論光伏太陽能發(fā)電及儲能構(gòu)成與前景

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；太陽能；儲能技術(shù)；分布式；能源轉(zhuǎn)型

引言

對化石能源的大規(guī)模開發(fā)帶來了資源枯竭與生態(tài)破壞等一系列問題，全球氣候變化已成為人類面臨的共同挑戰(zhàn)。發(fā)展可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與低碳轉(zhuǎn)型，已成為國際社會的廣泛共識。在眾多可再生能源中，太陽能以其普適性、環(huán)境友好性、可持續(xù)性的突出優(yōu)勢，成為全球能源變革的中流砥柱。

光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要形式，近年來實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的跨越式發(fā)展。2022年，全球光伏新增裝機(jī)量超過200 GW，同比增長45%。不斷下降的度電成本與日趨成熟的技術(shù)路線，為光伏發(fā)電的規(guī)模化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，光伏發(fā)電的間歇性與波動(dòng)性，制約了其對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的全面替代。儲能技術(shù)的引入，為化解這一瓶頸提供了新思路。

一、光伏發(fā)電：綠色能源的重要擔(dān)當(dāng)

太陽能資源豐富、分布廣泛，是最具開發(fā)潛力的可再生能源之一。據(jù)估算，地球表面每年接受的太陽輻射總量約為173 000 TW，遠(yuǎn)超全球一次能源消費(fèi)總和。高效利用這一“取之不盡、用之不竭”的能源寶藏，是實(shí)現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

（一）光伏發(fā)電的基本原理

光伏發(fā)電是一種利用太陽電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的發(fā)電方式。當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，光子與半導(dǎo)體材料相互作用，產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)的內(nèi)建電場作用下實(shí)現(xiàn)電荷分離，形成電流，從而直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能[1]。常見的太陽能電池按材料可分為晶硅電池、化合物電池、有機(jī)/聚合物電池等。其中，晶硅電池因光電轉(zhuǎn)換效率較高（25%）、工藝成熟度高，占據(jù)了90%以上的市場份額。

（二）光伏發(fā)電的優(yōu)勢

與化石能源發(fā)電相比，光伏發(fā)電具有顯著優(yōu)勢。①環(huán)境友好。光伏發(fā)電過程無廢氣排放，全生命周期碳排放量僅為燃煤發(fā)電的5%，有助于緩解溫室效應(yīng)與環(huán)境污染。②普適性強(qiáng)。太陽能資源分布廣泛，適用于不同地理?xiàng)l件，可就近開發(fā)，減少輸電損耗。同時(shí)，光伏系統(tǒng)的模塊化特點(diǎn)賦予其靈活的應(yīng)用場景，既可大規(guī)模地集中式開發(fā)，也可小型分布式部署。③運(yùn)維簡單。光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，靜態(tài)部件多、動(dòng)態(tài)部件少，運(yùn)行可靠性高，一般無需專人值守，運(yùn)維成本低[2]。④可持續(xù)性。太陽能作為可再生能源，具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)能源供給永續(xù)化的重要保障。

（三）光伏發(fā)電的挑戰(zhàn)

光伏發(fā)電的發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)。①發(fā)電不穩(wěn)定。太陽能資源具有間歇性和波動(dòng)性，易受天氣、季節(jié)、晝夜交替等因素影響，難以持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。這對電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力提出了更高要求。②占地面積大。光伏電站需要大量土地資源，在人口稠密、土地緊缺的地區(qū)，用地矛盾將日益突出。如何在保障農(nóng)業(yè)用地、生態(tài)用地的同時(shí)拓展光伏發(fā)電空間，考驗(yàn)著專業(yè)人員的規(guī)劃智慧。③消納瓶頸。大規(guī)模光伏并網(wǎng)，對電網(wǎng)的靈活性與穩(wěn)定性提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。電力消納“三棄”（棄光、棄風(fēng)、棄水）現(xiàn)象在局部地區(qū)已初現(xiàn)端倪。④設(shè)備回收難。隨著首批光伏電站的相繼退役，如何高效、環(huán)保地回收處理廢舊組件，最大化地實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，成為亟待破解的難題。

