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中國石油西南油氣田公司天然氣經(jīng)濟研究所，天然氣技術與經(jīng)濟

“2030年碳達峰，2060年碳中和”是我國作出的重大戰(zhàn)略決策，標志著我國能源結構戰(zhàn)略轉型進入關鍵階段。2021年印發(fā)的《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》指出要加快構建清潔低碳安全高效能源體系，大力發(fā)展水電、風電、太陽能、生物質能等非化石能源。太陽能具有清潔、安全、高效、可持續(xù)等顯著優(yōu)點，在我國新能源體系中扮演著非常重要的角色，光伏發(fā)電迎來空前的發(fā)展機遇。

1光伏發(fā)電是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要保障

國際能源署（IEA）發(fā)布的《全球能源回顧：2021年二氧化》報告指出，2020年我國二氧化碳排放量為98.94億t，占全球二氧化碳總排放量的30.93%，全球排名第一。其中、、天然氣等化石能源消耗導致的二氧化碳排放量占比達95%以上。同時，研究顯示在“雙碳”目標下煤炭、石油、天然氣等化石能源低碳經(jīng)濟效率處在較低水平。因此，構建高效清潔、綠色低碳的新型能源供應體系已成為能源轉型發(fā)展的大趨勢，綠色環(huán)保、安全可持續(xù)的光伏發(fā)電將成為未來新能源發(fā)電的主要選擇，是我國推動“雙碳”目標實現(xiàn)的重要保障。

我國已形成完整的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，具備規(guī)?；l(fā)展光伏發(fā)電系統(tǒng)的資源條件、技術優(yōu)勢和應用基礎，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)消耗的能量已經(jīng)穩(wěn)步快速下降，光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收周期大大縮短。光伏發(fā)電系統(tǒng)能量回收周期是指光伏發(fā)電系統(tǒng)在全生命周期內消耗的總能量與光伏發(fā)電系統(tǒng)每年的能量輸出之比，也就是說光伏發(fā)電系統(tǒng)能量回收期取決于光伏發(fā)電系統(tǒng)的制造、安裝及運輸過程中的總能耗和光伏發(fā)電系統(tǒng)壽命期內的發(fā)電量。

根據(jù)《中國光伏產(chǎn)業(yè)清潔生產(chǎn)研究報告》，光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收周期僅為1.3年，以使用壽命30年計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)約29年都是零碳排放。經(jīng)測算，光伏發(fā)電的二氧化碳排放量為33～50g／kWh，而燃煤發(fā)電為796.7g／kWh。光伏發(fā)電的二氧化碳排放量僅為化石能源的十分之一到二十分之一。因此，光伏發(fā)電在減少碳排放方面具有絕對優(yōu)勢。

2我國光伏發(fā)電關鍵技術發(fā)展概況

2.1光伏電池組件技術

2.1.1晶硅光伏電池

目前，我國光伏電池組件技術從材料到設備已構建起成熟完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)技術達到全球領先水平。2022年6月，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會（以下簡稱國家發(fā)改委）、中華人民共和國國家能源局（以下簡稱國家能源局）等9部門發(fā)布《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，指出世界光伏供應鏈中我國生產(chǎn)的多晶硅、硅片、電池片和組件已分別占到76%、96%、83%和76%。

目前，已開發(fā)出PERC晶體硅電池、TOPCon單晶硅電池、HJT單晶硅電池、IBC單晶硅電池等多種晶體硅光伏電池。其中，PERC晶體硅電池是當前技術最成熟、應用最廣、市場占有份額最多的光伏電池。根據(jù)中國光伏行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，產(chǎn)業(yè)化的p型PERC晶體硅電池平均光電效率已達到22.8%。高效率、低能耗、低成本、雙面PERC技術是未來PERC技術發(fā)展的主要方向。

TOPCon單晶硅電池、HJT單晶硅電池、IBC單晶硅電池等n型電池相對PERC晶體硅電池具有更高的光電轉換效率和更低的衰減率，其中TOPCon電池、HJT電池的平均光電轉換效率分別為23.5%、23.8%。相比PERC電池，目前n型電池的技術規(guī)模小、市場占比低、成本相對高，還處于量產(chǎn)驗證階段。預計隨著量產(chǎn)化技術的突破、原材料和設備的國產(chǎn)化、光電轉化效率的進一步提升、生產(chǎn)成本的大幅降低等，n型晶體硅電池將成為未來光伏電池技術的主要方向。

