我国分布式光伏发电的现状与展望.doc

王文静1 王斯成2 1 中国科学院电工研究所 北京 100190 2 国家发展和改革委员会能源研究所 北京 100038 摘要 文章论述了分布式光伏发电的战略意义和技术优势,以及中国分布式光伏发电的市场状况、政策措施。中国目前的光伏市场仍是以集中式为主,到2014年分布式光伏电站仅占总累计光伏电站的17.62。考虑到中国适合于集中发电的土地资源区域与用电地区的分布十分不均匀,因此分布式发电更适合于所发电力的消纳。为此中国政府在2014年后出台了一系列鼓励分布式发电的法规政策,各地方政府也出台了一系列的补贴配套政策,可以预测在未来中国将会掀起一个分布式光伏发电系统的建设热潮。文章还对光伏技术对于分布式发电的适用性进行了分析。 关键词 分布式,光伏发电系统,太阳电池 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.002 1 发展分布式光伏发电的战略意义 我国面临三大战略挑战1环境污染和大气环境恶化;2一次能源面临枯竭的远景,人类必须寻求替代能源;3从能源供给安全的角度看,能源结构从以煤炭和石油为主向以可再生能源、核能等清洁能源转移的需求。在这三大战略需求的促进下,国内开始大量利用可再生能源。在诸可再生能源中光伏作为一种重要的方向,近年来在国内得到了大力的发展。 光伏发电系统分为两种类型,一是集中式光伏发电系统,主要是在广阔地面上安装十 几兆瓦以上的大型地面电站;二是分布式光伏发电系统,主要是在各种屋顶上安装的兆瓦级以下的光伏发电系统。 世界其他国家,主要以分布式发电为主,占光伏发电系统总量的 80 以上,我国到目前 我国分布式光伏发电的现状与展望 * *资助项目中科院学部咨询项目“大力发展分布式可再生能源应用和智能微网”修改稿收到日期2016年1月15日 专题分布式可再生能源和智能微网 The Distributed Renewable Energy and Smart Micro Grid System 专题分布式可再生能源和智能微网 为止,以集中式光伏发电系统为主,其主要原因是我国政策推动方面以国家主导为主,这种自上而下的政策和运行方式,更容易迅速推动集中式光伏系统的建设。 集中式光伏发电系统也存在一些问题。我国的荒漠地区主要在西部,而且也正是这些荒漠地区的太阳能资源很好,非常便于发展集中式光伏电站,但是这些地区的用电负荷低,电力就地消纳能力差,需要将光伏系统发出的电力经长距离输送出去。而我国的电力输送能力有限,加之光伏发电具有波动性,使得大规模电力输送更加困难。因此,在西部出现了弃光现象。而在东部经济发达地区,电力负荷非常高,但是没有大面积无用的土地供给安装集中式光伏电站使用。为解决这种大规模集中发电与大规模负载应用的不平衡现象,在东部地区大力发展分布式光伏系统具有非常大的意义。 2 光伏产业发展状况 经过 2012 年光伏产业发展的低谷,2013、2014 年全球光伏产业迎来了新一轮增长,中国光伏产品制造世界第一大国的位置依然稳固,全产业链的产量均居世界之首表1。 表1 全球和中国光伏组件2014年产量排名MW[1]全球排名产能产量中国排名产能产量 常州天合 3 600 3 600常州天合 3 600 3 600 保定英利 4 200 3 400保定英利 4 200 3 400 苏州阿特斯 3 000 3 000苏州阿特斯 3 000 3 000 晶澳 3 000 2 500晶澳 3 000 2 500 晶科 3 200 2 300晶科 3 200 2 300 First Solar 2 300 1 846韩华 2 200 1 700 韩华 2 200 1 700海润光伏 1 200900 Sharp Solar 1 550 1 400常州亿晶 1 000847 Sun Power 1 300 1 233正泰900830 Kyocera 1 400 1 200昱晖 1 200820 REC 1 000954无锡尚德 1 500800 海润光伏 1 200900中节能650610 Solarworld 1 230900比亚迪 1 000600 Solar Frontier980900东方日升850590 昱晖 1 200820神州新能源600570 常州亿晶 1 000847金坛正信 1 000560 Others54 64024 500Others33 50011 973 总计 87 00052 000 62 60035 600 2014 年全球多晶硅产量 32.0 万吨,中国为13.6 万吨, 占 43;全球晶体硅片产量 50.0 吉瓦,中国为38.0 吉瓦, 占 76;全球光伏电池产量 50.3 吉瓦,中国为33.0 吉瓦, 占 65.6;全球光伏组件产量 52.0 吉瓦,中国为 35.6 吉 瓦,占 71。