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“雙碳”目標下我國太陽能利用技術的發展現狀與展望

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引用本文請復制:

李美成,高中亮,王龍澤,等. “雙碳”目標下我國太陽能利用技術的發展現狀與展望 [J]. 太陽能, 2021(11):13-18.


  中國作為世界第二大經濟體、綠色經濟技術的領導者,在承擔能源綠色低碳發展方面,表現出了大國擔當[1]。2020922日,國家主席習近平鄭重向世界宣布,中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值(即碳達峰),努力爭取2060年前實現碳中和[2](下文簡稱為“‘雙碳’目標”)。在實現“雙碳”目標的愿景下,構建以新能源為主體的新型電力系統,實現能源體系的清潔、低碳,是我國整個能源行業自上而下共同努力的目標[3]。當前,在所有的新能源發電方式中,太陽能發電和風力發電均具有較大的規模,且二者可以相互補充。

  太陽能利用技術主要包括光伏發電、太陽能熱發電、光化學、光感應和光生物轉化等多種

形式。光伏發電的并網裝機容量占全部太陽能發電并網裝機容量的99%以上,光伏發電已成為太陽能發電技術的主力軍[4]。面對當前實現“雙碳”目標的新形勢,我國太陽能利用技術迎來了新的發展時期。當前,太陽能發電產業的制造能力持續增強、產業鏈逐步完善、發展規模位居全球多個第一、技術化水平不斷提升,但仍然面臨一些挑戰。為此,本文梳理了我國光伏產業的發展現狀與太陽能利用技術發展過程中面臨的主要挑戰,針對實現“雙碳”目標的新形勢,展望了太陽能利用技術的發展前景,并從技術研發、人才培養、產業發展、創新平臺4個方面提出了建議。

1光伏產業的發展現狀

  經過多年的發展,我國光伏產業已經實現了全產業鏈的自主可控,是我國目前少有的具有國際競爭力的產業;該產業是實現我國能源變革的重要引擎,有望率先成為戰略性新興產業高質量發展的典范[5]。尤其在“雙碳”目標的引領下,光伏產業在制造能力、產業鏈完善程度、市場規模及技術化水平等方面均取得了舉世矚目的成績。

1.1制造能力持續增強

  在光伏制造業持續向國內轉移的背景下,我國光伏產業鏈各個環節的規模在全球范圍內都已占據了高份額[6]。2007年我國太陽電池的產量躍居全球第一,目前仍保持著該紀錄且產量處于遙遙領先的地位。截至2018年底,我國光伏組件的累計產量占全球光伏組件總產量的2/3以上[6];截至2020年底,我國光伏組件的年產量已連續14年處于全球領先地位。2020年,我國多晶硅、硅片、晶體硅太陽電池、光伏組件的產量分別達到了39.2t、161.3GW、134.8GW124.6GW[7]。此外,我國光伏制造企業的規模和實力也位居全球前列,多晶硅產量連續10年位居全球第一。隨著多晶硅制造企業的技術改進及新建產能的釋放,預計2021年我國多晶硅產量將達到45t[8]。

1.2產業鏈逐步完善

  我國光伏產業已形成了完整的產業配套設施,包括光伏專用設備、平衡部件和配套輔材輔料等,并且產業鏈各環節的規模也實現了全球領先。得益于良好的政策環境與技術積累,我國在硅材料生產、硅片加工、太陽電池制造及光伏組件生產等環節已經具備了成套供應能力。而其他光伏產業發展較快的地區和國家卻無法具備這種優勢,目前尚無法形成完整的產業鏈供應能力[6]。隆基綠能科技股份有限公司、天津中環半導體股份有限公司和晶科能源控股有限公司這3大企業的硅片新增產能已超過全球硅片新增產能的70%,且頭部企業的產能集中化趨勢明顯,使我國光伏產業的全產業鏈完善程度持續加強。在全球光伏產業的各個產業鏈環節(包括多晶硅、硅片、太陽電池、光伏組件、逆變器)10位的排名中,我國企業幾乎占領了整個版圖。

