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光伏产业的变迁和现状     尹也泽 张  栋    2021年03月24日16:26

 

在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背景下,可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视,大力发展可再生能源已成为世界各国的共识。2015年11月30日,国家主席习近平出席气候变化巴黎大会开幕式并发表题为《携手构建合作共赢、公平合理的气候变化治理机制》的重要讲话。他承诺,中国将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现,2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%,非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。

 为实现上述目标,发展可再生能源势在必行。各种可再生能源中,太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势,已成为发展最快的可再生能源。开发利用太阳能对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设均具有重要意义。

  光伏产业是我国具有国际竞争优势的战略性、朝阳性产业。近年来,在政策引导和市场需求双轮驱动下,我国光伏产业快速发展,产业规模迅速扩大,产业链各环节市场占有率多年位居全球首位,已经成为世界上重要的光伏生产大国和光伏应用大国。

  本文将从光伏的诞生、产业链主要环节、技术路线和产品价格、应用等角度,分析光伏领域这些年的提质、降本、增效成果。

光伏的诞生和早期应用

  我们的能源利用分成一次能源和二次能源,自然存在的能源,比如太阳能、煤炭、石油、核能、水力、风力、生物质能都是一次能源,太阳能热水器,烧煤的蒸汽机,风力磨坊或者烧柴做饭基本都是对一次能源的直接利用,但这些利用方式在今天的社会中只占极小的份额。我们直接利用的能源基本都是加工能源,也就是二次能源,例如电力、汽柴煤重各种成品油,煤气、焦炭等等。在所有二次能源中,电力几乎是绝对的核心,大部分的一次能源用来发电,电力也最广泛地应用在生活、生产的各个环节。

  人类发电基本只基于两种原理:电磁效应和光电效应。

  电磁效应,由迈克尔·法拉第在1831年发现,粗疏描述即:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。之后,各种发电机和电动机都是基于此原理。把各种形式一次能源,不论化学能还是核能,转化为热能,烧开水,再把热能转化为机械能驱动转子——磁场在线圈中运动,最终转化为电能。或者由水力、风力、潮汐、或者内燃机、燃气轮机的高温燃气直接驱动转子,产生电能。

  光电效应,则是由赫兹在1887年发现,并在之后由爱因斯坦做出完整解释。在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流,即光生电。光伏效应则是光电效应的一种特例,当受光物质是不均匀半导体时,电磁波使其不同部位之间产生电势差,这一现象最早在1839年,由时年仅19岁法国科学家贝克雷尔在一次实验错误中偶然发现。不同于电磁效应中机械能和电能的相互转化,光伏效应实现的是光能向电能的转化,这可以实现对地球的主要能量来源——太能辐射的直接利用。

  但光伏发电实用化是一个漫长而艰难的过程。

  1883年,美国科学家查尔斯·弗里茨在锗片上镀上一层硒金属电极,建立了第一块光伏电池,虽然转换效率只有1%,而且成本极高,但这仍然为人类打开了一扇新的能源大门。

 19世纪下半期,电磁学奠基人麦克斯韦,提出了“麦克斯韦方程组”,为光电效应的研究提供了基础。1907年,爱因斯坦提供了基于光子的量子假设为光电效应提供了完整的理论解释,并因此获得1921年诺贝尔物理学奖。1912年至1916年,美国实验物理学家米利肯通过实验证实了爱因斯坦对光电效应的猜想,继而因此获得1923年诺贝尔物理学奖。

 在理论之后,是漫长的工程和技术探索。1916年,波兰化学家扬·柴可拉斯基发现了提纯单晶硅的拉晶工艺。1940年,美国半导体专家拉塞尔·奥尔制造出了固态二极管的基本结构p-n结,为光伏发电向工业领域的进发奠定了基础。1954年,美国贝尔实验室的科学家首次制造出实用的单晶硅太阳能电池。转化效率为6%,同年,科学家发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成了第一块薄膜太阳电池。1958年美国的第二颗人造卫星开始使用光伏电池。此时光伏电池高昂的制造成本也几乎只有更加昂贵的航天应用才能接受。

  1976年,澳大利亚政府决定通过光伏电池站运营内陆地区的整个电信网络。光伏电站的建立和运营非常成功,提高了世界范围内对太阳能技术的信心。1980年起,墨西哥湾的小型无人驾驶石油钻井平台开始配备太阳能电池组件,并以经济性和实用性的优势逐渐取代了以前使用的大型电池。1983年起,美国海岸警卫队开始使用光伏为其信号灯和导航灯供电。这时的光伏电池已经开始成为为不便接入电网的独立系统提供电力的重要方式