2014年我国前 16 家光伏组件生产企业的产量 达到 23.6 吉瓦, 约占全国总产量的 66.4,集中度比前几年 相对提高,但仍然需要进一步整合,消除产能过剩对光伏 制造业的损害。 3 全球光伏发电市场状况 3.1 全球光伏市场发展状况 根据22个国际能源署光伏电力系统项目I E A PVPS参加国的统计数据,2014年新增光伏装机容量 38.70 吉瓦图1,累计装机容量177.0 吉瓦。并网系统 占到累计装机容量的95以上,占据能源市场增长的主 导地位。中国2014年装机10.64 吉瓦,位居世界第一, 德国光伏市场大幅度下降,2014年仅有1.9 吉瓦,但累 计装机38.2 吉瓦,仍居世界第一,中国累计装机28.38 吉 瓦,居世界第二。 图1 2014年世界各国光伏年装机占比[2] 国家中国日本美国英国德国法国 澳大 利亚 韩国南非印度其他合计 2013 GW 9.50 6.90 4.50 1.70 3.300.60 1.200.440.300.449.4738.35 2014 GW 10.649.70 6.20 2.27 1.900.930.920.910.800.62 3.8238.70 2014 占比 27.4925.0616.02 5.87 4.91 2.40 2.37 2.35 2.07 1.599.87100.00 中国 日本 美国 英国 德国 法国 澳大利亚 韩国 南非 印度 其他 27.49 25.06 16.02 5.87 4.91 2.40 2.37 2.35 2.07 1.59 9.87 1662016年 . 第31卷 . 第2期 我国分布式光伏发电的现状与展望 3.2 全球分布式光伏发电的应用状况 由于分布式光伏分散安装、就地消纳,在装机渗透率低于30的情况下不需要对电网进行改造,因此各国都优先发展分布式光伏系统,如德国和日本的10万屋顶计划,美国的百万屋顶计划等,分布式光伏系统是全球光伏市场的主流,20092013年分布式光伏系统的市场占比平均达到80以上,到2013年底全球分布式光伏发电的占比仍然达到60以上。随着光伏发电在电力市场比例的增高,大型地面光伏电站的比例也逐年增加,预计到2018年,分布式光伏市场的比例将会降至50左右。 4 我国分布式光伏发电应用状况 中国2008年底开始实行大型光伏电站的特许权招标, 2011年出台光伏电站上网优惠电价政策,中国西部阳光资源充足,又有大面积的荒漠,在中国西部建造大型地面光伏电站效益明显,因此大型光伏电站的市场份额迅速增加,占据了目前光伏市场的主体。中国分布式光伏发电系统的规模化应用起于2009年的“金太阳示范工程”和“光电建筑应用”,这两个项目连续实施了5年,截至2014年底,中国分布式光伏发电系统包括离网光伏的累计装机达到5.0 吉瓦,但仅占光伏发电系统累计装机的17.62,大型地面光伏电站的占比高达82.38图2。 5 我国分布式光伏发电发展前景与路线图 2013年国家能源局调整了光伏发展战略,着力发展分布式光伏,提出到2015年底累计光伏装机量达到35吉瓦。而根据2013年的装机量及目前的发展趋势, 2015年累计装机量至少可以达到40吉瓦,2020年的目标是100吉瓦。其中,分布式光伏装机量在2015年预计占比将达48.75,到2020年预计超过大型地面电站,占比达到56。2015、2020年年度光伏装机量目标如 表2所示。 表2 2015、2020年年度光伏累计装机量目标 分类 2015年2020年 累计装机量GW占比累计装机量GW占比 分布式 光伏 农村电 气化 1.00 2.50 10.0010.00 通信英利公司的“熊猫”电池使用前后表面钝化技术制备 n 型太阳电池;常州天合的 Honey 电池技术结合前表面新型植绒技术和背表面钝化技术多次打破 多晶硅电池的世界纪录;晶澳的“博秀”电池使用背钝化技术制备出超过 20 的单晶硅电池PERC ;南京中电的PERC 电池;阿特斯的 ELPS 电池等效率均已达到 20 以上,形成的高效电池生产能力均已达到 30 兆 瓦以上。晶澳、昱辉、赛维 LDK 等企业采用高效多晶 技术生产多晶硅电池效率已达到 19 以上,量产效率超过 18.0。