1.3市場規模持續擴大

  自國務院發布《關于促進光伏產業健康發展的若干意見》(國發[2013]24)以來,我國各政府部門都在積極支持光伏產業的發展。2013年,我國光伏發電新增裝機容量實現了全球第一;2020年,我國光伏發電的新增裝機容量達到了48.2GW,已連續8年位居全球第一;截至2020年底,我國光伏發電的累計并網裝機容量達到了253GW,已連續6年位居全球首位。此外,2020年,我國光伏發電量達2605kWh,同比增長16.2%,占我國全年總發電量的3.5%,同比提高了0.4個百分點[9]。

  從2019年開始,我國的光伏發電已逐漸接近或達到平價上網水平?!半p碳”目標的提出,為我國光伏產業的發展注入了更加強勁的動力,未來,光伏發電將成為我國的核心能源利用形式,大規模的集中式光伏電站和分布式光伏電站將共同占據能源利用形式的半壁江山。隨著《國家能源局綜合司關于報送整縣(市、區)屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》等政策的不斷出臺,未來我國光伏發電的市場規模將保持平穩且較快地增長,并呈現出集中式光伏電站與分布式光伏電站“協調并跑”的發展態勢。 

1.4技術化水平不斷提升

  我國太陽電池的產業化技術水平不斷提升,近幾年,量產太陽電池的光電轉換效率以每年約0.5%的速度增長。從2021年來看,在各種商業化太陽電池產品中,PERC太陽電池在未來510年內將占據主要的市場份額,各種新型的n型太陽電池技術將出現增速發展。在薄膜太陽電池技術領域,銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池技術將是我國光伏建筑一體化產業的重要應用方向。鈣鈦礦太陽電池技術正處于商業化發展的前沿,由于其在光電轉換效率、成本、弱光性和室內應用方面均具有顯著優勢,許多研究人員認為鈣鈦礦太陽電池有望取代硅基太陽電池的統治地位。

  在太陽電池技術的研發方面,我國企業及科研院所刷新世界紀錄的頻率在不斷加快。2021531日,晶科能源研究院制備的大面積n型單晶硅太陽電池獲得了光電轉換效率為25.25%的世界紀錄[10]。同年7月,通威太陽能有限公司利用其PERC太陽電池量產設備,通過對該類太陽電池生產工藝的創新,制備了光電轉換效率可達23.47%M6大尺寸全面積PERC太陽電池[11]。

2太陽能利用技術發展中面臨的挑戰

  在充分肯定我國太陽能發電產業及太陽能利用技術取得階段性成果的同時,也應清楚地認識到構建以新能源為主體的新型電力系統,并不是為了單純增加太陽能發電等新能源發電的裝機規模,而是為了使能源電力行業實現全局性、革命性的變革。因此,在實現“雙碳”目標的進程中,我國太陽能利用技術將會在科研、技術、機制等多方面面臨挑戰,主要表現為:基礎研發能力薄弱、專業人才供給不足、光伏發電的高效利用有待進一步提升,以及標準化能力不足,缺少大型公共研發和檢測平臺。 

2.1基礎研發能力薄弱

  我國太陽能發電產業具有一定的“重發展規模、輕自主創新”的傾向,基礎性科研的投入力度不足。在我國太陽能發電產業發展初期,以產業鏈中的中低端裝備制造作為切入點,以規模優勢實現了產業的迅速發展,但主要技術的發展水平與發達國家相比仍存在一定差距。目前,主流的太陽能熱發電技術及其參數均由歐美國家創造和擁有,而且高效太陽電池的結構及技術原理均由國外研究人員研發,這給我國太陽能發電產業的國際化發展帶來了知識產權風險。

  近年來,在薄膜太陽電池、量子點太陽電池等光伏發電技術方面,雖然我國投入了較大的研發力量,但是研發技術儲備不足,極易受到國外技術的限制和打擊,可能會直接影響我國光伏產業的發展[12]。

