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加强太阳能科技创新,促进实现“双碳”目标

2022.04.25 来自:中国电力报


能源是人类生存、生活和社会文明发展的基础。每一次能源利用技术与能源产业的变革,都促进了人类生存发展方式和社会文明的进化。进入21世纪以来,全球人口、经济持续增长,世界能源需求增长强劲,油气资源竞争激烈,生态环境压力增大,全球气候变化备受关注,绿色低碳、可持续发展成为人类文明持续繁荣的科学理性选择。未来二三十年将是能源生产消费方式和能源结构调整变革的关键时期,人们将致力构建绿色低碳、高效智能、多样共享的可持续能源体系。风能和太阳能等可再生能源将快速增长,形成天然气、石油、煤炭、核能、可再生能源为5大支柱的新格局。

习近平主席2020年9月22日在第七十五届联合国大会上向全世界宣告,中国将树立新发展理念,加快绿色低碳转型,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。推进我国能源和经济的绿色转型,实现碳中和是我国向世界做出的庄严承诺,也是一场广泛而深刻的经济社会变革。

实现“双碳”目标,关键是依靠科技进步。改革开放四十年我国能源技术水平获得迅速提升,我国能源与经济的绿色转型有赖于能源科技更高水平的创新发展。国家能源局和科技部适时推出的《“十四五”能源领域科技创新规划》,将对我国能源领域科技创新和能源产业的高质量发展起到巨大的推动作用。


我国地域广阔,太阳能资源十分丰富,资源分布广泛,总量足以满足我国社会生产生活等需求。经过几十年的发展,目前太阳能光伏发电已趋于成熟,成本快速下降,太阳能热发电与热利用技术与应用也发展迅猛。太阳能技术的发展将助力我国2030年碳达峰、2060年碳中和目标的实现。


一、我国太阳能资源丰富,是未来可以信赖的能源


我国太阳能总辐射资源丰富,达到中国陆地表面的太阳辐射总功率约为1.68×109MW,水平面平均辐照度约为175W/m²,高于全球平均水平。太阳能辐射资源分布广泛,总体呈“西部高原大于中东部丘陵和平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。

按照年均太阳能资源辐照量(MJ/m²·a-1)来划分,我国太阳能资源的强度可以分为四类地区。一类地区(资源丰富带):全年辐射量在6700~8370MJ/m²,相当于230kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等地;二类地区(资源较富带):全年辐射量在5400~6700MJ/m²,相当于180~230kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地;三类地区(资源一般带):全年辐射量在4200~5400MJ/m²,相当于140~180kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区;四类地区:全年辐射量在4200MJ/m²以下。主要包括四川成都平原附近及贵州省的部分地区,是我国太阳能资源最少的地区。总体来看,我国大多数地区属于适宜太阳能利用的地区,其中太阳能丰富区大约占国土面积的三分之二。

地面接收到的太阳辐射分为直接辐射和散射辐射,而水平面总辐射则表示水平面单位面积接收太阳辐射的总辐照量。太阳能光伏发电技术既可利用直接辐射,也可以利用散射辐射,就光伏发电而言,资源好的地方就是总辐射强度高的地方。太阳能热发电主要是利用法向直接辐射,水平面总辐射也要同时考虑。

根据行业标准《NB/T10353-2019太阳能发电工程太阳能资源评估技术规程》,太阳能热发电工程应采用典型气象年数据计算年法向直接辐照量(DNR),并评估太阳能资源的丰富程度。由于光热电站成本较高,目前行业设计选址一般选择年法向直接辐射大于1700kWh/m²·a-1作为太阳能资源选择条件。我国适合太阳能发电的具体区域是青藏高原、西藏东南部、新疆南部、宁夏、甘肃北部及中部、山西北部、内蒙古南部、青海东部等地区。