目前,中国高效晶硅电池产量已占据全部电池产量的 15左右,预计到 2015 年,高效晶硅电池产量占比将达到30 甚至更高。根据一些国内外设备商的统计,2016 年中国太阳电池厂已经订购了大约 6 吉瓦左右的背钝化晶体硅电池PERC 的产业化设备,因此 未来 23 年中国传统的晶体硅电池将出现一轮技术升级改造的大潮,将全面提升单晶硅太阳电池的产业化效率,PERC 电池的产业化效率将达到 2020.5。多晶硅电池在导入背钝化技术时还遇到了一些障碍,全球 的技术研发单位与产业公司也正在着手解决这些问题。除了 PERC 电池外,未来更高效的单晶硅太阳电池的技术主要是两种技术路线1非晶硅/晶体硅异质结太阳电池HJT ,日本的松下公司已经具备了 1 吉瓦的 图5 典型地区的工业/商业/ 居民每千瓦时的自发自用价格情况 2.5000 2.0000 1.5000 1.0000 0.5000 0.0000 自用电度电电价元/千瓦时苏 州 市 嘉 兴 市 衢 州 市 宁 波 市 湖 州市 安 吉 县 上 海 市 合 肥 市 南 昌 市 商 洛 市 佛山市 绍 兴 市 江 山 市 富 阳 市 杭 州 市 萧 山 区 杭 州 市 温 州 市 温 州 市 永 嘉 县 工业自发自用 商业自发自用 居民自发自用 图6 典型地区的每千瓦时的余电上网价格情况 1.6000 苏州 市 嘉兴 市 衢州 市 宁波 市 湖州 市 安吉 县 上 海市 合 肥市 南 昌市 商 洛市 佛山市 绍兴 市 江山 市 富阳 市 杭州 市 萧山 区 杭州 市 温州 市 温州 市 永嘉 县 富余上网电量度电电价元/千瓦时 专题分布式可再生能源和智能微网 该种太阳电池生产线，产业化平均效率在 22 ，日本、 欧洲和美国也有多家晶体硅太阳电池公司开展了产业化 研究，日本长洲产业公司具有 40 兆瓦的 HJT 电池生产 线。中国的杭州赛昂公司、嘉兴尚彭公司也都进行了产 业化技术开发，电池效率在 21 22 之间。中科院电 工所和上海微系统所分别对这种电池进行了中试研究； （ 2 ）插指状背接触电池（ IBC ），该种电池主要是美 国的 Sunpower 公司实现了产业化，产能达到 1 吉瓦，但 是该种电池的工艺复杂，成本较高，一般以聚光跟踪系 统为主，国内常州天合开展了该种电池的研究，并且也 达到了 24 以上的效率，但是离产业化开发的距离还较 远。神州太阳能公司开发的 n 型硅双面太阳电池采用了 离子注入技术与硼扩散技术的结合，制备出了产线平均 效率在 20.5 的 n 型单晶硅双面电池，实际使用中可以 增加最多 30 的发电量。 （2）在硅片切割技术方面，已经使用金刚线切割 单晶硅片，以取代传统的砂浆切割技术，降低了切割 损耗，从而降低了硅片成本。 由于金刚线切割的硅片 表面缺陷少，使用常规的腐蚀液很难对其进行织构化 处理，业界已经开发出针对金刚线切割的单晶硅片进 行织构化腐蚀的特种添加剂，解决了这一难题；但是 对于金刚线切割的多晶硅片，目前还没有开发出相应 的表面织构化腐蚀的添加剂，还不能有效地进行化学 处理，因此对于多晶硅电池还没有导入金刚线切割技 术。但是近来国内多家太阳电池公司已经开始使用等 离子刻蚀干法制绒对金刚线切割的多晶硅片表面进行 植绒，得到很好的效果。因此，在未来 1 2 年内，多 晶硅电池也可使用金刚线切割的硅片，从而进一步提 高其效率，降低其成本。 （3）晶体硅电池组件封装方面也进行了大量的技术 创新和开发工作。 其最主要方面是提高组件的可靠性， 其次是减小电池组件的封装损失。在提高组件可靠性方 面，主要是消除电压导致的衰退现象（ PID ），消除电 池组件出现所谓蜗牛纹，提高电池的耐候性等方面的改 进。使用高阻水、高电阻的 EVA 材料、背板材料，以 及使用双玻组件提高上述性能。在减小封装损失方面， 采用了高透光 EVA 和高反射 EVA 的组合进行封装。另 外，对于前玻璃进行镀膜改性，包括增加玻璃透光性、 减少玻璃外表面沾污（自清洁玻璃亲水涂层或疏水涂 层）、光子能量（上、下）转换等技术，都有助于减小 前玻璃板的封装损失。 （4）多晶硅材料提纯方面，目前国内的平均还原电 耗已由 2011 年的 70 千瓦时/公斤下降到 2012 年的 60 千 瓦时/公斤 以下，部分先进企业已低于 50 千瓦时/公 斤。 生产能耗和物耗不断下降，全国平均综合能耗下 降到 120 千瓦时 / 公斤，部分先进企业降低到 80 千瓦时 / 公斤以下。