2.2專業人才供給不足

  太陽能利用技術涉及多個技術領域,涵蓋了物理、化學、材料科學與工程、電子信息工程、電氣工程及自動化等多個學科門類,因此對于研發人員的學習能力、融合創新能力的要求較高。然而,我國當前的大學學科門類劃分仍沿襲蘇聯時的學科門類設置,適用于工業化時代發展的各類學科劃分相對割裂,嚴重滯后于當前產業的快速發展,不利于培養知識結構全面、綜合素質較強的復合型人才,使太陽能利用技術的專業人才供給與需求難以吻合。

2.3光伏發電的高效利用有待進一步提升

  光伏發電具有顯著的間隙性和隨機性,導致光伏發電功率不平穩,而電力系統必須時刻保證電能供需一致。因此,高比例的光伏發電將給電力系統的安全、穩定運行帶來挑戰。預計在2050年,我國新能源發電平均每天將產生超過10kW的波動功率[13],而根據屆時的常規能源總裝機容量,將難以利用常規能源進行功率調控[14]。因此,電力系統實現能量平衡的難度將不斷加大,這也將給光伏發電的有效利用帶來挑戰。

2.4標準化能力不足,缺少大型公共研發和檢測平臺

  我國作為太陽能發電產業的“世界工廠”,在設備生產、制造、監管等方面均需要各類標準、規范,但我國的標準化制定工作與歐美發達國家相比仍然存在較大差距。由于我國大部分的太陽能利用技術的國家標準或行業標準的實施時間較早,且部分太陽能利用技術的標準存在缺失,技術指標滯后,無法滿足當今太陽能發電產業的技術發展需求。與國際通用的IEC標準相比,我國的太陽能利用技術尚未發展出完整的標準體系。 

  另外,在光伏發電技術的檢查認證方面,我國雖涌現了一批檢測認證機構,但仍面臨諸多不足。比如:測試數據在國際公信力方面無法與國外先進機構相比,導致國內認證機構的品牌在國際市場的認可度有待提高,由國內檢測機構出具的太陽電池光電轉換效率數據仍需獲得國際權威機構的認可。

  此外,我國缺乏太陽能利用技術領域的公共研發平臺及大科學裝置。在太陽能利用技術領先的發達國家,均有國家級公共研發平臺,并以其作為科技研發的支撐,如美國國家可再生能源實驗室(NREL)、德國的弗朗霍夫實驗室、日本的新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)等。我國的太陽能利用重點實驗室多隸屬于企業,對于解決國際型科學技術前沿問題的能力不足,“產、學、研、用”的結合力度欠佳,未能發揮核心技術服務于全行業的作用,也不利于盡快攻克“卡脖子”類的關鍵核心技術。因此,我國需要建設具有戰略性、基礎性和前瞻性的針對太陽能利用的大科學裝置,通過采用“產、學、研、用”緊密結合的運營模式,快速實現新技術的產業化。

3太陽能利用技術的前景展望

  為有效攻克太陽能利用技術發展進程中面臨的主要挑戰,更好地服務于我國“雙碳”目標的實現,未來的太陽能利用技術將重點圍繞研發創新、人才培養、產業升級、平臺建設等方面開展。 

3.1加強基礎研究,搶占顛覆性技術創新制高點

  基礎研究是整個科學體系的源頭,也是解決太陽能利用領域所有技術問題的總機關。應加大太陽能利用技術的基礎研發投入,加快構筑支撐高端引領的先發優勢,力爭在關鍵領域、“卡脖子”的關鍵技術方面盡早取得突破。例如,亟需突破輕、薄、柔、高效率的太陽電池制備工藝難題,加快研發新一代太陽能利用技術,以應對下一輪太陽能發電產業的技術革新。

  同時,推進新一代數字化技術與太陽能利用技術的交叉融合,搶占顛覆性產業科技創新制高點,實現新技術領域的“換道超車”。例如,基于區塊鏈的去中心化核心思想與分布式數據結構,并發揮能源物聯網的可拓展性優勢,對傳統分布式光伏發電系統進行數字化改造,構建相互信任、高效流通、開放共享的能源網絡。 

