國(guó)家新能源工程技術(shù)研究中心 ■ 李仲明

0 引言

穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的基本條件，也是關(guān)系到社會(huì)安定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。20世紀(jì)70年代的兩次石油危機(jī)使人們認(rèn)識(shí)到化石燃料資源遲早會(huì)枯竭殆盡，80年代人們又進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到使用化石能源對(duì)環(huán)境的污染導(dǎo)致了生態(tài)破壞問題和溫室效應(yīng)，而能源和環(huán)境兩大問題制約著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國(guó)的能源、環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻，以煤為主的落后能源結(jié)構(gòu)加快了化石能源的枯竭。日前，能源消費(fèi)總量的增長(zhǎng)速度大于規(guī)劃速度，仍有較大電力供應(yīng)缺口，所以，加快發(fā)展可再生能源電力以彌補(bǔ)電力缺口是必由之路。

習(xí)近平總書記在2014年6月主持召開的中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議上提出了推進(jìn)能源革命的4 個(gè)方面，即能源消費(fèi)革命、供給革命、技術(shù)革命和體制革命；并于2015年11月在巴黎氣候變化大會(huì)開幕式上代表中國(guó)承諾：將于2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)，2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右。

根據(jù)世界能源組織的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2007年全球?qū)嶋H能耗為14.5 TW (1TW=109kW)，預(yù)計(jì)2050年全球能耗將達(dá)到30 TW，本世紀(jì)末將達(dá)到46 TW；然而，未開發(fā)水能＜1 TW，可利用風(fēng)能＜2 TW，生物質(zhì)能＜3 TW，加起來不足6 TW，無法滿足未來對(duì)可再生能源的需求；而全球總的太陽能資源為12 萬TW，經(jīng)濟(jì)可利用量達(dá)600 TW。

太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，開發(fā)利用太陽能可避免能源枯竭、減少污染、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)可將光能直接轉(zhuǎn)化為電能，系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、維護(hù)少、壽命長(zhǎng)，且所發(fā)電能便于輸送、儲(chǔ)存，因此，光伏發(fā)電是太陽能應(yīng)用中最有前途的利用方式。目前，光伏發(fā)電電價(jià)已可與常規(guī)發(fā)電的用戶端電價(jià)相較量，若能在太陽輻照高的地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用，則可等同或優(yōu)于火力發(fā)電用戶端電價(jià)。

1 國(guó)外、國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電發(fā)展史

1954年第一塊單晶硅太陽電池問世之時(shí)，紐約時(shí)報(bào)將這一突破性成果稱為“最終導(dǎo)致使無限陽光為人類文明服務(wù)的一個(gè)新時(shí)代的開始”，具有劃時(shí)代的意義。

1998年德國(guó)開始實(shí)施“十萬天棚計(jì)劃”，特別是2004年初其提出了關(guān)于光伏的法案，帶動(dòng)了多個(gè)歐洲國(guó)家實(shí)施幾乎相同的政策，日本和美國(guó)也積極執(zhí)行光伏應(yīng)用的激勵(lì)政策。

規(guī)?；墓夥鼞?yīng)用拉動(dòng)了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，包括硅材料、硅片、太陽電池、光伏組件，以及逆變器等各方面的發(fā)展，并且隨著硅材料供應(yīng)的改變和太陽電池生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，光伏組件和系統(tǒng)成本大幅度下降。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)顯示出了人才和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，2007年太陽電池的產(chǎn)量超越歐洲、日本位居世界第一，并連續(xù)11年保持了太陽電池生產(chǎn)世界第一的地位。隨著太陽電池年產(chǎn)量、安裝量的逐年提高，我國(guó)光伏系統(tǒng)的價(jià)格也有了大幅降低，2008年光伏系統(tǒng)的價(jià)格為 60 元 /Wp，2009年降至 40 元 /Wp，2010年為 20 元 /Wp，2012年為 10 元 /Wp，現(xiàn)在規(guī)模電站的價(jià)格已經(jīng)降至4 元/Wp。