2.1.2薄膜光伏電池

薄膜光伏電池具有生產(chǎn)能耗低、輕量化可柔性等優(yōu)點，在柔性設備和便攜式可穿戴設備上具有廣闊的應用前景。薄膜光伏電池主要有砷化鎵（GaAs）光伏電池、碲化鎘（CdTe）光伏電池、和銅銦鎵硒（CIGS）光伏電池等。雖然GaAs光伏電池具有較高的光電轉換效率，但是由于Ga的稀缺性和As的有毒性，使GaAs光伏電池成本高昂、工藝復雜，尚未實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。CIGS光伏電池性能穩(wěn)定、弱光性能好、不衰減，當前認證的最高光電轉化效率為23.4%，量產(chǎn)的平均效率為16.5%左右。CdTe光伏電池是目前量產(chǎn)規(guī)模最大的薄膜光伏電池，量產(chǎn)組件的平均轉換效率為15.1%，但由于Cd是有毒重金屬元素，Te是稀有元素，未來在提升量產(chǎn)電池組件效率的同時，進一步開發(fā)綠色環(huán)保材料和光伏電池回收利用等技術，從而降低成本，減少環(huán)境污染，擴大商業(yè)化生產(chǎn)和應用規(guī)模。

2.1.3鈣鈦礦光伏電池

鈣鈦礦是一種復合金屬化合物，具有高載流子遷移率、較長的載流子擴散距離和吸收系數(shù)大等優(yōu)異的光電特性，且原料豐富、合成簡單、成本低廉，是目前最具潛力的光伏材料之一。目前，單結鈣鈦礦光伏電池的實驗室最高光電轉換效率已達到25.6%，與商業(yè)化晶硅光伏電池相當。雖然鈣鈦礦光伏電池已展現(xiàn)出十分優(yōu)異的光電轉換效率，但是還面臨大面積電池組件的光電轉換效率較低，穩(wěn)定性較差和電池壽命短等挑戰(zhàn)。

2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)技術

2.2.1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與公用電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)，通常應用于缺電的邊遠地區(qū)以及太陽能路燈、通信信號基站等基礎設施的用電需求。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用電負載的特點，分為無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)、有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)、交流光伏發(fā)電系統(tǒng)。無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件和用電負載組成，沒有蓄電池儲能設備和控制器等部件。有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組件、充放電控制器、儲能蓄電池及直流負載等組成，該系統(tǒng)能應用于太陽能路燈、移動通信基站、漁船、邊遠地區(qū)供電等，應用范圍較廣。交流光伏發(fā)電系統(tǒng)相比直流光伏發(fā)電系統(tǒng)，多了一個交流逆變器，可以把直流電轉換成交流電為交流負載提供電能，可以作為市電互補型發(fā)電系統(tǒng)，能有效節(jié)約能源，減少碳排放。

2.2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指光伏電池組件產(chǎn)生的直流電通過逆變器轉換為交流電并接入公共電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分為集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電的特點是所生產(chǎn)的電能直接輸送到電網(wǎng)，再由電網(wǎng)把電力統(tǒng)一分配到各個用電單位，適于大型光伏發(fā)電站。目前，我國大型集中式光伏電站主要分布在西北和華北的沙地、草原、鹽堿地和工礦廢棄地等區(qū)域。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，截至2021年底，我國集中式光伏發(fā)電為2.0億kW，占光伏發(fā)電總裝機容量的65%。2020年，世界上最大的沙漠集中式光伏發(fā)電基地在內蒙古庫布齊沙漠建成，該項目裝機容量達到69.03MW，年發(fā)電量可達20億kW·h，并網(wǎng)發(fā)電后在節(jié)能減排方面相當于每年節(jié)約標煤66萬t，減少二氧化碳排放165萬t，能有效改善生態(tài)環(huán)境質量。