3.2創新人才培養,學科建設與產業創新良性互動

  太陽能利用技術進步與產業發展都離不開人才,硬實力與軟實力,歸根到底要靠人才實力,因此,太陽能利用技術的長遠發展需要全面匯聚人才,著力夯實創新發展的人才基礎。

  1)在學科布局方面,加強頂層設計,設立“新能源與儲能工程”或“可再生能源與儲能”等新能源類一級學科,促進學科交叉融合,加快培育新的學科增長點,以帶動太陽能等新能源開發利用相關學科整體水平的提升和布局優化; 

  2)在人才培養方面,突出價值引領,建立通專融合的人才培養體系,整合“新能源材料與器件”“新能源科學與工程”等相關學科專業,加強通識教育核心課程體系的建設,開展工程教育認證工作;

  3)在融合發展方面,促進“產、學、研”融合發展,建立企業與高校聯合實驗室,打破科技創新與產業應用之間的壁壘;

   4)在科研評價方面,面向國家需求,立足國際前沿,深化學術科研創新機制改革,建立科學合理的科研分類評價體系。

 3.3以用戶為中心,提升綠色電力高效利用能力

  能源電力市場正在從“以產品為中心”逐步轉變為“以用戶為中心”,光伏發電市場也應順應行業趨勢,利用需求側的良性互動,提高綠色電力的消費率與利用率,真正實現能源消費革命。

   1)加快新型光電玻璃、光電幕墻、光電遮陽板等新技術的研發,積極建設光伏建筑一體化項目,使光伏發電項目不單局限于建在地面及屋頂,將建筑物的玻璃與墻體作為發電設施,可極大提高用戶側的綠色電力產銷量;

  2)積極推進國家農業綠色發展先行區的創建,打造現代化農業光伏示范工程,以農業用戶為中心,在拓展光伏發電建設區域的同時,通過科技創新實現光伏與農業的有機結合,促進農業農村地區設施用能的清潔化和低碳化。

3.4提高檢測認證水平,加快建設公共研發平臺

  提高檢測認證水平,使我國檢測機構出具的太陽電池光電轉換效率等數據得到國外權威機構的認可,這是保障我國太陽能利用技術原創性可持續發展的基礎。應發揮我國國家制度和治理體系的優勢,主動加強前瞻性思考、全局性謀劃、戰略性布局、整體性推進,積極建設國家級公共研發平臺,針對太陽能利用的關鍵核心技術及檢測認證平臺,凝聚合力進行科研攻關。 

  1)建設太陽能技術公共研發平臺,投建太陽能利用領域的大科學裝置,瞄準世界科技前沿,加強軟、硬件關鍵技術攻堅;

   2)加快建設國家級實驗室,強化太陽能利用技術的原始創新能力,凝聚新能源領域高端領軍技術人才,實現未來太陽能利用技術的國際引領,乃至發起和領導國際大科學計劃和大科學工程,是實現我國將太陽能打造成未來主導能源的有效行動計劃。 

4結論

  太陽能利用技術是一種低碳、高效和可持續的能源供給方式,將成為我國能源結構轉型升級的必然選擇。本文分析了在“雙碳”目標下我國太陽能利用技術發展過程中面臨的主要挑戰,并對發展提出了具有針對性的建議。在未來的發展進程中,應持續關注核心技術創新,尋求太陽能利用技術的基礎理論突破;創新學科建設,為光伏發電、太陽能熱發電行業夯實人才基礎;轉變發展理念,以用戶為中心,實現綠色電力的高效利用;切實提高太陽能利用技術的檢測認證能力,加快建設國家級公共研發平臺。通過多方面的協同發展,我國太陽能利用技術必將迎來更加廣闊的發展前景,推動我國能源改革的進程,為實現“雙碳”目標提供源動力。

作者 | 李美成 *,高中亮,王龍澤,耿 奇,李英峰,崔 鵬,紀 軍,黃 浩

單位 | 華北電力大學新能源學院

來源 | 《太陽能》雜志2021年第11期 P13—P18


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