硅光伏組件的生產(chǎn)過程包括硅材料→鑄錠(或拉棒)→切片→太陽電池→光伏組件，其中太陽電池的生產(chǎn)過程涉及到化學(xué)品的使用較多，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)使用過的化學(xué)品會(huì)認(rèn)真地回收處理，而產(chǎn)生的廢氣則在排放時(shí)有效地吸收以減少排放，光伏組件生產(chǎn)的工藝過程基本上是機(jī)械過程。光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)過程的確要消耗一定數(shù)量的能量，但與其產(chǎn)生的電力相比實(shí)在不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，否則若光伏發(fā)電系統(tǒng)不能補(bǔ)償其生產(chǎn)過程所消耗的能源，企業(yè)家是絕對(duì)不會(huì)進(jìn)行建設(shè)的。根據(jù)專家估算，光伏發(fā)電只需要1.17年就可以補(bǔ)償整個(gè)生產(chǎn)過程所消耗的能量。

目前，光伏發(fā)電技術(shù)已趨向成熟，成為世界最優(yōu)先發(fā)展的可再生能源技術(shù)之一。光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著，保障了能源的安全，成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，并提供了大量就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)了偏遠(yuǎn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用深刻體現(xiàn)了習(xí)近平總書記提出的能源革命的4 個(gè)方面?？梢钥吹剑S著光伏技術(shù)的不斷改進(jìn)、效率的不斷提高和成本的大幅度降低、光伏發(fā)電正在大步從替代能源向主流能源邁進(jìn)；并且光伏發(fā)電過程幾乎無排放，生產(chǎn)過程也是低耗能和環(huán)保的。

《可再生能源法》實(shí)施以來，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了一系列光伏電價(jià)補(bǔ)貼的政策，這些政策都大幅促進(jìn)了我國(guó)光伏應(yīng)用的發(fā)展。

申請(qǐng)“太陽能光電建筑應(yīng)用”示范項(xiàng)目和“金太陽”示范項(xiàng)目的企業(yè)，需要遞交申報(bào)報(bào)告和可行性研究報(bào)告，通過專家評(píng)審才能獲得項(xiàng)目；項(xiàng)目施工前要制定詳細(xì)的施工方案，結(jié)構(gòu)和電氣方案要通過具有住建部綜合甲級(jí)資質(zhì)的設(shè)計(jì)院的審核批準(zhǔn)，以確保項(xiàng)目的安全性和合理性；項(xiàng)目竣工后要通過審計(jì)和驗(yàn)收。這一系列的嚴(yán)格程序?yàn)槲覈?guó)培養(yǎng)了太陽能光伏應(yīng)用的隊(duì)伍，為光伏應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

“太陽能光電建筑應(yīng)用”示范項(xiàng)目和“金太陽”示范項(xiàng)目這兩個(gè)項(xiàng)目停止實(shí)施后，2013年國(guó)家又發(fā)布了一系列支持光伏的政策，以鼓勵(lì)光伏應(yīng)用的發(fā)展。國(guó)務(wù)院兩次常務(wù)會(huì)議充分肯定了光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要性，并提出應(yīng)積極開拓光伏應(yīng)用市場(chǎng)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步，完善支持政策。

2013年8月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用 促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，對(duì)分布式光伏發(fā)電實(shí)行按照全電量補(bǔ)貼的政策，電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42 元/kWh，除西藏自治區(qū)執(zhí)行1.15 元/kWh 的電價(jià)外，給出了3 個(gè)太陽輻照資源分區(qū)的光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，分別為0.90、0.95 和1 元/kWh。之后，補(bǔ)貼政策隨著光伏系統(tǒng)價(jià)格的逐年降低也進(jìn)行了逐步調(diào)整。

2 光伏發(fā)電利用方式

2.1 地面光伏電站

為大規(guī)模和低成本地發(fā)展太陽能光伏，在光伏電價(jià)相對(duì)較高的時(shí)期，光伏電站必須建在用電負(fù)荷中心附近太陽能輻照資源豐富，并且有大量閑置土地的地區(qū)。