分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指利用建筑物頂部布置小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的電能輸送到公共電網(wǎng)，統(tǒng)一為用戶供電。分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有就地消納、靈活性強、建設成本低、占地面積小、環(huán)境效益好等顯著特點。2017年以來，隨著光伏組件成本的下降和國家補貼政策的出臺，分布式光伏發(fā)電站迅速發(fā)展。國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年新增裝機容量為29.3GW，同比增長88.65%，累計總裝機容量達到107.5GW，約占光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量三分之一。山東、浙江等9個省份的分布式光伏裝機容量超過3GW，合計占全國分布式光伏裝機總量的81%。

2.2.3混合光伏發(fā)電系統(tǒng)

“雙碳”目標背景下，多種能源融合發(fā)展，協(xié)同互補已成為能源轉型大趨勢，如天然氣與新能源融合、煤電與新能源聯(lián)動等?；旌瞎夥l(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能與其他能源進行混合發(fā)電的系統(tǒng)，典型的有風光互補發(fā)電系統(tǒng)和水光互補發(fā)電系統(tǒng)。夏季光照強風速低，冬季光照弱風速強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)是將光伏電池組件、風力發(fā)電機、儲能電池、逆變器等部件組成的復合型發(fā)電系統(tǒng)，彌補太陽能和風能獨立發(fā)電不確定性和不穩(wěn)定性的問題，具有晝夜互補、季節(jié)互補等特點。2022年7月，我國北方最大風光儲一體化項目在吉林省洮南市實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，年均發(fā)電量約36億kW·h，節(jié)約標煤118萬t，減少二氧化碳排放292萬t，助力構建“綠色低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源體系。

水光互補發(fā)電利用水能、光能的互補性，依托水力發(fā)電強大的調節(jié)能力，平抑光伏發(fā)電的隨機性和波動性，實現(xiàn)平滑、穩(wěn)定的發(fā)電曲線。當光照充足時，以光伏發(fā)電為主，當夜晚或天氣變化時通過調節(jié)系統(tǒng)進行水力發(fā)電。2022年7月，全球最大水光互補發(fā)電站—四川柯拉光伏電站正式開工建設，該項目裝機容量達100萬kW，年均發(fā)電20億kW·h，每年發(fā)出的電量可節(jié)約標準煤60萬t，減少二氧化碳排放160萬t，對實現(xiàn)國家“雙碳”目標具有示范引領作用。

2.3光伏組件回收處理技術

光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展和光伏產(chǎn)品大量使用的同時，我們也面臨大量廢棄光伏組件回收處理的問題。光伏組件中包含的玻璃、硅、銅、鋁、銀、銦、鎵等是可循環(huán)再利用的材料。“雙碳”背景下，廢棄光伏組件必須得到妥善處理和回收再利用。

政策和法律方面，我國尚未出臺光伏組件回收處理的管理政策和法規(guī)。技術標準方面，我國光伏組件回收處理標準體系尚不完善，僅有兩個國家標準，一個行業(yè)標準，分別是《建筑用薄膜太陽能電池組件回收再利用通用技術要求：GB／T38785-2020》《光伏組件回收再利用通用技術要求：GB／T39753—2021》《晶體硅光伏組件回收再利用通用技術要求：T／CPIA0002—2017》。

回收處理技術方面，光伏組件拆解是光伏組件回收處理的關鍵，目前有機械法拆解、熱解法拆解和化學法拆解三種技術。機械法拆解是通過機械法分離玻璃和光伏電池，這種方法雖然操作簡單，工藝環(huán)保，但是回收率低，組分后期處理分離較難。熱解法拆解就是通過加熱分離玻璃和光伏電池，這種方法反應時間較短，回收率較高，但存在能耗高，廢氣難處理等缺點?；瘜W拆解法就是通過化學溶劑的溶解實現(xiàn)玻璃和光伏電池的分離，這種方法能耗低，回收率高，能保持電池片的完整，但存在廢液難處理，污染環(huán)境等問題。拆解出來的電池再通過選擇性浸提、沉淀、萃取等方法回收光伏電池中的貴金屬。此外，拆解出來的完整電池片，可通過修復達到可使用的轉換效率，實現(xiàn)光伏電池的再利用。