（四）推動(dòng)光伏發(fā)電行業(yè)持續(xù)進(jìn)步的動(dòng)力

在全球氣候變化日益嚴(yán)峻、化石能源日漸枯竭的大背景下，發(fā)展可再生能源已成為國際社會的廣泛共識。光伏發(fā)電作為最具代表性的可再生能源利用形式，正迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。一方面，各國紛紛出臺相關(guān)政策，將光伏發(fā)電作為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要抓手。歐盟提出，到2030年可再生能源占比達(dá)到40%，美國、日本、韓國等發(fā)達(dá)國家也制定了雄心勃勃的光伏發(fā)展規(guī)劃。中國更是積極踐行“雙碳”戰(zhàn)略，大力推動(dòng)能源革命和綠色轉(zhuǎn)型。另一方面，光伏技術(shù)不斷突破，轉(zhuǎn)換效率持續(xù)攀升，度電成本大幅下降。PERC（Passivated Emitter and Rear Cell）、HJT（Heterojunction with Intrinsic Thinlayer）、TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）等先進(jìn)電池技術(shù)加速迭代，平價(jià)上網(wǎng)全面展開。同時(shí)，光伏結(jié)合農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、建筑等多元化應(yīng)用場景的拓展，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展開辟了新賽道、帶來了新動(dòng)能。總之，在“雙碳”目標(biāo)、技術(shù)進(jìn)步、成本下降等多重利好因素的共同推動(dòng)下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將迎來廣闊的發(fā)展前景，成為引領(lǐng)全球能源變革的中流砥柱。

二、儲能技術(shù)：破解光伏發(fā)電瓶頸的“利器”

儲能是指利用物理或化學(xué)方法，將電、熱、機(jī)械能等能量形式存儲并在需要時(shí)釋放的一類技術(shù)，是提高能源系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的關(guān)鍵支撐。目前，抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪、電池、超級電容等多種儲能技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。其中，電池尤其是鋰離子電池以其高能量密度、長循環(huán)壽命、快速響應(yīng)等優(yōu)勢，成為大規(guī)模儲能的主流技術(shù)路線。

（一）電化學(xué)儲能的工作原理

電化學(xué)儲能是基于電極材料的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能存儲與釋放的一類技術(shù)。以鋰離子電池為例，其主要由正極（如三元材料）、負(fù)極（如石墨）、電解液和隔膜等部分構(gòu)成。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)電解液嵌入負(fù)極，同時(shí)電子從外電路由正極流向負(fù)極，實(shí)現(xiàn)電能以化學(xué)能的形式存儲；放電時(shí)則反之，鋰離子與電子分別從負(fù)極回到正極，釋放電能。

（二）光伏發(fā)電與儲能技術(shù)的協(xié)同

光伏發(fā)電與儲能技術(shù)可通過多種方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，共同構(gòu)建高效、可靠、靈活的能源系統(tǒng)。①削峰填谷。利用白天光照充足時(shí)的富余電力為儲能系統(tǒng)充電，在用電高峰時(shí)段或光照不足時(shí)放電，平滑光伏發(fā)電曲線，提高電能利用效率[3]。②頻率調(diào)節(jié)。儲能設(shè)備可快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)，提供旋轉(zhuǎn)備用，降低系統(tǒng)對常規(guī)調(diào)峰電源的依賴。③需求響應(yīng)。分布式光伏配合儲能，可實(shí)現(xiàn)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”，用戶可根據(jù)電價(jià)政策優(yōu)化充放電策略，參與電力需求側(cè)響應(yīng)，獲得經(jīng)濟(jì)效益。④提高供電可靠性。儲能作為備用電源，可在電網(wǎng)故障等意外情況下保障重要負(fù)荷持續(xù)供電，提高供電可靠性。光伏發(fā)電與儲能系統(tǒng)的融合，在大型電站中的應(yīng)用日益廣泛。例如很多大型光伏電站配置的儲能電池群，通過集中布置電池集裝箱，與光伏方陣協(xié)同運(yùn)行，在白天充電、晚上或陰雨天放電，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電削峰填谷、平滑功率波動(dòng)的目的。

三、全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

（一）裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，成本不斷下降

在正式探討全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢之前，有必要對光伏產(chǎn)業(yè)所處的宏觀背景進(jìn)行簡要梳理。當(dāng)前，世界能源格局正經(jīng)歷深刻變革，傳統(tǒng)化石能源逐步讓位于可再生能源，低碳轉(zhuǎn)型大潮席卷全球。在此背景下，光伏產(chǎn)業(yè)作為最具代表性、最富潛力的新興產(chǎn)業(yè)，正迎來加速發(fā)展的黃金期。