太行山項(xiàng)目將作為利用用電負(fù)荷中心周圍可開發(fā)地區(qū)發(fā)展光伏電站的試點(diǎn)項(xiàng)目，為逐步實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電成為我國(guó)主流能源積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也將是我國(guó)可再生能源開發(fā)利用的重大步驟。

我國(guó)山區(qū)面積約占全國(guó)總面積的2/3。燕山-太行山脈縱橫北京、河北、山西、河南和內(nèi)蒙古等省市，面積約20 萬km2。太行山區(qū)空氣清新，氣溫相對(duì)較低，年日照小時(shí)數(shù)達(dá)1500 h。通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，太行山區(qū)有大片的綠化工程，但也有很多地區(qū)還是裸露的山體，其面積遠(yuǎn)超總面積的10%，特別是山體的南側(cè)，很多都是寸草不生的地方。即使只采用其5%的面積建設(shè)光伏電站，也可使裝機(jī)量達(dá)到500 GW，年均發(fā)電量將達(dá)5280 億kWh，接近全國(guó)年發(fā)電量的10%；年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.742 億t，分別減少二氧化碳排放5.2 億t、二氧化硫排放460 萬t、氮氧化物排放210 萬t 和可吸入顆粒物排放360 萬t。這將為環(huán)北京地區(qū)減少霧霾做出重大貢獻(xiàn)。

政府對(duì)選定的地塊進(jìn)行審定后，會(huì)組織光伏專家和電網(wǎng)專家對(duì)在這些地塊上建設(shè)光伏電站進(jìn)行高、低壓電力運(yùn)行的統(tǒng)一設(shè)計(jì)；并以此為基礎(chǔ)組織光伏項(xiàng)目的招標(biāo)工作，優(yōu)先安排使用高質(zhì)量的元件、先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和合理光伏電價(jià)的項(xiàng)目。由于大幅減少了非光伏的系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)的光伏電價(jià)就不會(huì)超過0.3 元/kWh。

以新疆為例，該地區(qū)面積達(dá)166 萬km2，占我國(guó)國(guó)土面積的1/6；而沙漠、半沙漠、戈壁等不宜利用的面積達(dá)102 萬km2，其中，沙漠面積為77 萬km2，僅塔馬拉馬干沙漠的面積就有33 萬km2。可根據(jù)這些土地的情況擇優(yōu)發(fā)展光伏電站。

作為初步試點(diǎn)，可在西部輻照較好、地面情況穩(wěn)定的地區(qū)圈出2000 km2的荒漠地帶，其中1000 km2用于建設(shè)50 GW 的光伏電站。由地方政府統(tǒng)一組織光伏電站設(shè)計(jì)和電網(wǎng)設(shè)計(jì)，非系統(tǒng)的價(jià)格將會(huì)大幅降低，光伏電價(jià)不會(huì)超過常規(guī)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.3 元/kWh；光伏電站的發(fā)電消納由地方政府統(tǒng)一組織，輸送到中東部缺電或電力緊張的地區(qū)。新建的超高壓傳輸將由光伏電力的過網(wǎng)費(fèi)償還。

利用光伏電站北面另外的1000 km2進(jìn)行造林，栽種矮粗、根系發(fā)達(dá)的樹種，采用滴灌技術(shù)，利用光伏電站運(yùn)維的水源培育森林。在這個(gè)區(qū)域還可安裝風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

多個(gè)這樣的2000 km2面積的設(shè)置將起到修復(fù)生態(tài)的作用，從源頭上制止沙塵暴；同時(shí)也起到改造自然的作用，將沙漠改造為林地和良田。由于從源頭制止了沙塵暴，可以開通張北的風(fēng)道，配合環(huán)境治理，將不必再擔(dān)憂PM2.5。可以想象，光伏修復(fù)生態(tài)和改造自然的作用對(duì)國(guó)家的貢獻(xiàn)將是巨大的。

