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大型光伏电站在沙特阿拉伯王国的前景
2023-07-28 23:35:05兰子记

全世界约有20亿生活在农村地区的人用不上电，另有20亿人严重缺电。

由于传统发电方式在气候变化和全球变暖中的作用，全世界的研究人员、科学家和工程师都认为传统发电方式对环境有害。


(资料图)

根据联合国的报告，如果排放量继续以目前的速度增长，全球平均气温将在下个世纪上升5.8摄氏度。因此，许多国家正在使用替代能源，推广零碳或低碳技术。

国际形式

石油价格的脆弱性以及原油的暗淡前景影响了不同国家制定的战略，这些国家更加注重绿色技术以满足其能源需求。

世界各国政府都热衷于采用有利于可再生能源系统的能源定价政策，以便为其提供一个与常规能源系统竞争的平台。例如，美国政府已经实施了一些政策和措施来鼓励使用光伏系统。

其中一项政策是允许客户将其光伏系统产生的电力输出到电网，并在其他时间用产生的多余电力抵消消耗，实际上是按照现行零售电价获得所有光伏发电的信贷。

大韩民国优先发展风能和光伏发电系统，并采取政策鼓励绿色发电系统，包括可再生能源的上网电价补偿，并计划到2030年将可再生能源的比例提高到11%。

印度政府通过广泛参与和安排国际会议以及吸引外国投资者进入可再生能源部门，竭尽全力增加可再生能源在该国的份额。

该国的目标是到2022年将并网太阳能装机容量从20吉瓦增加到100吉瓦。中国是发展最快的经济体之一，在全球可再生能源竞赛中并未落后，并已实施各种政策来确保可持续发展。

共和国的目标是通过可再生能源满足15%的能源需求。欧洲国家已经采用了包括FIT在内的多种设备来推广可再生能源，到目前为止已经证明非常有效。

目前，约25%的世界能源需求由可再生资源满足，预计到2030年将超过煤炭成为最大的能源来源，到2070年有可能增加到总能源份额的60%。

中东国家对化石燃料的高度依赖已经将可再生能源的使用限制在该地区的1%左右。然而，该份额预计到2035年将增加到16%。

沙特阿拉伯是一个能源资源丰富的国家，主要依靠石油产品生产的能源来发电和发展工业。然而，利用非常规能源发电一直是沙特王国研究界的兴趣所在。

对该区域可再生能源的实施情况进行的几项研究被认为是有希望的。由于其位置和地形，沙特阿拉伯的所有地区每年都有充足的太阳辐射，可以作为一种清洁能源有效利用。

光伏(PV)技术直接将太阳辐射转化为电能，是利用太阳能的一种方便有效的方式。与光电技术相关的最新发展已经使以具有经济竞争力的价格开发太阳能的前景更加光明。

沙特阿拉伯

作者认为：与传统的发电方式相比，光伏电站有一些局限性。然而，与传统电力系统相比，能量存储、系统灵活性、光伏系统与电网的集成以及负载转移选项可以使太阳能光伏(PV)克服其局限性。

此外，PV板的表面温度和其上的灰尘沉积对太阳能发电厂的功率输出的影响不能被忽略，并且需要应用适当的降额因子。

已经从成本、容量、节约和环境效益方面对可再生能源生产的前景进行了广泛的研究。

此外，对光伏发电系统和柴油发电系统的几项比较研究显示了有希望的结果，并可以在适当支持和激励可再生能源的情况下实施。

为了满足偏远地区的负荷需求，在整合柴油发电厂和可再生能源方面也做了一些尝试。计算了独立和混合太阳能发电系统的各种组合的发电成本，在该地区从21到16 /kWh不等。