2022年，在各國“碳中和”目標(biāo)與綠色復(fù)蘇計(jì)劃的推動(dòng)下，全球光伏市場延續(xù)高速增長態(tài)勢，新增裝機(jī)首次突破200 GW大關(guān)，同比增長45%，累計(jì)裝機(jī)量已超1 000 GW，相當(dāng)于全球發(fā)電總裝機(jī)的5%。未來幾年，預(yù)計(jì)這一增長趨勢還將持續(xù)。從區(qū)域分布看，中國、美國、印度位列前三，分別新增87 GW、30 GW和16 GW。分布式光伏滲透率穩(wěn)步提升，戶用系統(tǒng)、工商業(yè)屋頂電站大放異彩。

技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)的疊加推動(dòng)度電成本持續(xù)下降。據(jù)IRENA（International Renewable Energy Agency）統(tǒng)計(jì)，2021年全球光伏發(fā)電加權(quán)平均度電成本已降至5.7 ￠/kWh，較2010年下降87%，在大多數(shù)國家已具備與化石能源競爭的經(jīng)濟(jì)性。光伏企業(yè)紛紛布局高效電池如PERC、HJT、TOPCon等，以提升組件功率、降低平均化發(fā)電成本（Levelized Cost of Energy，LCOE）。預(yù)計(jì)到2030年，光伏發(fā)電成本有望進(jìn)一步下降60%，比肩陸上風(fēng)電，成為最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方式之一。

（二）分布式光伏與智能電網(wǎng)的融合發(fā)展

伴隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新、政策機(jī)制創(chuàng)新的深入，光伏正從傳統(tǒng)的大型地面電站，向小型化、分布式方向演進(jìn)。“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的分布式光伏，憑借因地制宜、清潔高效、靈活友好等特點(diǎn)，成為能源變革的新寵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球分布式光伏新增裝機(jī)已達(dá)100 GW，占比近50%，成為拉動(dòng)光伏市場增長的主要引擎。

分布式光伏的大規(guī)模接入，對傳統(tǒng)電網(wǎng)提出了全新挑戰(zhàn)。多能流、雙向流的特性要求電網(wǎng)需具備更強(qiáng)的信息處理與控制調(diào)度能力[4]。人工智能、區(qū)塊鏈、5G等新興技術(shù)，為打造與分布式光伏協(xié)同友好的智慧電網(wǎng)提供了創(chuàng)新路徑。通過邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電預(yù)測、能量管理優(yōu)化，利用區(qū)塊鏈搭建點(diǎn)對點(diǎn)電力交易平臺，用虛擬電廠匯聚分散式電源形成統(tǒng)一調(diào)度，分布式光伏正加速向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn) 。

（三）儲能技術(shù)突飛猛進(jìn)，多場景應(yīng)用落地

隨著光伏等可再生能源滲透率的提升，其波動(dòng)性與間歇性對電力系統(tǒng)的沖擊日益凸顯。大規(guī)模、低成本、高效率儲能技術(shù)成為破解新能源消納瓶頸的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球新增光伏配儲項(xiàng)目超50 GW，配儲率已超20%。抽水蓄能、電化學(xué)電池、壓縮空氣、飛輪、超級電容、熱儲能等多種形式百花齊放，呈現(xiàn)“百舸爭流”的熱烈局面。

鋰離子電池憑借能量密度高、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，成為短時(shí)大規(guī)模儲能的“主力軍”。據(jù)BNEF（Bloomberg New Energy Finance）預(yù)測，2030年全球鋰電池裝機(jī)規(guī)模將突破2 000 GWh。但鋰資源的稀缺性限制了其大規(guī)模應(yīng)用，液流電池、鈉離子電池、鋅基電池等新型電池技術(shù)異軍突起，有望在中長時(shí)儲能領(lǐng)域分一杯羹。

儲能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了多場景應(yīng)用落地。除配合光伏、風(fēng)電等可再生能源調(diào)節(jié)平衡外，峰谷電價(jià)套利、輔助服務(wù)、微電網(wǎng)、儲能充電站等商業(yè)化案例也在各地開花結(jié)果，為優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)、提高供電可靠性、促進(jìn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。

四、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與演進(jìn)路徑展望

能源轉(zhuǎn)型既是危機(jī)，也孕育著無限機(jī)遇。政策引導(dǎo)與市場驅(qū)動(dòng)為技術(shù)創(chuàng)新提供了廣闊舞臺，成為光伏賦能未來能源體系的關(guān)鍵支撐。聚焦高效光伏電池、先進(jìn)儲能材料、能源互聯(lián)網(wǎng)等前沿領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，將助推光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

