元/W，计算结果见下表。
表13 用户自建模式下的单位静态投资敏感性分析
4.小结
结合敏感性分析结果，用户自建模式下的户用分布式光伏发电系统受单位静态投资影响较大；随着单位静态投资的降低，系统内部收益率能达到15%以上，经济性好。
5.户用屋顶光伏发电存在的问题
1.补贴政策持续性存疑
结合前面的计算，当前户用屋顶光伏发电的经济性主要依靠各级政府的补贴。地方补贴政策好的地区，光伏发电经济性较好，投资回收期较短，反之未出台地方补贴政策的地区，光伏发电项目经济性一般，投资回收期较长，投资风险较大。
2.产品质量层次不齐
光伏组件的核心部件电池片在出厂时有A、B、C三个等级的划分，导致光伏组件也存在优劣等级之分，价格相差很大。逆变器根据所需原料、制作工艺、安全性、高效性等不同，质量、价格也存在很大差异。有些投资者贪图便宜，选择不规范的厂家和劣质的光伏产品，造成系统运行故障高，服务寿命短。
3.行业缺乏规范
整个行业缺乏成熟的安装施工规范，不同企业的安装质量差别很大，大企业的安装施工质量明显优于中小型公司。安装施工不规范已经开始造成了一些明显问题，比如在平面屋顶上直接打孔安装光伏系统，部分用户不到半年时间，屋顶开始漏雨；比如在斜面屋顶上直接在檩条上打孔，造成木材开裂，固定性差，整套系统有下滑迹象。
6.小结
1.针对河北省现行的分布式光伏发电补贴政策，屋顶租赁模式下的户用屋顶光伏发电系统项目经济性一般；用户自建模式下的户用屋顶光伏发电系统内部收益率能达到8%以上，项目投资回收期为5～11年。
2.户用屋顶光伏项目没有简单的方法规模化的上量。居民购买光伏的特点是随机性和非刚性要求，一个村里有一户安了屋顶光伏，下一户不一定会跟着安装。然而光伏是一个追求规模效应的产业，没有量能做支撑，其实真的赚钱还是有难度。很多光伏企业进入民用市场之后就尝试着通过找到加大投入和快速复制的办法，存在部分企业砸下重金，没有看到规模化的问题。
3.结合调研资料，户用屋顶光伏发电系统存在低质拼装、组件品牌多、组件种类多及鱼龙混杂等现象，后期运维隐患多，理论发电量难以保障。
4.由于户用分布式光伏发电项目规模小、条件复杂、情况各异，所以目前更多是专业化的公司在此领域开展相关的业务、探索可行的商业模式，尚无标准化的商业模式。
5.目前，光伏组件商或系统集成商利用自己的优势较多采用经销商模式、直销模式。
6.考虑到屋顶租赁模式下项目的经济性一般，集团如介入这块业务，建议采取与优质的光伏专业化公司合作，采用渠道+光伏的商业模式。
论文作者:王家甫
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/9/2
标签：光伏论文; 屋顶论文; 系统论文; 发电量论文; 模式论文; 太阳能论文; 用户论文; 《基层建设》2019年第24期论文;