张同贺，刘林忻，刘 津

（山东大学商学院，山东 威海 264209）

作为一种最具可持续发展特征的可再生能源开发技术，光伏发电在缓解我国能源紧张现状与调整能源结构方面具有独特优势[1]。2018年4 月，工业和信息化部、住房和城乡建设部、交通运输部、农业农村部、国家能源局、国务院扶贫办六部门印发了《智能光伏产业发展行动计划（2018—2020年）》，支持光伏产业发展。现阶段，光伏发电已经成为除火电外的第二大能源[2]。然而，由于土地资源、输电成本等条件的限制，光伏产业的发展领域却依然滞留在分布式光伏发电等传统项目，近年来发电增长速度逐渐放缓[3]。光伏路面作为光伏产业的大胆创新与探索，是实现突破光伏发电发展瓶颈，实现交通运输、节能减排、安全行驶、道路养护、耕地保护高效整合与统一的最佳方案。

光伏路面是指将符合车辆通行条件的光伏发电组件铺设在路面上，将路面升级为太阳能收集平台，同时配备无人驾驶导航，移动无线充电以及加热融雪等功能的新型路面[4-5]。2017年12 月，由齐鲁交通发展集团投资建设，山东光实能源有限公司研发并承建的全国首例光伏路面于济南西绕城高速落成，受到了社会各界的广泛关注[6]。作为交通基础设施建设和清洁能源产业相融合的一次崭新的技术探索，首条光伏路面在2017—2019年3年的发展过程中质疑声不断，能否实现预期的经济、社会、环境效益成为讨论的焦点。基于此，本文将济南西绕城高速光伏路面作为研究对象，利用实践调研与已知的路面统计数据，以全寿命周期理论为基础，利用成本增量和效益增量对光伏路面的成本-效益进行分析，利用层次分析法对光伏路面综合效益进行评价，并基于评价结果，给出光伏路面综合效益的改进建议。

1 光伏路面成本增量分析

光伏路面全寿命周期成本主要由投资成本、运营成本、故障及失窃成本和废弃成本构成。

1.1 投资成本

相对于普通路面而言，光伏路面成本增量主要在初始投资上，费用构成见图1。

图1 光伏路面投资增量费用构成

根据以上费用由公式计算得出光伏路面项目的初始投资为

式中：Cdc为光伏电池成本；Ckn为控制器与逆变器成本；Cxd为蓄电池成本；Ctc为透光混凝土成本；Czc为支撑系统成本；Cpd为配电系统成本；Clx为其他费用，其包括运输费用。

1.2 运营成本

运营阶段是光伏路面全寿命周期从建成到报废的整个过程，按照首条光伏路面制定的标准，为10～15年。运营方案会极大地影响项目成本，此阶段产生的费用主要有基本的日常维护、保养费用，包括对光伏元件的维护及保养、路面清洁产生的人工费、材料费等。

根据调研数据以及文献研究来看，目前光伏路面的运营费用相对较低，所以可以取一定的费率进行计算，公式为

式中：Po为运营成本；Pi为投资成本；Ro为光伏路面的运营费率。

1.3 故障及失窃成本

光伏路面作为一项新兴科技，其在面临故障的同时也会出现失窃现象，从而会造成成本损失，具体细分见图2。

图2 光伏路面故障及失窃成本

第t年的故障及失窃成本为

式中：Pf（t）为第t年的故障及失窃成本；Pfi为逆变器故障成本；Pfc为汇流箱故障成本；Pfs为并网设备故障成本；Pfm为通信故障成本；Pfb为电池组件故障成本；Pft为路面失窃成本。将其进行折现，现值为

式中：Pf（0）为故障及失窃成本的现值；r 为利率。

1.4 废弃成本

废弃成本是由固定资产残值与处置废弃设备所产生的费用相抵消后的数值，表示为

式中：Pd为废弃成本；CD 为处置废弃设备的费用；R 为固定资产残值。

折现得到

式中：Pd（0）为废弃成本现值。

综合以上分析，可以计算得到光伏路面的增量总成本，为

2 光伏路面效益增量分析

2.1 直接经济效益

光伏路面目前的主要经济效益取决于年发电量。此外，为了更好地促进光伏产业发展，国家对于光伏发电等新能源开发行业给予财政补贴与税收优惠[7]。

所以，光伏路面的直接经济效益可以表示为

式中：B1为光伏路面的直接经济效益；Pe为并网电价，元/kWh；Lf为年发电量，kW·h/年；t 为光伏路面发电运营期，年；Ib为政府补贴收入；Itax为政府税收优惠。