这些研究还报告了安装可再生能源项目在减少温室气体排放方面可以实现的环境效益。

关于太阳能光伏和混合太阳能光伏系统与其他可再生能源的其他几项研究侧重于不同国家和地区的应用、模拟、工程、监测和性能，可在文中找到。

还为光伏系统开发了计算平准化电力成本现值和未来值的数学模型。此外，由于安装成本降低，跟踪系统的使用对于太阳能PV系统来说是经济可行的。

如果在混合光伏-水电系统中选择合适的太阳跟踪技术，可以实现高达18.2%的节能。

近年来，光伏组件、跟踪系统、逆变器和系统平衡(BoS)的价格呈指数级下降。初始投资对生产成本有很大的影响，因此，它是项目成功的决定性因素。

由于上述讨论强调了世界各地光伏发电系统目前和未来的技术经济增长，因此，对于一个国家制定绿色和可持续发展的能源政策而言，对该系统进行最新分析至关重要。

此外，由于全球原油市场的波动，沙特阿拉伯等以石油为基础的经济体受到了很大的影响。沙特王国已经减少了对国内汽油消费的补贴，导致过去几年汽油价格上涨了约四倍。

电费也以同样的比例提高，政府渴望在不久的将来利用这些措施创造收入。迫切需要彻底改革该国的经济结构，减少对石油的依赖。

对于在这方面制定的任何政策，都应该有一个更清晰的项目可行性图。文章综述表明，对大型光伏电站的技术经济分析以及该地区的最新情况尚不可用。

在过去的几年里，可再生能源市场变化迅速，因此有必要进行最新的研究，以跟踪此类项目的趋势和可行性。

在本研究中，选择了两个柴油发电厂作为光伏发电系统技术和经济分析的基本方案。对于倾斜固定和单轴跟踪配置，在有和没有温室气体减排信用的情况下评估发电成本。

考虑到拟建电厂的电力出口率(EERs)相当于基本方案的计算电力成本(COE ),对该系统进行了研究。

初步投资总额的10%补贴被考虑用于评估项目的可行性，两个拟建工厂的财务指标均已列出。

此外，对位于沙特王国不同地区的六个城市的带有单轴跟踪系统的144 MW光伏电站的性能和可行性进行了检查。

不同城市的选择基于不同的气候条件，呈现了全球相似条件下工厂可行性的整体视图。考虑了FIT、补贴和电力出口递增率(EEERs)组合的几种情况，并对变量进行了敏感性分析。

气象数据

气象数据是从RETScreen数据库获得的，该数据库与美国宇航局的卫星和全球6700个地面站相连。

本研究所选城市的地理位置如图所示。图中显示了两个位置水平面上的月平均太阳辐射以及水平面和倾斜面上的年平均太阳辐射。

所选城市的地理位置

碧沙的年太阳辐射最高，为2.56 MWh/m2在水平面上，其次是梅迪纳，为2.11兆瓦时/平方米。

在所选城市中，达兰的年太阳辐射最低，为2.05兆瓦时/米2在水平面上。面板被认为是倾斜到与光伏电站位置的纬度相等的角度。

沙特阿拉伯选定城市水平面上的月平均日太阳辐射量

水平和固定倾斜表面上的平均年太阳辐射

基本案例描述

这两个基础案例电厂是根据王国最高的电力生产成本和年太阳辐射最高的城市选择的。位于塔巴哈尔的柴油发电厂(67 MW)的发电成本确实是沙特王国最高的。

塔巴哈尔位于北纬30.5度，东经38.22度。由于RETScreen数据库中没有塔巴哈尔的环境数据，因此选择焦夫(北纬29.8度–东经39.9度)进行分析。

据报道，位于北纬20度、东经42.6度的比沙是太阳能发电系统的最佳城市。因此，碧莎的144兆瓦柴油发电厂被选为第二个基准案例。下表提供了分析中使用的所选基本案例电厂的详细信息。

基本情况发电厂的详细信息

财务假设

光伏电站的总成本可细分为初始总成本、年成本、周期成本和报废成本。下表给出了两个发电厂的成本明细。

尽管在各种研究中报道了PV发电厂的成本估计，光伏的经济状况在不断变化。近年来，与制造PV电池相关的技术已经取得了重大进展，导致生产成本显著降低。

晶体硅光伏组件的成本在2011年跌破1美元/瓦大关，据报道价格低至0.71美元/瓦。美国能源部进行的一项研究预测，到2017年，组件价格将低于0.5美元/瓦。

光伏电站项目的成本明细

基于当前的市场研究，本研究中考虑的加拿大太阳能公司的多晶硅太阳能光伏板(型号CS6X-300P)的成本假定为0.22美元/瓦。

总初始成本包括开发、光伏板、逆变器、安装系统、安装、系统平衡(BoS)和杂项成本。对于倾斜固定光伏系统，焦夫f的初始投资总额估计为6030万美元，碧莎为1.296亿美元。

