基于物元可拓模型的光伏发电综合效益评价研究

邓健，王壮壮，袁在忍，冀传留

（1.吉林财经大学亚泰工商管理学院，吉林长春　130117；2.山东国研电力技术有限公司，山东济南　250000）

基于物元可拓模型的光伏发电综合效益评价研究

邓健1，王壮壮2，袁在忍2，冀传留2

（1.吉林财经大学亚泰工商管理学院，吉林长春130117；2.山东国研电力技术有限公司，山东济南250000）

为避免人为主观因素的影响，运用熵权法对层次分析确定描述指标体系各层级指标相对重要程度的权重进行修正；通过物元可拓模型从经济效益、技术效益、社会效益和环境效益4个方面，全面系统分析新能源光伏发电项目综合效益，并对蒙阴光伏发电项目进行综合效益评价，得出了相应结论，为客观评价光伏发电综合效益提供方法。

指标体系；熵权法；物元可拓模型；综合效益

截止到2014年年底，中国光伏累计装机容量约达32.851 2 GW，占全球光伏累计装机容量的17.40%。中国新增装机容量全球排名第一，新增装机容量约达13.019 GW，占全球新增装机容量的27.7%，继续保持全球最大的光伏市场地位［1］。中国光伏发电项目发展迅猛，但光伏发电项目效益评价方法不甚明确。国内多数是单一对光伏发电项目经济性或低碳性进行评价研究［2-4］，少数对光伏发电综合效益研究，但评估方法多采用层次分析法以及模糊评估法［5-7］，人为主观影响较大；如何客观评估光伏发电综合效益是今后研究重点。

本文总体研究流程如图1所示，其关键点在于评价指标的构建，熵权法修正权重，评价标准的选择以及物元可拓模型的应用。

图1　总体流程图Fig.1　Overall flowchart

1　光伏发电项目综合评价的物元可拓模型

1.1物元可拓分析的基本概念

物元可拓分析法［8-10］是利用物元模型和可拓集合把系统研究中的实际问题转化为形式化的问题模型以及描述问题解决过程的模型，从而有效解决矛盾、为决策提供依据的方法。利用这种方法进行的研究不是单纯考虑数量关系的迭代，而是最大限度满足主系统、主条件，并采取系统物元变换、结构变换等方法处理其他系统，化不相容问题为相容问题，使问题得到合理解决，这个过程通常是依托物元可拓模型来完成。

1.2经典域和节域

物元可拓分析中所描述的事物M及其特征C和量值v组成物元R=（M，C，v），同时把事物的名称、特征和量值称为物元三要素。由事物的特征及其标准量值范围组成为物元矩阵称为经典域物元矩阵，记为Ri：

式中：Ni为所划分的i个评价等级；C1，C2，…，Cn，代表评价指标；v1，v2，…，vn为评价指标对于第i评价等级的取值范围，即经典域。由经典物元、可以转化为经典物元的事物及其特征和此特征相应拓展了的量值范围组成的物元矩阵称为节域物元矩阵，记为Rp：

式中：P为全体评价等级的；Vp1，Vp2，…，Vpn为评价指标对于所有评价等级的取值范围，即节域。

1.3待评物元矩阵

依据待评物元的各个评价指标的相应数据和资料，构建待评物元矩阵，记为R0：

式中：P0为待评物元；V1，V2，…，Vn为评价指标的具体取值。

1.4关联系数计算

关联系数为被评价单元与某评价等级的关联程度的函数，其计算应根据不同评价事物的特征，在下列公式中选取：

1.5确定综合关联度

综合关联度表述所有评价指标符合各评价等级的程度，计算公式如公式：

式中：Ki（P）为待评物元关于第i等级的关联度；wi为各个评价指标的权重。某等级的关联度值越大，则评价对象对某等级的隶属度就越高，若Ki0=max｛ki（p）｝，则待评物元P属于等级i0。

