加纳公立高中并网太阳能光伏系统单面与双面组件的技术经济可行性分析——以Presbyterian Boys’ Senior High School为例

《International Journal of Low-Carbon Technologies》：Techno-economic feasibility analysis of grid-connected solar photovoltaic system using monofacial and bifacial modules in public senior high school in Ghana. “A case study of Presbyterian Boys’ Senior High School”

　　

本研究呈现加纳公立高级中学并网太阳能光伏（photovoltaic, PV）系统的技术经济分析，以Presbyterian Boys’ Senior High School（阿克拉）190-kW系统为例，比较单面与双面技术。研究使用现场特定负荷和气象数据在PVsyst中进行仿真。结果表明，双面系统优于单面配置，年发电量为324 MWh/year，单面为293 MWh/year。双面系统实现较低的平准化度电成本（levelized cost of electricity, LCOE）$0.22/kWh，单面为$0.28/kWh，且尽管初始投资较高（$138 011），投资回收期更短，为6.9年（单面：7.4年）。环境分析表明，双面系统年二氧化碳（CO₂）减排量为46.01 tCO₂，单面系统为40.03 tCO₂。敏感性分析突显电价、排放税和补贴对项目可行性的影响。总体而言，双面PV系统表现出更优的技术经济和环境性能，为加纳公共教育部门提供更具成本效益的解决方案。

Emmanuel Kengel Dankwa等围绕加纳公立高级中学并网太阳能光伏（photovoltaic, PV）系统的技术经济可行性开展案例研究。全球电力仍以化石燃料为主，加纳电力主要依赖热力和大型水电，可再生能资源开发不足；公立高级中学面临高电价、供电不可靠和环境污染等问题，教育机构电费负担与断电风险突出。加纳太阳能资源为4–6 kWh/m²/day、平均约5 kWh/m²/day，具备应用潜力。既有单面与双面PV比较多集中于屋顶、小规模实验或一般性能，缺乏针对加纳公立高中的情境化技术经济评估，尤其未结合真实负荷、反照率增强和加纳排放税框架。为此，研究人员以Presbyterian Boys’ Senior High School（Presec-Legon）为案例，设计190-kW并网PV系统，比较单面与双面组件，采用30年寿命，评估技术、经济与环境可行性。研究结论表明双面系统发电量、容量因子（capacity factor, CF）、性能比（performance ratio, PR）、净现值（net present value, NPV）、内部收益率（internal rate of return, IRR）、投资回报率（return on investment, ROI）和减排均更优，平准化度电成本（levelized cost of electricity, LCOE）和简单投资回收期（simple payback time, SPP；表中亦称PBT）更低，虽初始投资更高但长期经济性更好；结果为学校管理员和政策制定者提供决策依据，并可复制于西非教育部门电气化规划。

数据来源为Presec-Legon现场电力测量：FLUKE Energy Analyzer Plus 3.11数据记录仪于2024年3月6日至4月6日以15 min间隔记录三相电网和备用发电机供电下的负荷；气象数据采用PVsyst默认Meteonorm数据库。研究人员在PVsyst中设计并仿真190-kW并网单面与双面PV系统，采用Trina Solar单面TSM-DE18M-(II)-485与双面TSM-DEG18MC-20-(II)-485组件、Fronius Tauro Eco 50-3-D逆变器和最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT），地面安装并以白砂提高反照率；按IEC 61724计算阵列发电量、最终发电量、PR、CF和双面增益，并用LCOE、NPV、IRR、ROI、SPP进行经济与敏感性分析，纳入加纳排放税。

3.1.1 Array yield（阵列发电量）：PVsyst仿真显示，单面系统年发电量293 MWh，双面324 MWh；11月最高（29和31 MWh），6月最低（19和21 MWh），双面因前后表面采集辐照而更高。

3.1.2 Final energy yield（最终发电量）：并网最终电量为单面288 MWh/year、双面319 MWh/year；双面因双面采光提高输出。

3.1.3 Performance ratio（性能比，PR）：平均PR单面83.1%、双面92.4%，6—8月较高。

3.1.4 Capacity factor（容量因子，CF）：CF单面18.91%、双面20.58%，双面相对额定容量发电更多。

3.1.5 Bifacial gain（双面增益）：双面319 186 kWh、单面293 336 kWh，绝对增益25 850 kWh，双面增益8.81%。

3.2.1 Simple payback time（简单投资回收期，SPP/PBT）：在0.141 USD/kWh电价下，双面6.9年、单面7.4年；电价上升使回收期缩短，双面始终更短。

3.2.2 Internal rate of return（内部收益率，IRR）：股权IRR双面17.99%、单面16.44%，双面财务吸引力更强。

3.2.3 Net present value（净现值，NPV）：双面NPV $48 062.54、单面$29 387.33，双面因发电量更高而累计收益更大。

3.2.4 Return on investment（投资回报率，ROI）：双面39.5%、单面27.7%，双面投资效率更高。

3.2.5 Project cost（项目成本）：双面初始投资$138 011.45，单面$122 560.44（为双面的88.8%）；双面前期成本更高，但长期回报更优。

3.2.6 Levelized cost of electricity（平准化度电成本，LCOE）：双面0.122 $/kWh、单面0.128 $/kWh，双面因年发电量更高抵消初始投资。

3.2.7 Emissions savings（减排量）：单面年减排40.03 tCO₂、双面46.01 tCO₂；30年分别1200.92和1380.19 tCO₂，并带来学校电费下降、供电可靠性提升、实验室和数字基础设施供电改善、环境意识与本地就业等效益。

讨论部分总结：讨论认为，并网PV在教育部门具有环境和社会经济收益；双面系统LCOE更低、回收期更短、ROI更高；对学校意味着电费下降、供电可靠性提升、实验室和数字基础设施不间断供电；同时提升学生环境意识并支持安装维护就业；敏感性分析显示电价、排放税、补贴影响可行性，电价上涨增强PV经济性；双面系统因效率和发电量更高可带来额外减排。

研究结论翻译：本研究旨在使用PVsyst软件包，对公立高级中学单面与双面组件并网PV系统进行技术经济可行性分析，以Presbyterian Boys Secondary School为案例，运行寿命30年。两个设计情景取得：单面PV最终发电量288.024 MWh/year，原文表述为比双面PV的319.186 MWh/year少31 162 MWh；双面PV的CF和PR（20.58%和92.4%）优于单面PV（18.9%和83.4%）；Presec-Legon日间（8 a.m.–5 p.m.）月能耗23.513 MWh、日均764.65 kWh/day，日间峰值有功功率183.28 kW；单面PBT为7.4年，比双面多5个月，故并网双面PV系统更经济；LCOE双面0.122 $/kWh、单面0.128 $/kWh；补贴和安装材料价格下降使项目更经济可行且ROI更快；单面PV在30年运行期减排1200.918 tCO₂、年40.031 tCO₂，双面PV在30年运行期减排1380.194 tCO₂、年46.006 tCO₂；总体按LCOE、PBT、CF、PR、IRR和NPV，情景2双面PV系统优于情景1单面PV系统，其更高效率和经济性使其成为Presec-Legon最大化ROI和整体盈利的优选。