2.2 水面光伏電站

水面是光伏應(yīng)用的另一個(gè)主戰(zhàn)場(chǎng)。我國(guó)湖泊的總面積超過8 萬km2。除湖泊外，水面還包括水庫、蓄水池、煤礦塌陷區(qū)和灘涂地。水面面積雖不及山地面積，但可利用率高。

水面光伏電站不占用土地資源、無需平整土地、租金便宜，并且可減少水體蒸發(fā)、抑制水草異常生長(zhǎng)、改善水質(zhì)；水面無揚(yáng)塵，可減少光伏組件表面的塵埃；水體溫度低，可增加光伏發(fā)電的效率，光伏電站的安全性也可大幅提高；水面光伏電站可靠性高，能夠承受臺(tái)風(fēng)和地震等的影響。

2.3 與建筑相結(jié)合

將光伏系統(tǒng)安裝在建筑物屋頂是一種好的應(yīng)用方式，但該方式對(duì)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)荷載有著嚴(yán)格的要求，必須要保證建筑物的結(jié)構(gòu)、電氣、防火和防雷等方面的安全，這就限制了屋頂?shù)氖褂?；加之建筑物越建越高，建筑物之間互相遮擋，大幅減少了可利用的屋頂面積，也影響了光伏發(fā)電的效率。

2.4 與農(nóng)牧相結(jié)合

光伏電站的發(fā)展離不開適宜的土地，但由于土地資源有限，將光伏電站與農(nóng)牧業(yè)相結(jié)合成為光伏利用不可或缺的選擇。由于光伏組件可以遮擋一定的陽光，可減少地面的水份蒸發(fā)，有利于草和荊條的生長(zhǎng)；光伏系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)時(shí)需要使用一定量的水，這些水也會(huì)滋潤(rùn)和改良土壤；同時(shí)，還可以利用光伏電站運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的水在北面種植相當(dāng)面積的林地。因此，與農(nóng)牧業(yè)相結(jié)合建設(shè)光伏電站將對(duì)改善環(huán)境、修復(fù)生態(tài)和改造自然起到重大作用，而且塵土的減少也有益于光伏發(fā)電效率的提高。

光伏電站的建設(shè)除需要廣闊的土地之外，太陽輻照度也是需考慮的重要因素。最近在阿布扎比400 MW 光伏電站的投標(biāo)電價(jià)達(dá)到2.8 美分/kWh(約折合人民幣0.2 元/kWh)，沙特阿拉伯電站的10 個(gè)投標(biāo)電價(jià)中，50%以上低于3 美分/kWh，最低報(bào)價(jià)僅為1.78 美分/kWh?？紤]到我國(guó)中西部地區(qū)的輻照度雖然較阿布扎比和沙特阿拉伯稍差，但光伏電價(jià)也應(yīng)該不會(huì)超過0.3 元/kWh，這一價(jià)格是常規(guī)發(fā)電的發(fā)電端上網(wǎng)電價(jià)，即使加上過網(wǎng)費(fèi)，也較常規(guī)發(fā)電家庭用戶端的電價(jià)低。

3 光伏應(yīng)用情況

近年來，我國(guó)不僅在光伏產(chǎn)業(yè)方面領(lǐng)先世界，光伏應(yīng)用也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。光伏應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展可為光伏產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展帶來機(jī)遇。光伏元件的生產(chǎn)企業(yè)，光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維企業(yè)才有足夠的資金對(duì)光伏組件提高效率、降低成本和減少衰減展開研發(fā)，并且可以提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，形成更多的凈利潤(rùn)，從而進(jìn)一步促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展。如此良性循環(huán)下，光伏發(fā)電將會(huì)有井噴式的發(fā)展，能夠盡快與常規(guī)發(fā)電的發(fā)電端電價(jià)展開競(jìng)爭(zhēng)。

但應(yīng)該看到，即使到2018年年底，光伏的累計(jì)安裝量已超過175 GW，但其所發(fā)電量也只為全國(guó)總用電量的3%左右。隨著光伏發(fā)電的價(jià)格不斷降低，實(shí)施可再生能源發(fā)電配額的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，能否盡快在總電力供應(yīng)中實(shí)施5%的可再生能源發(fā)電配額，每年增加1%或更多，這將是能源供給革命和消費(fèi)革命的重點(diǎn)。只有這樣才能打破壟斷，也只有這樣才能進(jìn)一步降低光伏發(fā)電的成本。