2　光伏发电项目熵权法确定综合权重

目前，在实际评价应用中，常用的定权方法多采用专家评分法、层次分析法等主观赋权法，这往往会使评价结果受人的主观性影响较大。为避免主观因素造成评价结果的偏差，本文引入熵值法［11-13］确定权重系数。在信息系统中的信息熵是信息无序度的度量，信息熵越大，信息的无序度越高，其值越小，系统无序程度越小，故可用信息熵评价所获系统信息的有序度及其效用，由评价指标值构成的判断矩阵来确定指标权重，它能尽量消除各指标权重计算的人为干扰，使评价结果更符合实际。本文采用熵权法对层次分析法权重进行修正，具体计算方法如下：

1）AHP分析法中判断矩阵为P′mn标准化处理后为

2）第n项指标的熵值en

3）计算第n项指标的差异系数

4）第n项指标的信息权重值

5）以第n项指标的信息权重值wn修正AHP法得出的指标权重yn，得出最终综合权重。

3　光伏发电综合效益评价实证研究

3.1实证项目基本概况

3.1.1项目基本简介

山东蒙阴县某镇30 MW光伏发电项目项目建设地点选址在蒙阴县某镇，项目大至范围为北纬35° 53′50.88″-北纬35°53′32.96″，东经118°07′16.53′-东经118°07′26.39″。蒙阴县位于泰沂山脉腹地，是纯山区，地势南北高，中间低，由西向东逐渐倾斜。山地丘陵占总面积的94%，座落着较大山峰520余座，其中海拔1 000 m以上的有12座。蒙山绵延百余里，是山东省第二高山，云蒙峰海拔1 108 m，已被列为国家级森林公园。

3.1.2项目基本情况

1）经济效益

项目计划总投资24 000万元；安装工程费3 857.96万元；工程建设其他费用合计1 367.85万元；建设期利息1 239.84万元；工程预备费859.83万元。资金来源为银行贷款16 800万元，占总投资额的70%，其余资金为企业自筹资金，占总投资额的30%。

营业收入主要为年均3 129.06万kW·h电力的销售收入，本项目建成后，将形成良性的资金链循环，项目完全运营后年均收入为3 904.23万元；计算期内年均实现利润总额2 339.45万元，年均实现净利润1 864.91万元。

经对项目投资现金流量表进行分析计算，所得税后项目投资财务内部收益率为13.88%；项目所得税后投资回收期为6.30年（不含建设期）。

2）技术效益

本项目光伏组件采用固定式支架安装方式，光伏组件为多晶硅。全年总辐射量4 779.61 MJ/m2。从年内变化量来看，有明显的单峰趋势，以夏季最大，冬季最小，总辐射比较大的月份分布在5、6、7、8月，其中7月最大，总辐射比较小的月份分布在12月、2月、1月，其中2月份最小。

3）社会效益

本项目的实施有利促进当地经济的增长，有力地推动地区的发展，并为当地创造利税，促进当地财政增长，促进当地的建设发展做出积极贡献。对促进当地就业，拉动地方经济和财政收入增长有积极的作用。大力发展太阳能发电，将改善能源结构，有利于增加再生能源的比例。

4）环境效益

本项目总装机容量为30 MW，运行期多年平均发电量为3 129万kW·h。若按照火电煤耗（标准煤）326 g/kW·h，项目建设投运每年可节约标煤1.02万t，相应每年可减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化碳（CO2）约3.07万t，一氧化碳（CO）约2.69 t，二氧化氮（NO2）约117.92 t，烟尘237.11 t。有害物质排放量的减少，减轻了大气污染。

3.2实证项目综合评价指标体系构建

新能源光伏发电项目综合效益评价指标体系建立，以实现综合经济效益为目标，同时辅以追求项目技术内容先进、社会环境效益显著，这4个方面的指标能较为全面地涵盖光伏发电项目的整体效益。将经济效益指标、技术效益指标、社会效益指标、环境效益指标作为一级指标，下设9个二级指标，二级指标下包含26个三级指标。具体光伏发电综合效益评价指标体系详见表1。

表1　光伏发电综合效益评价指标体系Tab.1　Evaluation index system of comprehensive benefits of photovoltaic power generation