生产成本持续降低，部分先进企业成本达 到 20 美元 / 公斤的国际先进水平，但大多数企业成本超 过 30 美元/公斤。 （5）太阳电池制造业生产装备方面，在硅材料加 工环节，主要设备有长晶设备和硅片（锭、棒）切割 设备两种。 用于单晶生长的国产单晶炉的性价比要优 于进口设备，占据了国内绝大部分市场并且开始批量 出口周边亚洲国家；多晶硅铸锭炉、多线切割机等设 备制造技术取得重大进步。在电池制造环节，我国已 基本具备晶体硅太阳电池制造设备的整线装备制造能 力。在晶体硅太阳电池生产线的十几种主要设备中， 6 种以上国产设备已在国内生产线中占据主导地位，其 中单晶炉、多晶铸锭炉、扩散炉、 PECVD 镀膜机、等 离子刻蚀机、清洗制绒设备等接近国际先进水平。在 组件生产环节，主要设备层压机基本以国产为主，近 两年已少量出口欧美日等国。多数厂家采用的自动激 光串焊设备须从国外进口，但是近年来已有国内厂商 制造出自动硅片串焊机。国内已经可以配备完整的全 自动晶体硅太阳电池封装线。 （6）平衡部件方面，中国已经初步掌握了数十兆 瓦集中式并网光伏电站和数兆瓦分布式并网光伏系统 的设计集成技术，1 兆瓦级光伏并网逆变器等关键设备 170 2016年 . 第31卷 . 第2期 我国分布式光伏发电的现状与展望 实现国产化，并网光伏系统开始商业化推广，微电网 技术开发与国际基本同步。 大型光伏电站与分布式光 伏系统效率均达到 80 左右，集中型并网逆变器效率 为 98.4 ，组串型并网逆变器效率含变压器和无变压器 型效率分别达到 95 和 97 。然而，中国在大型并网 光伏电站、高穿透率分布式光伏系统及微电网等光伏大 规模利用的设计集成、智能化能源管理系统、关键专用 设备、功率预测和并网技术方面与国外先进技术水平有 一定差距。 中国光伏制造规模世界第一，技术和装备也已经有 了很大进步，制造装备和原材料的国产化率已达 85 左 右，但在高端制造设备和基础材料方面仍需要部分进口， 如氢化炉、多线切割机、镀膜设备、自动焊接机、硅烷、 高分子树脂、部分组件背膜、高质量电池前银浆料等。中 国仍需提高创新能力，在高端设备和基础材料方面进一步 提高国产化率，成为名副其实的世界光伏强国。 式的大型电站通常是一些大型国企利用雄厚的资金和 优质的资产信用作担保，很容易得到低息贷款。但 是分布式光伏发电的规模小，承建企业和用户的融 资能力都有很大的难度。因此，如何得到有利的低息 贷款，成为非常重要的环节。已经出现了多种融资模 式，包括银行贷款、股权融资、资产证券化、众酬 模式。在资产证券化方面又出现了众多的子模式，包 括电价收益权转让模式、融资平台公司增信模式、 BOT 模式、融资租赁模式等。特别是近年来出现的 如 SPI 公司的网上众酬模式，启迪了分布式光伏电站融 资模式的新思维。 随着应用领域的增多，政策措施的落实到位，融资 方式的便利化，分布式发电系统必将具有非常巨大的发 展潜力。 9 结论 太阳能资源具有分散、能量密度低的特点，因此光 8 分布式光伏发电的模式创新与应用潜力 由于我国的产业化基础和人口高密度区域都在东部 地区，但是东部地区的土地资源非常紧张，因此采用就 地消纳的分布式光伏发电具有巨大的潜力。在解决了政 策层面的障碍之后，将会极大地激发分布式光伏电站的 热潮。 在东部地区已经出现了多种分布式光伏发电运维模 式，例如秀洲模式、林洋模式、爱康模式等。 在分布式电站的交易方面也出现了多种模式， 包括自发自用余电上网、合同能源管理、全额上 网等等。 在应用领域方面，创新性地出现了各种新型的应用 方式，包括屋顶电站、农光互补、渔光互补、工业厂 房电站、商业楼宇电站、户用发电系统、移动光伏电源 等等。 分布式光伏发电的融资非常重要，因为西部集中 伏发电本身就具有分布式发电的天然优势。由于我国荒 地资源和用电负荷的分布极度不平衡，分布式光伏发电 不仅是大规模光伏应用的最好形式，也是解决我国电力 产销不平衡的抓手。 在光伏技术方面，正在不断地探索适用于分布式光 伏发电的新型电池结构和特种材料。 在鼓励政策不断出台和融资、建设、运维、经营模 式不断创新的基础上，相信中国的分布式光伏发电一定 能出现巨大的发展。 参考文献 1． lv F,Xu H H,Wang S CH.National Survey Report of PV Power Applications in China-2014. [2015-12-25].http//www.iea-pvps. org/. 