  1990年代起,屋顶光伏开始兴起,首先是瑞士苏黎世的个别建筑物开始实验性安装屋顶光伏系统。1991年,德国启动1000个屋顶计划,同时“电力上网法”规定公用事业公司必须从小型可再生能源发电厂获取电力。1994年、1997年,日本、美国相继启动百万屋顶计划。2010年,德国光伏系统总的额定功率超过10GW。

光伏产业现状

  1.光伏产业的政策变迁

  光伏产业长时间都是依靠政策支持得以发展的行业,表1总结了部分在光伏行业发展历程中有重要意义的政策文件,从政策变迁中,我们也可以窥见光伏产业的发展过程。

  2.光伏发电成本曲线

  从图1来看,光伏发电度电成本在2017年以后快速下降,目前在全国范围已经低于0.5元/kWh,在部分光照资源非常好的地区已经低于0.35元/kWh。据统计,一、二、三类资源区燃煤发电标杆上网电价平均为每千瓦时0.2656元、0.3588元和0.4043元,这意味着光伏发电上网电价与燃煤发电上网电价越来越接近,对国家财政补贴的依赖程度不断下降,实现全面无补贴平价上网指日可待。

  3.全球光伏发电装机

  根据国际可再生能源署(IRENA)统计,2019年底,全球可再生能源发电装机达2537GW。其中,光伏发电占比约为23%,规模586GW。2019年,全球新增可再生能源发电装机约176GW,其中,光伏发电98GW,同比增长20%。

  从地区分布看,亚洲继续引领全球光伏产业发展,2019年新增光伏装机56GW,占全球的60%。中国、印度、日本、韩国和越南是2019年新增装机最多的国家,美国、澳大利亚、西班牙、乌克兰和德国也有较大增长。

 4.中国光伏发电装机

 根据国家能源局统计,2019年全国新增光伏发电装机3011吉瓦,同比下降31.6%,其中集中式光伏新增装机1791万千瓦,同比减少22.9%;分布式光伏新增装机1220万千瓦,同比增长41.3%。光伏发电累计装机达到204.3吉瓦,同比增长17.3%,其中集中式光伏141.67吉瓦,同比增长14.5%;分布式光伏62.63吉瓦,同比增长24.2%。2019年全国光伏发电量达2243亿千瓦时,同比增长26.3%,光伏利用小时数1169小时,同比增长54小时。

 在光伏装机的结构上,从近5年国内装机数据(见表2)看,分布式光伏正凭借其经济性优势和靠近用电侧的优势,占比稳步提升。

 

 

 

 

未来的光伏发电成本下降

 IRENA在2019年11月发布了《FUTURE OF SOLAR PHOTOVOLTAIC》报告,其中指出,到2050年,太阳能光伏可以满足全球四分之一的电力需求,到2030年,全球太阳能光伏装机将达到2400GW,到2050年可能超过8000GW,大约为2018年水平的18倍。这意味着,到2030年,每年全球新增光伏装机应达到270GW,到2050年每年新增光伏装机超过370GW,是2018年(94GW)的4倍。

  从地区看,亚洲将继续主导太阳能光伏的使用,装机容量将超过50%,其次是北美(20%)和欧洲(10%)。目前,与所有化石燃料发电来源相比,太阳能光伏发电的水平成本(LCOE)已经具有竞争力,并将随着安装成本下降、效率提高而进一步下降。2018年,太阳能光伏的LCOE约为0.085元/kWh,到2030年将降至0.02~0.08美元/kWh,到2050年可降至0.014~0.05美元/kWh。

  对中国而言,已经有超过5GW上网电价与燃煤发电标杆上网电价持平、甚至低于燃煤发电电价的光伏发电项目并入电网,这意味着在部分地区,光伏发电的成本已经与燃煤发电相当,甚至达到更低水平。预计到2030年,光伏将超越水电,成为最低价的能源,其累计装机规模将突破600GW,在全国电力装机中的比重持续上升。

 2020年是中国光伏产业有国家财政补贴的最后一年,也是光伏产业实现全面平价上网的关键之年。可以预见,光伏能源将从2020年开始,从新能源成长为主流能源。■

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