在此，本文以目前0.55 元/kW·h 计算电价，假设光伏路面年发电量为100万kW·h，则去除路面设施用电与加热融雪用电等，80万kW·h 并入电网，则直接经济效益可达45万元。

同时，80万kW·h 电可减少32万t 煤的消耗，也会减少高速公路偏远地区远距离输电的成本及电量损耗。根据目前国家的脱硫补贴以及其他政策，试验段光伏路面的年直接经济效益可达近100万元。而对应的同等面积的农田或高速公路，其年收益仅1万元左右。

2.2 预期经济效益

2.2.1 预期经济效益分析方法

1） 净现值。净现值是投资项目资金流入的现值与资金流出的现值之差。具体公式为

式中：NPV 为光伏路面的净现值，元；Rt为t 时刻资金净流入，元；i 为基准利率，对于新能源项目可取5%。

2） 内部收益率。内部收益率是投资项目在整个时期内每年的资金净流入现值累积和为0 时的利率。具体公式为

式中：IRR 为光伏路面内部收益率，%；Rt为t 时刻资金净流入，元。

3） 投资回收期。项目净收益累计达到项目静态投资成本的这段时间是投资回收期。具体公式为式中：T 为投资回收期，年；t 为累计净现金流量为正值的年数；Rt为第t年全部投资净现金流量；为前t-1年累积净现金流量的绝对值。

当T 的计算值小于基准回收期Tc时，说明该光伏路面的投资成本可以按期回收。

2.2.2 预期经济效益分析结果

在项目计算期内考虑到资金的时间价值，光伏路面的经济可行性以净现值的判断为标准。

1） 根据调研数据，不考虑补贴及税收优惠时，通过以上净现值和投资回收期计算公式，试验段光伏路面的静态投资回收期为18.9年，而净现值NPV 为-35.67万元，表明在没有补贴、税收优惠条件下，光伏路面经济上不具有可行性。

2） 若根据国家对于2017年12 月31日前投入使用的光伏项目发电补贴0.42 元/kW·h 计算时，且增值税减半按8.5%考虑，试验段项目的静态投资回收期为11.84年，净现值NPV 为1.12万元，光伏路面在经济上具有可行性。

2.3 社会效益

2.3.1 对能源结构的影响

目前我国发电形式仍然以火电为主，燃料主要使用煤炭。由于我国长距离跨区域输送电力的难度较大，因此各区域在电网形式较落后、超高压输送线路较少的现状下通常采用就地发电、就近使用的模式[8]。长距离的电力输送与煤炭运送不仅增加了我国交通运输方面的压力，在途中还造成了能源的巨大损耗。为应对上述问题，我国需要寻求更加多样化的能源供给途径，而经多方比对发现，太阳能在安全独立能源中具有取之不尽用之不竭的特性，因此其成为我国能源供给的最佳选择[9]。光伏路面的普及将满足居民日常用电需求，从而降低火电发电比例。

2.3.2 对产业结构的影响

随着新旧动能转换的逐步推进，我国的能源结构亟须调整，首当其冲的是电力产业结构。目前，成熟化和规模化的光伏发电技术给我国传统电力产业结构转型带来了挑战，并进一步促使电力企业原有的发电、销电、售电模式进行革新[10]。光伏发电较传统火力发电形式更具资源节约、绿色清洁的优点，具有较高的节能减排效益。因此，作为光伏发电的创新形式，光伏路面发电与传统供电方式相比，维护成本更低、安全性能更高，有望成为绿色电网发展的契机，可解决西电东送难题。

2.3.3 对就业岗位的影响

在我国对光伏行业的大力支持下，光伏企业的发展规模不断扩大，带动社会就业率的提高。经统计发现，1 MW 的光伏发电系统安装工作至少需要30 个劳动力。光伏路面的发展将会创造内需市场，增加上百万的就业岗位，涉及光伏的安装、产品研发等高技能职业，对经济增长的促进作用较强。

