中国两种典型农光互补系统的能源-环境-经济综合评估

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农光互补系统将农业生产与光伏发电结合起来,不仅提高土地空间利用效率,还能促进边远地区农业和电力行业的可持续发展。随着我国碳中和目标的提出,农光互补将是未来光伏装机的重要方向,因此对农光互补系统在能源、环境、经济等方面进行综合评估意义重大。而国内外有关农光互补系统的分析多集中于光伏板铺设对作物生长的影响、系统的环境影响或者经济性分析等方面,对整个系统进行能源、环境、经济进行综合评估的较少,且对不同形式的农光互补系统的综合效益比较更为少见,难以对特定地区选择适宜的农光互补系统做参考。本文基于先进的混合生命周期评估方法,确定了农光互补系统的系统边界和功能单元,建立了计算模型及评价指标体系,并以西藏自治区某30 MW草光互补系统和20MW温光互补系统为案例进行研究。通过对系统建设期、运营维护期、种植、收割等阶段的设备、物质、货币、人力数据的收集与分析,建立了化石能源消耗、温室气体排放、水耗和货币相关联的生命周期清单,核算系统的能源和水资源消耗强度、温室气体排放强度和经济性,最后采用基于层次分析法的定性评估与定量分析相结合对两个系统进行了分析比较。主要结论如下:(1)生命周期能耗强度方面,草光互补系统和温光互补系统的单位面积能耗分别是0.3417 TJ/hm~2·yr和0.4664 TJ/hm~2·yr,主要来自于建设期和运营维护期。两个系统可再生性指数分别为0.08 TJ/TJ和0.18 TJ/TJ,均具有较强的可再生性。(2)生命周期温室气体排放强度方面,草光互补系统和温光互补系统的单位面积温室气体排放分别是42.87 t CO2eq/hm~2·yr和60.41 t CO2eq/hm~2·yr,前者的温室气体排放主要来自建设期和运营维护期,后者主要来自建设期和种植阶段。(3)生命周期水耗强度方面,草光互补系统和温光互补系统单位面积水耗强度分别为3633.39 m3/hm~2·yr和9064.08 m3/hm~2·yr。草光互补系统直接水耗和间接水耗占比分别为53.40%和46.60%,温光互补系统直接水耗和间接水耗分别占比25.57%和74.43%。(4)经济性方面,农光互补系统成本主要来自前期投资、经营成本和利息,收益主要来自发电上网和农产品销售。草光互补系统的净现值为2.74×10~8 CNY,投资回收期为1.89年,内部收益率为59.30%;温光互补系统的净现值为1.58×10~8 CNY,投资回收期为3.81年,内部收益率为32.90%。两者的平准化发电成本分别是0.2749 CNY/k W·h和0.4237 CNY/k W·h,均低于西藏脱硫煤标杆上网电价。(5)综合评估的定性结果表明,草光互补系统能源效益和环境效益优于温光互补系统,经济效益略差;定量评估结果表明,草光互补系统在能源、环境、经济三方面的效益均优于温光互补系统,尤其是在水资源消耗和投资回收期、平准化发电成本等三项指标上有明显优势。综合定性和定量评估结果,在西藏发展农业光伏项目,草光互补系统比温光互补系统更有优势。本研究通过定性与定量结合的方法对比评估了草光互补系统和温光互补系统的综合效益,并得出了在西藏地区发展草光互补系统比温光互补更有优势的结论,为光伏农业系统的健康发展提供了有力的数据和理论支撑。
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