对于焦夫和碧莎，单轴跟踪光伏板系统的初始总成本估计分别为6570万美元和1.411亿美元。除了总初始成本之外，还包括工厂的年度运营和维护成本。

逆变器的寿命周期假定为10年，焦夫发电厂和碧莎发电厂的逆变器定期更换费用估计分别为402万美元和864万美元。根据国际能源署的一项研究，25年后电厂的寿命成本预计为初始投资总额的10%。

发电厂财务分析的其他假设参数如下表所示。电力生产成本的年增长率被认为是4%,根据该国当前的经济数据，假设年通货膨胀率为2.5%。

由于新政策的实施和经济转型，沙特阿拉伯的通货膨胀率在过去几年中变化很大。数据显示，2020年通胀率为3.2%，2019年为2.1%，2018年为2.5%。

财务参数

根据之前对该地区的研究，经济研究的名义贴现率假定为5%。研究中的所有财务数据均以美元表示，当地货币(沙特阿拉伯里亚尔)与美元的汇率为3.75。

另一个关键假设是，沙特政府将为整个项目提供资金，不需要贷款。

电力生产

焦夫和碧莎拟建电厂的倾斜固定安装配置的容量系数分别为21.9%和25.5%。容量系数是发电厂实际发电量与额定功率之比。

焦夫发电厂的计算年总发电量为128.7 GWh，比基准情况柴油发电厂的年发电量(146.3 GWh)低12.0%。

碧莎拟建工厂的计算年产量为321.6 GWh，比基准工厂的年产量(353.7 GWh)低9.0%。由于焦夫的年太阳辐射较低，该工厂所需的电池板比表面积比碧莎工厂高16.4%。

虽然可以追踪太阳的太阳能电池板可以显著提高发电厂的生产能力，但安装和追踪系统需要额外的投资。

由于跟踪系统的资本成本较高，大多数先前的研究都考虑了固定安装的面板。然而，最近跟踪系统成本的降低使其应用变得可行。

如果单轴跟踪板用于焦夫光伏电站，发电量可增加至171.8 GWh，相当于比固定情况下高出33.5%。

碧莎拟建工厂的影响更加明显(436.7 GWh)，产量比固定案例高出35.8%。安装跟踪系统后，焦夫和碧莎发电厂的容量系数分别提高到29.3%和34.6%，与基本情况下的柴油发电厂相比，相当于年发电量多出17.4%和23.5%。

拟建光伏电站特征概述

敏感性分析

在沙特阿拉伯的六个地点比较了一个144 MW光伏电站的性能，以确定这种电站的发电和经济可行性。

由于单轴跟踪配置的生产成本远低于倾斜固定配置的生产成本，因此在此比较中使用了基于单轴跟踪配置的发电设备。

下图显示了拟建电厂在沙特阿拉伯六个城市的月平均发电量。所有城市的最大发电量预计在5月至8月之间，除了比沙，其最大发电量在10月。

这是因为碧沙最靠近赤道(20°纬度)，因此，当倾斜到等于相应纬度的角度时，在10月份接收到地表上最大的日平均太阳辐射。

沙特阿拉伯不同城市的月平均发电量

下图与其他城市相比，毕沙月平均太阳辐射在水平面上的分布更加均匀。此外，碧沙的年平均环境温度是所有城市中第二低的，这直接影响了电池板的效率。

比沙的发电能力也最高，年平均发电量为436吉瓦时，其次是麦地那、焦夫、吉达、利雅得和宰赫兰，年产量分别为391、369、352、348和338吉瓦时。

比沙工厂的产能比第二好的工厂高出11.5%，比最低的工厂高出29.0%。总体拥有成本平均每年降低4622如果用基于可再生能源的发电系统取代柴油发电厂，则预测GWh。