虽然无法直接计算光伏路面对于能源、产业结构和就业的影响，但是其皆与GDP 增长相关联，因此，每kW·h 电力创造的社会效益可用电力平均价值PGDP（GDP/年发电量） 来估量，计算公式为

式中：B2为光伏路面的社会效益；PGDP为电力的平均价格，元/kW·h；Lf为年发电量，kW·h/年；t 为项目运营期，年。

2.4 环境效益

2.4.1 能源节约效益

由于煤炭发电的能源转换率较高，长期以来燃煤多为火电厂所消耗。据统计，大约每400 g 标准煤能产生1 kW·h 的电量，2018年全国1/5 的煤炭产量用于火电厂发电，累计耗煤量达5 亿t[10]。当不消耗石化等资源的光伏发电逐渐取代传统火力发电时，我国煤、气资源的需求也逐步下降。

2.4.2 减排效益

传统的火力发电将产生CO2，SO2等大量温室气体，对大气环境造成严重损害，而太阳能作为地球上最清洁的能源之一，在发电过程中具有较强的环境友好性。相关研究表明，火力发电将产生较高的污染物排放，具体数据见表1。

表1 火力发电污染物排放量 （kg/t）

对减排效益进行评价时，使用发电污染排放物的处理标准价值进行计算，光伏发电的减排效益即为燃煤电厂的环境成本费用。依据我国现行环保税征收标准（见表2），得出污染物的环境成本。

表2 污染物环保税征收标准值 （元/kg）

据统计，以发电厂为例，每发一度电，就相应消耗0.4 kg 标准煤，同时产生了SO20.03 kg，CO21 kg，NOX0.02 kg 以及碳粉尘0.27 kg。据此对试验段光伏路面做出以下推算：试验段光伏路面每年100万kW·h 的发电量，相当于减少997万t 的CO2的排放量，等效标煤消耗40万t。据调查显示，在试验段铺设完成后，2018年1 月1日—5日，4 天的累计发电量为3543.6 kW·h。如果将发电量转化为社会贡献，则4 天利用的太阳能相当于少燃烧1420 t 煤，减排3500 t CO2，种200 棵树（见图3）。

图3 光伏路面环保效益图示

2.4.3 水资源效益

光伏路面发电相对传统发电具有较好的水资源效益。一方面，燃煤电厂会排放含有大量有机物、盐类和重金属等的锅炉酸洗水，会对河流及海洋造成污染。另一方面，冷却电机组也会消耗大量淡水资源。相比之下，光伏发电脱离了对水的需求，既减少了环境污染，也节约了水资源[11]。

综合以上分析，光伏路面的环境效益可用以下公式进行计算，即

式中：B3为光伏路面的环境效益；∑VpPp为每1 kW·h 火电产生的环境成本，元；Vw为每1 kW·h火电所消耗的水量，吨；Pw为水的价格，元/kg；Vm为每1 kW·h 火电所消耗的标准煤，吨；Pm为标准煤的价格，元/吨；Lf为年发电量，kW·h/年；t为光伏路面发电的运营期，年。

综上所述，光伏路面的总效益增量为

3 光伏路面综合效益评价

3.1 综合效益评价方法——层次分析法

本文利用层次分析法，从经济、社会和环境3 个方面评价光伏路面综合效益。

层次分析法是Saaty 教授提出的一种评价方法，可用于确定相联系的定量因素及定性因素在多层次、多系统数据之间的权重关系[12]。

该方法主要步骤如下。

1） 建立判断矩阵。对探究的问题与已划分的层级，确定各层级中不同变量之间的联系，并在同一层级中将各变量进行两两对比，根据比例尺度表将相对重要性进行量化，建立判断矩阵。

由判断矩阵表3 构建权重判断矩阵A=[Aij]n×n，其中aij＞0，aij=1/aij，且aij=1，该矩阵为正互反矩阵。

表3 判断矩阵表

对本文研究的指标比较得到的判断矩阵表，见表4～表7。

表4 第一层（综合效益）

表5 （第二层）直接经济效益

表6 （第二层）社会效益

表7 （第二层）环境效益

2） 求解判断矩阵及一致性检验

a） 计算判断矩阵每一行的乘积

b） 计算Ti的n 次方根

Wi即为Ai（i=1，2，…，n） 的权重。

d） 计算最大特征根

e） 一致性检验

CI 值可以表示判断矩阵的一致性，CI 值越小，一致性越好。Satty 根据多个随机选取的判断矩阵样本计算得出了一致性指标CI 值的平均值，记作RI值（见表8），用于满意一致性检验[13]。