2． IEA. Trends in PV Applications-2015. [2015-12-25]. http// www.iea-pvps.org/. 院刊 171 专题分布式可再生能源和智能微网 Status and Prospect of Chinese Distributed Photovoltaic Power Generation System Wang Wenjing1 Wang Sicheng2 （1 Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2 Energy Research Institute, National Development and Re Commission, Beijing 100038, China） Abstract In this paper, we describe the strategy meaning, technology advantage, market status, and subsidy policy of distributed photovoltaic PV power generation. We also discuss the status and trend of PV technology and its adaptability for distributed PV system. In China, only less than 20 PV systems are distributed systems up to 2014, compared to more than 60 of distributed PV systems in the world. The scenario is resulted mainly by the policy and electrical network problems in China. From 2014 on, Chinese central and local government releases a series of subsidy policy to promote the distribute PV system installation. From the perspective of PV technology, the distributed PV system requires higher efficiency. Some other special requirements are also focused on such as higher resistivity for PID, etc. Keywords distributed, PV power generation system, solar cell 王文静 中科院电工所研究员，中国可再生能源学会理事。长期从事太阳能光伏发电研究。研究领域覆盖晶体硅太阳 电池技术、硅薄膜太阳电池技术，产业状况、政策分析，光伏发电系统研究。编著和翻译了太阳能电池领域专业技术 著作5部，发表论文180余篇。E-mail Wang Wenjing Senior researcher and group leader of PV research, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences. Member of SEMI international member and standing committee of China Renewable Energy Society. The member of standing committee of Photovoltaic Commission of China Solar PV Society. His research covers the mono-, poly-, and amorphous-crystalline Si solar cell, PV industry status, policy analysis. He has edited or translated 5 books and published 180 research papers.E- 172 2016年 . 第31卷 . 第2期