3.3实证项目综合评价指标权重确定

3.3.1层次分析法初步确权

按照层次分析法的思路和操作步骤，首先确定目标层的相对权重，计算结果如表2所示。

表2　目标层判断矩阵Tab.2　Target layer judgment matrix

对判断矩阵进行归一化处理，即可得规范化判断矩阵：

矩阵特征向量W=（0.569 4，0.254 6，0.06 6，0.11），最大特征根λmax=4.058 6，CR=0.02＜0.1满足一致性校验。

3.3.2熵权法修正权重

由于目标层指标都是越大越好的指标，所以按公式对AHP分析法构造的准则层对目标层的判断矩阵各元素进行标准化处理，结果表示为Pmn，即表4所示矩阵，矩阵中所有元素都处于［0，1］区间。

表3　目标层规范化判断矩阵Tab.3　Target layer normalized judgment matrix

表4　目标层标准化判断矩阵Tab.4　Target layer standardization judgment matrix

计算A1、A2、A3、A4四项指标的熵值e1、e2、e3、e4，运用公式计算结果e1=0.471 2、e2=0.445 8、e3=0.647 7、e4=0.615 5；差异系数g1=0.290 6、g2=0.304 6、g3=0.193 6、g4=0.211 3；信息权重值W与差异系数g—致即w1= 0.290 6、w2=0.304 6、w3=0.193 6、w4=0.211 3；以信息权重值wn修正AHP法得出的指标权重，得到最终的综合权重。

由上述方法可计算得出S2=0.277 9，S3=0.045 8，S4=0.083 3。

3.3.3权重最终计算结果

通过熵权法确定的光伏发电综合效益评价指标体系指标权重结果详见表5。

3.4实证项目综合效益评价

3.4.1确定经典域和节域

在物元可拓模型中，评价指标的实际值都需要和依据评价标准所确定的经典域进行比较得到相应关联系数，所以正确的确定评价标准，是评价的关键。本文在评价标准时一是参照《企业绩效评价标准值》；二是达成共识、得到公认的标准，有些标准虽然没有以规范、规程等形。式规定下来，但却在科学研究中被广泛使用、得到绝大数人认可的也可以作为参考标准；三是其他标准，对一些还没有定论的标准，可根据评价要求，自行设计或采用专家咨询方法来获得。

现将光伏发电综合效益评价标准分为5个等级，即差、较差、一般、良好、优秀。各指标对应不同级别的详细评价标准，评价标准详见表6。

表5　光伏发电综合效益评价指标体系指标权重表Tab.5　Table of weights of the index system for comprehensive benefit evaluation of photovoltaic power generation

3.4.2构造经典域物元矩阵和节域物元矩阵

指标体系中的定量指标，就直接以定量的数值确认经典域和节域；定性指标结合项目区特征分5个等级转换为数值，范围为［0，100］，再确定经典域和节域。据此方法，构造的光伏发电综合效益评价的经典域物元矩阵R1、R2、R3、R4、R5和节域物元矩阵Rp。

3.4.3构建待评物元矩阵

依据光伏发电项目综合效益评价待评物元的各个评价指标的实际值，构建待评物元矩阵，记为R0。

表6　评价标准Tab.6　Evaluation criteria

3.4.4计算关联系数

结合所构建的光伏发电项目综合效益评价经典域、节域以及待评物元矩阵和公式，可获得所有指标相对不同评价等级的关联系数，结果详见表7。

3.4.5计算综合关联度

计算各指标关于不同评价等级的关联系数可以得到各评价指标关于不同评价等级的关联度，并汇总成经济效益、技术效益、社会效益、环境效益以及综合效益对应不同评价等级的综合关联度，详见表8。

3.4.6综合分析

利用物元可拓评价模型，结合构建的光伏发电综合效益评价指标体系对蒙阴光伏发电项目评估结果如下：

1）在所选的26个指标中财务净现值、财务内部收益、投资回收期、总资产报酬率、资产负债率、流动比率、总资产周转率、流动资产周转率、太阳总辐射、日照小时数、并网与消纳条件、设备技术可靠性、太阳能阵列安装形式、促进就业情况、节能减排、植被保护共计16个指标与评价等级“优”的关联程度最高，说明本文评价的光伏发电项目能在这些方面取得的效益较优；系统运维水平、生态改善、地区资源合理利用与评价等级“良好”的关联程度最高，说明光伏发电项目能在这些方面取得的效益良好；地貌地质稳定、带动经济发展、居民生活质量改善、公众意识与支持、能源结构调整与评价等级“一般”的关联程度最高，说明光伏发电项目能在这些方面取得的效益一般；净资产收益率、区域环境质量与评价等级“较差”的关联程度最高，说明光伏发电项目在这些方面取得的效益较差。