3光伏發(fā)電技術的發(fā)展趨勢

3.1高效率低成本光伏電池

由于生態(tài)紅線和耕地紅線的限制，國家能源局要求光伏項目的開發(fā)不允許占用耕地。因此，發(fā)展更高效率、更低成本的光伏電池，進一步提升單位面積發(fā)電能力是未來光伏大規(guī)模發(fā)展的關鍵。一是持續(xù)推進PERC晶硅電池技術的發(fā)展，如開發(fā)雙面PERC電池等，提升轉換效率，降低生產(chǎn)成本。二是加快TOPCon、HJT、IBC等新型晶硅電池低成本高質量產(chǎn)業(yè)化制造技術研究，重點突破關鍵材料、工藝水平、制造裝備等技術瓶頸，提高效率，降低成本，推動新型晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?。三是推動CIGS、CdTe、AsGa等薄膜光伏電池的降本增效、工藝優(yōu)化、量產(chǎn)產(chǎn)能等，大力推進薄膜太陽能電池在光伏建筑一體化建設中的應用。四是開展高效鈣鈦礦太陽能電池制備與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術研究，開發(fā)大面積、高效率、高穩(wěn)定性、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池，開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術研究。

3.2光伏發(fā)電并網(wǎng)關鍵技術

基于模糊邏輯算法、自適應變步長電導增量法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡改進光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術（MPPT），保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以最高功率穩(wěn)定輸出。開發(fā)高效率、高可靠性、高電能質量、電網(wǎng)適應性強、易于安裝維護的大型光伏電站用逆變器。開展工作穩(wěn)定性好、能量轉換效率和功率密度高、工作壽命長、生產(chǎn)成本低的微型逆變器研究。探索智能孤島效應檢測新方法，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定性。

3.3光伏建筑一體化應用

制定光伏建筑一體化建設規(guī)范和標準，推動光伏建筑一體化規(guī)?；瘧?，實現(xiàn)綠色建筑“零排放”，助推“雙碳”目標有效落地。重點開展光伏建筑一體化電池技術研發(fā)，實現(xiàn)轉化效率與建筑美觀的有效融合。研制所樣化光伏組件材料，滿足不同場景和個性化需求的建筑結構，并利用集成技術開發(fā)裝配式光伏建筑。融合數(shù)字信息技術，開發(fā)自動化、信息化、智能化光伏建筑。

3.4光伏組件生產(chǎn)制造設備

構建智能光伏生產(chǎn)制造體系，注重智能信息技術的應用，不斷提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，保障產(chǎn)能供應。一是提高光伏電池組件生產(chǎn)制造的智能化水平，實時監(jiān)控硅片制絨、擴散、刻蝕、鈍化等生產(chǎn)過程，有效縮短單位生產(chǎn)時間，保證電池產(chǎn)能和質量。二是開展硅片薄片化、大片化生產(chǎn)工藝和設備研制。三是重點研制N型光伏電池生產(chǎn)制造工藝和設備，加快N型光伏電池的規(guī)?；a(chǎn)。

3.5光伏組件回收處理與再利用

研究光伏組件回收處理政策和法規(guī)，制定完善的光伏組件回收處理標準體系，明確光伏組件回收處理細則，加強對光伏組件回收處理的指導和要求。改進廢棄光伏組件回收處理技術，提高回收率，同時最大程度降低回收處理過程中的環(huán)境污染和能源消耗，實現(xiàn)無害化處理。

4結語

2022年5月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關于促進新時代新能源高質量發(fā)展的實施方案》，2030年風電、光伏的裝機總容量要達到12億kW。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，光伏、風電的裝機容量分別為3.1億kW、3.3億kW，2030年目標幾乎是當前的一倍。光伏發(fā)電將迎來歷史性的發(fā)展機遇，但也面臨很多挑戰(zhàn)。在國家“雙碳”目標的指引下，“十四五”期間我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展將圍繞產(chǎn)業(yè)鏈關鍵技術“補短板、鍛長板”，全面助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。

原標題：中國光伏發(fā)電技術發(fā)展趨勢