沙特阿拉伯不同城市拟建144 MW光伏电站的年发电量

六个城市的COE产量如图所示。计算出的平均发电成本为2.22英镑/千瓦时。由于光伏系统成本的显著下降，平均COE产量比之前研究中的估计值低91%。

30Bisha的生产成本最低，为1.77英镑/千瓦时，而达兰是光伏系统最昂贵的地点(2.51英镑/千瓦时)，COE产量比Bisha高出约41.8%。

沙特阿拉伯不同城市拟建144 MW光伏电站的发电成本

当内部收益率大于贴现率时，项目在经济上变得可行。一般来说，投资者设定的目标内部收益率高于贴现率，任何大于目标内部收益率的值都被认为是有利的。

在第一种情况下，评估政府补贴对项目初始总投资和股本回收期的影响，结果如下图所示。

在本次评估中，假定的EER、EER和GHG减排信用设定为2 /kWh、2%和16 /tCO2，分别为。

内部收益率随总初始成本的假设补贴百分比的变化

由于补贴从5%增加到20 %, 碧莎是安装光伏发电厂最有利的城市，内部收益率从6.1%到8.3%不等。

如果政府对可再生能源项目的初始总成本给予20%的补贴，股本回收期低至11.7年。达兰是最不受欢迎的，该项目只有在政府提供25%或更多的补贴时才具有财政可行性。

股权回收期随总初始成本的假设补贴百分比的变化

FIT是一种政策机制，在这种机制下，政府向向电网供应可再生电力的生产商支付通常高于常规成本的价格，以使可再生技术更具吸引力并鼓励其生产。

在第二种情况下，当FIT从2增加到4 /kWh时，对IRR和股本回收期的影响进行了评估，结果如图所示。

使用与第一种情况相同的EER、EER和GHG减排量值，而政府补贴设定为零。

内部收益率随假定上网电价的变化

对于碧沙来说，任何高于2.0 /kWh的FIT值都是可行的。而对于所有其他城市而言，该项目在经济上可行所需的最低FIT为2.5 /kWh。

当FIT为4 /kWh时，股本回收期可短至7.1年(对Bisha而言)，当FIT为2 /kWh时，股本回收期可长至18.9年(对Dhahran而言)。

股权回收期随假设上网电价的变化

EEER是EER的预计平均年增长率。由于沙特阿拉伯的经济在很大程度上依赖于原油出口，最近的油价波动预计会影响未来的预算。

对国内使用的石油产品的补贴已大幅减少，预计将遵循这一趋势，这已经并将最终增加电力生产成本。因此，在第三种情况下，评估EER增加对项目经济方面的影响。

EER对IRR和股本回收期的影响，EER为2 /kWh，GHG减排收益为16美元/tCO2如图所示。

除了碧莎，所有地方的发电厂在EER为2%的情况下都是不经济的。如果预计的EER为4%或更多，发电厂对任何城市都是有利的。

同样，光伏电站的最佳位置是碧沙，其最大预测IRR和最低股权回收期分别为10.1%和11.4年，EER为6%。

股权回收期随假定电力出口增长率的变化

在最后一种情况下，对三种情况下的拟合效果进行了评估；(a)无补贴，(b)初始投资10%的补贴，以及(c)初始投资20%的补贴。

夏天用展示最佳位置(Bisha)和最差位置(Dhahran)的财务指标。在没有补贴的情况下，FIT从2 /kWh增加100%到4 /kWh，使内部收益率从6.1%增加到14.0%，从9.9%增加到3%。

碧沙电厂不同补贴考虑方案的内部收益率和股本回收期随上网电价的变化

碧莎的价值从7.1%增加到15.5%，达兰的价值从3.9%增加到11.2%，补贴为10%。当补贴从0%增加到20%时，碧莎和达兰的内部收益率分别增加了3.5%和2.8%，即4 /kWh。

在FIT 4/kWh和20%补贴的情况下，股权回收期短至5.9年(Bisha)，长至7.8年(Dhahran)。

达兰电厂不同补贴考虑方案的内部收益率和股本回收期随上网电价的变化

结论

结果表明，近年来光伏系统成本的大幅下降显著降低了电力生产成本，使得太阳能生产在没有任何激励措施的情况下也能与王国的柴油发电厂竞争。

全球的努力和国家的目标，特别是减少化石燃料的份额，要求决策者对最新趋势有更清晰的认识。

本研究中提出的光伏板发电系统的技术和财务指标表明了太阳能项目在沙特阿拉伯干热气候条件下的可行性。

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