加强太阳能科技创新 促进实现“双碳”目标

——“十四五”能源领域科技创新规划解读之十

孔力

　　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，太阳能资源丰富分布广泛，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“双碳”目标的实现。

　　太阳能发电已经成为我国重要的清洁电力能源

　　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作出了重要贡献，为20多个国家实现光伏平价上网提供了支撑。

　　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100兆瓦级并网光伏电站设计集成技术、兆瓦级光伏与建筑结合系统设计集成技术、10~100兆瓦级水/光/柴/储多能互补微电网设计集成技术并开展了示范。

　　光伏发电成本持续下降进入平价上网时代

　　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10年，我国太阳能光伏电池组件和发电系统的成本双双下降约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/千瓦时，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/千瓦时。

　　加强科技创新促进太阳能发电技术成为主力能源

　　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。

　　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他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，开发光热发电与其他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，打造清洁、高效、智能化能源电力系统。（作者系中国科学院电工研究所研究员）