表7　各指标关于不同评价等级的关联系数计算结果Tab.7　The correlation coefficient calculation result of each index at different evaluation grades

表8　指标关于各评价等级关联度及综合关联度计算结果Tab.8　The calculation results of the correlation degree and the comprehensive correlation degree of each index

2）子待测物元经济效益、技术效益、社会效益、环境效益中经济效益、技术效益、环境效益与评价等级“优”的关联程度最高，说明光伏发电项目经济可行，技术先进，低碳环保；社会效益与评价等级“一般”的关联程度最高，说明光伏发电项目的实施能一定程度上有利于农村经济发展、缩小贫富等，但效果不够显著。总体综合效益评价为优，说明光伏发电项目综合效益较优，项目可实施性强。

4　结论

本文建立了光伏发电评价指标体系，该体系包含经济效益、技术效益、社会效益、环境效益共4个一级指标；下设9个二级指标，二级指标下包含26个三级指标。运用熵权法对层次分析确定描述指标体系各层级指标相对重要程度的权重进行修正，采用物元可拓模型全面系统分析新能源光伏发电项目综合效益，并进行实证研究，结论如下：

1）经熵权法修正权重得出重要程度排名前五的指标为财务净现值、总资产报酬率、净资产收益率、资产负债率以及太阳总辐射，对于光伏发电项目综合效益来说，经济效益十分重要。

2）根据评价结果单因素评价中除净资产收益率、区域环境质量与评价外，其余效益评价优良，蒙阴光伏发电项目综合效益评价等级为“优”，项目可实施性强。

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（编辑黄晶）

Comprehensive Benefit Evaluation of Photovoltaic Power Generation Based on Matter Element Extension Model

DENG Jian1，WANG Zhuangzhuang2，YUAN Zairen2，JI Chuanliu2
（1.Yatai School of Business Administration，Jilin University of Finance and Economics，Jilin Changchun 130117，Jilin，China；2.Shandong Guoyan Electric Power Technology Co.，Ltd.，Jinan 250000，Shandong，China）

To avoid the influence of subjective factors，this paper uses the entropy method to modify the relative important degrees of weight at all levels of indicators as determined and described in the hierarchy analysis process of the index system；and the comprehensive benefits of the new energy photovoltaic power generation project are analyzed comprehensively and systematically by the matter element extension model from four aspects of economic benefits，technical benefits，social benefits and environmental benefits.The comprehensive benefit evaluation of Mengyin Photovoltaic Power Generation Project is conducted and the corresponding conclusions are drawn to provide the proper method for objective evaluation of comprehensive benefits of the photovoltaic power generation.

index system；entropy weight method；matter element extension model；comprehensive benefit

1674-3814（2015）11-0117-09

TM615

A

2015-03-10。

邓健（1975—），女，教授，研究方向为能源战略、公司治理；

王壮壮（1987—），男，中级工程师，从事电力咨询及电网整体解决方案研究；

袁在忍（1990—），男，助理工程师，从事电网规划、光伏接入系统研究；

冀传留（1986—），男，助理工程师，从事电网规划、分布式电源接入系统研究。

教育部项目：产业转移视角下的中国风电利用问题研究（14YJA790007）资助；国家自然科学基金：电力市场管制与解制程度的测度与优化策略研究（71403098）资助。

Project Supported by Wind Power Utilization in China：A Study from Perspective of Industrial Transfer，Ministry of Education of China（14YJA790007）；A Study on Evaluation and Optimization Strategy of Regulation and Deregulation of Electric Power Market，the National Natural Science Foundation of China（71403098）.