二、太阳能发电已经成为我国重要的清洁电力能源

目前,可再生能源正逐步从零散、小规模的能源发展成为可部分替代化石燃料、缓解生态环境承载压力、实现大规模利用的重要能源形式。近年来,我国在太阳能发电开发利用方面取得了长足进步,在产业发展、技术创新等方面取得了突出成果,光伏电池及相关产业的发展规模已经跻身全球前列。截至2021年底,我国可再生能源发电装机达到10.63亿千瓦,占总发电装机容量的44.8%,其中光伏发电装机3.06亿千瓦,占全国总发电装机容量的12.9%。2021年全国可再生能源发电量达2.48万亿千瓦时,占全社会用电量的29.6%,其中光伏发电3259亿千瓦时,同比增长25.1%,占全社会用电量的3.9%。

近年来,光伏制造业在海外“双反”以及国内支持政策不断优化调整的情况下取得了快速发展。2021年我国多晶硅产量达到50.5万吨,同比增长27.5%;硅片产量达到227吉瓦,同比增长40.6%;晶硅电池片产量达到198吉瓦,同比增长46.9%;组件产量达到182吉瓦,同比增长46.1%。2021年全国新增光伏并网装机容量54.88吉瓦,同比上升13.9%;累计光伏并网装机容量达到306吉瓦,新增和累计装机容量均为全球第一。2021年中国光伏组件出口量达到98.5吉瓦,同比增长23.1%,为全球应对气候变化做出了重要贡献,为20多个国家实现光伏平价上网提供了支撑。

三、技术进步是推动太阳能发电发展的根本动力

多年来,国家推出的各项科技发展计划对可再生能源技术研发给予了持续支持,国内相关企业也加大了对科技研发的投入。这些投入在不断提高我国太阳能发电相关技术能力、提升国内企业的技术水平方面发挥了重要作用,促进了我国太阳能发电、风力发电等行业的发展。

太阳能光伏发电方面,我国已经形成了硅材料、硅片、电池、组件为核心的晶体硅电池产业化技术体系,掌握了效率20%以上的背钝化电池(PERC)、选择性发射极电池(SE)、全背结电池、金属穿孔卷绕(MWT)电池等高效晶体硅电池制备及工艺技术,规模化生产的p型单晶PERC电池平均转换效率达到23.1%,实验室最高效率超过了24.1%。批量生产常规多晶硅电池效率19.5%,多晶硅电池实验室最高效率超过23%,创造了多晶硅电池效率的世界纪录。通过并购和国际合作使得我国硅基、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)等薄膜电池的研究和技术水平快速提升。逆变器等组部件技术水平逐渐与国际接轨,但其系统集成智能化技术水平仍有待提升。面向光伏发电规模化利用,光伏系统关键技术取得多项重大突破,掌握了100MW级并网光伏电站设计集成技术、MW级光伏与建筑结合系统设计集成技术、10-100MW级水/光/柴/储多能互补微电网设计集成技术并开展了示范。

经过十几年的发展,光伏产业已成为我国少数形成国际竞争优势、实现端到端自主可控、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业,成为推动我国能源变革的重要引擎。目前,我国光伏产业在制造业规模、产业化技术水平、应用市场拓展、产业体系建设等方面均位居全球前列。技术进步使得中国光伏发电技术水平不断提高,产业规模迅速扩大,在国际市场上的竞争力不断增强。持续的科技进步和良好的经营管理助力中国太阳能发电企业在国际竞争中逐步建立起明显的竞争优势。

四、光伏发电成本持续下降,已进入平价上网时代

过去相当长时间内,可再生能源发电技术的电价成本远高于常规发电成本,使得可再生能源发电技术在经济性上完全无法同以燃煤发电为代表的常规能源竞争,而只能作为一种补充能源在局部或偏远地区获得一些应用。

近年来,在技术进步和市场规模化发展的双重推动下,全球太阳能光伏发电的成本快速下降。过去十年,我国太阳能光伏电池组件和发电系统的成本双双下降了约90%,成本只有原来的十分之一。光伏发电的电价在越来越多的国家和地区已经低于火电电价,成为经济上具有竞争力的电力产品。