（一）高效光伏電池技術(shù)加速突破

提高光電轉(zhuǎn)換效率，是光伏技術(shù)永恒的主題。當(dāng)前，PERC、HJT、TOPCon等高效電池技術(shù)已成為行業(yè)主流。未來，更高效、低成本的技術(shù)創(chuàng)新仍將是業(yè)界追逐的目標(biāo)。以鈣鈦礦為代表的新型光伏材料，以其優(yōu)異的光學(xué)性能與低廉的制備成本，備受產(chǎn)業(yè)界青睞。據(jù)Nature Energy報(bào)道，鈣鈦礦電池小面積器件光電轉(zhuǎn)換效率已突破25.7%，有望成為硅基電池的有力補(bǔ)充。多結(jié)疊層電池通過串聯(lián)不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，可顯著提升器件效率，理論效率極限可達(dá)60%以上。柔性電池、光伏建筑一體化、農(nóng)光互補(bǔ)等技術(shù)與應(yīng)用的拓展，也將為光伏插上創(chuàng)新的翅膀，拓寬應(yīng)用場景邊界。

（二）新型儲能材料與技術(shù)不斷涌現(xiàn)

在鋰離子電池成本與性能不斷優(yōu)化的同時(shí)，鈉離子電池、液流電池、金屬–空氣電池等新型電池技術(shù)迅速崛起，多點(diǎn)開花。鈉元素儲量豐富、價(jià)格低廉，且鈉離子嵌入石墨負(fù)極無體積膨脹，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。液流電池以其儲能規(guī)模大、使用壽命長、安全性高的特點(diǎn)，在電網(wǎng)級長時(shí)儲能中大放異彩，美國已建成400 MWh液流電池儲能電站。金屬-空氣電池理論比能量高，有望大幅提升系統(tǒng)能量密度，但其充放電效率、循環(huán)穩(wěn)定性等仍有待進(jìn)一步提升。此外，飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、熱-電轉(zhuǎn)化材料等也悄然興起，為突破儲能技術(shù)瓶頸提供了更多想象空間。

（三）能源互聯(lián)網(wǎng)撬動(dòng)能源體系變革

隨著分布式光伏、微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等新業(yè)態(tài)的蓬勃發(fā)展，能源生產(chǎn)與消費(fèi)模式正發(fā)生深刻變革。多能互補(bǔ)、源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同的能源互聯(lián)網(wǎng)雛形初現(xiàn)，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系提供了全新思路[5]。區(qū)塊鏈、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)與能源系統(tǒng)的融合，將從能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流三個(gè)層面重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)。在能源流層面，分布式光伏、微電網(wǎng)、虛擬電廠等將促進(jìn)能源雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”；在業(yè)務(wù)流層面，能源區(qū)塊鏈平臺將搭建點(diǎn)對點(diǎn)交易機(jī)制，促進(jìn)各類主體參與現(xiàn)貨與衍生品交易，提高市場化配置效率；在數(shù)據(jù)流層面，能源大數(shù)據(jù)分析可實(shí)現(xiàn)需求預(yù)測、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。能源互聯(lián)網(wǎng)將推動(dòng)光伏從單一能源供應(yīng)商向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型，成為驅(qū)動(dòng)能源變革的新引擎。

結(jié)語

站在新時(shí)代的歷史方位，光伏產(chǎn)業(yè)迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。惟創(chuàng)新者進(jìn)，惟創(chuàng)新者強(qiáng)，惟創(chuàng)新者勝。踏準(zhǔn)能源革命的時(shí)代節(jié)拍，緊抓技術(shù)創(chuàng)新這一“牛鼻子”，光伏產(chǎn)業(yè)必將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，在政策、市場、技術(shù)的多輪驅(qū)動(dòng)下，在跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新中，光伏必將成為構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的中流砥柱，為實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化不懈奮斗，為推動(dòng)人類文明的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更大力量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭雅楠.論光伏發(fā)電儲能技術(shù)的運(yùn)用[J].模型世界， 2022（14）：1921.

[2] 黃志瑋.光伏發(fā)電并網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].能源與節(jié)能，2021（07）：3940+168.

[3] 何智成.帶儲能裝置的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2018.

[4] 李源元.儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光源與照明，2025（02）：139141.

[5] 周崢.玉門地區(qū)太陽能儲能技術(shù)路線對比及選擇[J].信息與電腦（理論版），2021，33（14）：3640.