表8 1～9 阶矩阵的RI 值

一致性比例的计算公式为当CR＜0.1，则满足一致性，否则不满足，需重新构建判断矩阵，直到CR＜0.1。

3.2 综合效益评价结果

表9 显示了由层次分析法计算得到的综合效益各层权重。根据权重结果，通过调研数据可以计算出光伏路面的综合效益数值为7.837，其表示效益所属等级为较好，说明在全面考虑经济、社会和环境三大效益的情况下，光伏路面具有较好的综合效益。同时，由经济效益评价结果可知，只有在同时考虑政府补贴和政府税收优惠的前提下，光伏路面才在经济上具有可行性。

表9 综合效益指标各层权重

4 结论

本文以全寿命周期理论为基础，利用成本增量和效益增量进行光伏路面的成本-效益分析，利用层次分析法对光伏路面发电效益进行评价。主要结论有以下4 个方面。

1） 从全生命周期的角度看，光伏路面的成本主要由投资成本、运营成本、故障及失窃成本和废弃成本构成。一是通过技术改进与原材料创新可以降低投资成本；二是通过降低投资成本与运营费率可以减少运营成本；三是通过强化路面运营监管可以降低故障及失窃成本；四是通过优化逆供应链则可以减少废弃成本。

2） 光伏路面具备良好的社会效益与环境效益。在社会效益方面，光伏路面可以改善能源结构、优化产业结构，同时创造一定的就业岗位。在环境效益方面，光伏路面可以实现能源节约，减少污染物排放和水资源消耗。数据显示，试验段光伏路面4 天的累计发电量相当于1420 t 煤的发电量。

3） 在光伏项目发电补贴0.42 元/kW·h，增值税减半按8.5%的条件下，试验段光伏路面的静态投资回收期为11.84年，净现值NPV 为1.12万元。因此，在考虑补贴与税收优惠的情况下，光伏路面在经济上具有可行性。

4） 从总体上看，利用层次分析法构建光伏路面综合效益评价指标体系，通过计算得出光伏路面的综合效益数值为7.837，说明光伏路面效益所属等级为较好，在全面考虑经济、社会和环境三大效益的情况下，光伏路面具有较好的综合效益。

5 讨论

光伏路面作为光伏产业与高速公路基础产业叠加融合的大胆创新与探索[14]，具有良好的社会环境效益，但经济可行性才是一切产业发展的动力。基于此，通过对光伏路面成本与效益的分析，笔者认为进一步提升光伏路面综合效益的方式有以下5 种。一是政府发挥其主观能动的导向作用，加大光伏路面领域财政投入，创造有利的政策环境，促进形成良好的企业融资平台。同时完善产业上下游链，形成产业配套，降低生产成本。二是企业加大技术创新和研发力度，大力解决现存的技术问题，例如：如何实现受压性能更强的光伏面板、如何增加光伏路面的摩擦系数等。三是推动形成产业集群，消除技术壁垒，把光伏路面全产业链快速发展作为共同目标。四是根据现有的高速公路收费标准，制定光伏路面的收费标准，以解决前期投入大，成本回收慢的问题。五是基于现行的逆供应链技术，制定以逆供应链为核心的光伏路面再生产方案，降低废弃成本。

本文将山东济南首条光伏路面作为研究对象，分析了光伏路面的成本与效益，并根据研究结果提出了一定的发展建议。但仍然存在以下不足，一是试验段光伏路面自开通以来除失窃外，还存在很多技术上的问题，笔者由于专业限制未能集中展开讨论，因此，光伏路面的发展技术是值得相关领域学者进一步研究的方向；二是在前文中也提到，光伏路面除发电外，可以实现自动加热融雪、无人驾驶导航等功能，预示着未来智能交通的发展方向[15-16]，值得进一步阐述和研究。