為了大規(guī)模發(fā)展光伏應(yīng)用以滿足各方面的電力需求，各地方政府的積極性正在凸顯；為了使可再生能源占總能源的比例超過30%，各省積極成為能源革命的“先行先試省”發(fā)展光伏應(yīng)用。以河北省為例，《河北有可能實(shí)施高比例可再生能源的報(bào)告》中提出，到2022年光伏電站累計(jì)安裝量達(dá)到30 GW，2030年達(dá)到50 GW。省人大代表根據(jù)此報(bào)告形成提案，提交給2017年全國(guó)人民代表大會(huì)。

4 光伏發(fā)電與電網(wǎng)結(jié)合

為了使光伏發(fā)電更好地與電網(wǎng)結(jié)合，要提早部署“能源互聯(lián)網(wǎng)+智能微網(wǎng)”的建設(shè)，首先可以通過分布式“光伏+儲(chǔ)能”的形式，在有峰谷電價(jià)的地區(qū)用于工商業(yè)用電，在夜間使用谷電給蓄電池充電，在早高峰電價(jià)時(shí)給工商業(yè)荷載供電，在白天使用光伏發(fā)電給蓄電池充電，在晚尖峰電價(jià)時(shí)給工商業(yè)荷載供電。雖然智能光伏電網(wǎng)系統(tǒng)的價(jià)格比并網(wǎng)光伏系統(tǒng)貴，但由于其解決了電網(wǎng)峰谷問題，反而可以在較短時(shí)間內(nèi)回收成本，既保證了電網(wǎng)安全，也使光伏發(fā)電的消納比例得到增加。

對(duì)于光伏電力的傳輸，特別需要研發(fā)具有低電阻率且成本低的導(dǎo)線，如果導(dǎo)線的電阻率能夠降低到目前銅導(dǎo)線的1/10，那么傳輸3 萬km 就變得輕而易舉了。希望我國(guó)的研究機(jī)構(gòu)能夠與歐美國(guó)家相關(guān)的研究單位加強(qiáng)合作，這不僅有利于光伏發(fā)電，也有利于常規(guī)發(fā)電。

5 小結(jié)

我們應(yīng)該看到，通過一段時(shí)間的努力，若100 個(gè)2000 km2的荒漠面積被改造成3 億畝的良田和林地，則相當(dāng)于2 個(gè)江蘇省的面積，將初步為形成西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展地帶提供條件，也將改善環(huán)境，甚至為中華民族的偉大復(fù)興做出重大貢獻(xiàn)。

光伏的發(fā)展是在黨和國(guó)家大力支持下發(fā)展起來的，包括支持和補(bǔ)貼政策。隨著光伏發(fā)電進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，政策的支持變得更為重要，特別是規(guī)定光伏發(fā)電占總電力的比例，也就是配額制的落實(shí)；若政府能繼續(xù)提供足夠的安裝用地，減少稅率和提供優(yōu)惠貸款等政策，光伏還會(huì)有更大的發(fā)展；若政府能夠?qū)嵤┕夥l(fā)電改善生態(tài)和改造自然的戰(zhàn)略，特別是國(guó)家和地方政府能夠?qū)⒐夥l(fā)電應(yīng)用與治理沙漠和植樹造林結(jié)合起來，將會(huì)進(jìn)一步降低光伏應(yīng)用的成本，形成一定的利潤(rùn)空間。同時(shí)，由于光伏發(fā)電戰(zhàn)略發(fā)展帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益能夠給光伏企業(yè)一定的分成，光伏發(fā)電成為主流能源的時(shí)代很快就會(huì)到來。

綜上所述，光伏的發(fā)展遠(yuǎn)未到盡頭，更大、更宏偉的發(fā)展尚在前方。