地面光伏系统的初始全投资主要由组件、逆变器、支架、电缆、一次设备、二次设备等关键设备成本,以及土地费用、电网接入、建安、管理费用等部分构成。光伏发电的电价成本除了设备投资以外,项目所在地的局部资源条件和运行环境都是影响最终电价的重要因素。目前,从世界范围来看,一些资源条件和运行环境好的项目,其单位电价成本已经达到或低于常规能源电价水平,可以实现平价上网。国内在资源条件比较好的地区建设的集中式地面光伏电站,通过提高运行效率,也可以做到电网侧平价上网。

综合考虑光伏电站的设备、运维成本以及资源条件以后,通常可以用平准发电成本来衡量光伏电站整个生命周期的单位发电成本,并可用来与其他电源发电成本对比。2021年,全投资模型下地面光伏电站在1800小时、1500小时、1200小时、1000小时等效利用小时数的平准发电成本分别为0.21、0.25、0.31、0.37元/kWh,而全投资模型下分布式光伏发电系统相应的平准发电成本分别为0.19、0.22、0.28、0.33元/kWh。

五、加强科技创新,促进太阳能发电技术真正成为未来主力能源

近十年来,无论是国际还是国内太阳能光伏发电技术都取得了跨越式发展,但太阳能要真正成为全社会可以依赖的重要能源还有相当长的路要走。太阳能除了具有资源丰富、清洁、环境友好等优点外,也具有能量密度较低、具有一定的间歇性和波动性等不足,不管从科技创新和技术发展,还是能源政策环境等方面都还面临许多艰巨的任务。除光伏发电技术本身以外,多能互补技术、储能技术、智能电网技术的发展均有助于克服其间歇性和波动性的不足,促进太阳能发电技术的发展和大规模应用。

国家能源局和科技部近日发布了《“十四五”能源领域科技创新规划》,聚焦保障能源安全、促进能源转型、引领能源革命、支撑“双碳”目标,提出了到2025年我国能源领域科技创新的目标和重点任务。

太阳能发电技术方面,光伏电池技术及系统设备将沿着高能效、低成本、长寿命、智能化的技术方向发展。着力支持光伏系统及平衡部件技术创新和水平提升;着力支持高效率钙钛矿电池制备与产业化生产技术,研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好的钙钛矿电池,开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化技术研究;着力支持高效低成本太阳能光伏电池技术研究,开展隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)、异质结(HJT)、背电极接触(IBC)等新型晶硅电池低成本、高质量、产业化制造技术研究,开展高效光伏电池与建筑材料结合研究;着力支持光伏组件回收处理与再利用技术研究;着力支持太阳能热发电与综合利用技术研究,探索太阳能热化学转化与其它可再生能源互补技术,研发中温太阳能驱动热化学燃料转化反应技术,开发光热发电与其它新能源多能互补集成系统。

储能技术方面,着力研究大容量和大功率储能技术,提高效率,实现储能技术在规模、寿命和成本上的跨越,在可再生能源大规模接入、传统电力系统调峰提效和区域供能方面,完成具有完全自主知识产权、对国际储能技术与产业发展具有指导意义的系统解决方案和示范工程,形成一套完整的技术攻关、试验示范、以及工程应用的储能技术研发体系。


多能互补及分布式能源技术方面,探索多种可再生能源的互补利用及其与常规能源形式的综合高效利用;开展可再生能源高比例消纳和外送的系列关键技术研究,建立不同气候、用能需求的可再生能源供能系统示范。以可再生能源为主的能源系统的省区级/地市级研究和示范将是未来的发展方向。


智能电网技术方面,大力发展大容量远距离输电和智能微网技术,助力我国大规模集中式可再生能源发电和分布式能源开发利用,开发多种电压等级、交直流多种形式的接入技术和设备,促进可再生能源的友好接入,提高可再生能源的消纳能力,全面保障电网在大量接入可再生能源后的安全稳定运行;大力发展智能配用电技术,提高智能化水平,包括电动汽车充换电技术、智能用电技术等,打造未来我国清洁、高效、智能化能源电力系统。


展望未来,能源科技创新将为我国太阳能技术的发展提供强劲动力,推动能源绿色转型和高质量发展,助力“双碳”目标如期实现。

作者:孔力 系中国科学院电工研究所员工



相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(2022年5月26-27日,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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