光伏發(fā)電在可再生能源結構中的地位與發(fā)展分析

甘肅省太陽能光伏重點實驗室 甘肅省科學院自然能源研究所 ■ 喬俊強喜文華 李世民

?

光伏發(fā)電在可再生能源結構中的地位與發(fā)展分析

甘肅省太陽能光伏重點實驗室 甘肅省科學院自然能源研究所 ■ 喬俊強*喜文華 李世民

摘 要：結合對全球光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀的研究，對光伏發(fā)電在可再生能源結構中的份額和發(fā)展趨勢進行了分析和預測。結果表明，未來全球光伏發(fā)電裝機容量及其發(fā)電量在可再生能源中占比都將穩(wěn)步提高，預計2020年將分別達到15.8%和6.6%，具有巨大的增長潛力。同時，對光伏發(fā)電與電網(wǎng)系統(tǒng)的關系做了探討，光伏發(fā)電的快速發(fā)展對電網(wǎng)系統(tǒng)管理提出了新的挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)運營商、監(jiān)管機構和光伏廠商必須加強協(xié)作以推進光伏并網(wǎng)建設。

關鍵詞：光伏發(fā)電；可再生能源；能源結構；電網(wǎng)系統(tǒng)

0 引言

化石能源價格上漲導致的全球電力成本上升，以及各國制定的可再生能源發(fā)展目標和相關支持政策，推動了太陽能、風能等可再生能源發(fā)電的持續(xù)發(fā)展。截至2014年底，全球可再生能源新增裝機135 GW，裝機總量同比增長8.5% 至1712 GW，在全球發(fā)電裝機容量中占比增至27.7%，可滿足全球電力需求的22.8%[1]。其中，太陽能光伏發(fā)電在全球能源結構變革中扮演著日益重要的角色，在過去5年內其年均增長率達到約55%[2]。2008～2014年，全球光伏組件價格平均下跌超過了80%[3,4]，其在整體光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機成本中所占比例已低于40%[5]。緣于光伏系統(tǒng)裝機成本的下降和電力價格的上升，全球光伏市場在近年來得以迅猛發(fā)展，至2014年上半年，全球有超過53座容量大于50 MW的光伏電站投入運行，其中規(guī)模較大的50座光伏電站裝機容量總和超過了5.1 GW。

另一方面，2011年日本福島的核事故對全球能源市場造成了巨大震動，促使能源投資加速從核能等傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)向太陽能光伏等可再生能源產(chǎn)業(yè)流動。僅2012年一年，全球在小型分布式發(fā)電系統(tǒng)(主要為光伏發(fā)電)領域的投資已超過720億美元，占整體可再生能源產(chǎn)業(yè)投資的30.2%[6]。而在2014年，全球可再生能源投資已達2702億美元，其中，在太陽能領域的投資較前一年增長25%至1496億美元，遠超風能995億美元的投資額(這兩者當年之和占到全球可再生能源和燃料投資總額的92%)。除此以外，2014年全球可再生能源投資中地熱發(fā)電增長23%至27億美元，而生物質能發(fā)電則下降8%至51億美元，廢物發(fā)電下降10%至84億美元，小水電投資下降17%至45億美元[7]。

目前看來，在越來越多的國家和地區(qū)光伏發(fā)電成本已逐漸接近居民用電零售價格。隨著能源危機的凸顯和各國應對氣候變化的壓力日漸

1 全球可再生能源發(fā)電發(fā)展情況

近年來，隨著全球可再生能源技術水平的提高，相關設備的制造成本隨之下降，這使得太陽能、風能等可再生能源逐漸具備了同傳統(tǒng)化石能源相競爭的成本優(yōu)勢。在全球生態(tài)環(huán)境問題日益突出的背景下，可再生能源發(fā)展速度將不斷加快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模繼續(xù)擴大。2013年可再生能源裝機量增長8.3%，占全球發(fā)電裝機容量凈增長量的56%[8]；發(fā)電量增長16.3%，在全球電力供應中的比重從2008年的2.7%增至2013年的5.3%(見圖1)[9]。國際可再生能源機構(IRENA)和國際能源署(IEA)預測，至2030年可再生能源在全球能源構成中的比例將增至21%～36%[10]，超過燃煤成為全球電力的主要來源，其中，間歇式供電(太陽能光伏和風能)的份額約為45%[11]。

圖1　全球可再生能源發(fā)電量的增長趨勢

目前全球可再生能源對一次能源增長的貢獻已經(jīng)超過了天然氣，在全球一次能源中占比達到2.2%。在年度增量及可再生能源在各國能源結構中的比重方面，歐盟作為一個整體仍領先于中國和美國，其約有15%的電力來自可再生能源，這源于歐盟燃油、燃煤和核能電站開始陸續(xù)進入退役階段，且有相當大比例的風力和光伏等可再生能源發(fā)電設備逐步投入運行(見圖2)[12]。

圖2　2000 ～2013年歐盟新增凈發(fā)電容量

在計入退役設施的情況下，歐盟2013年新增發(fā)電容量中排在前5位的都是可再生能源，分別為風力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電、生物質能發(fā)電和聚光太陽能熱發(fā)電(見圖3)[12]。若按新增凈發(fā)電容量考察，光伏發(fā)電(10335 MW)和風力發(fā)電(10835 MW)已縮小差距，且遠超水力發(fā)電(1197 MW)、生物質能發(fā)電(705 MW)和聚光太陽能熱發(fā)電(419 MW)。

圖3　2013年歐盟新增發(fā)電容量

2 全球太陽能光伏發(fā)電發(fā)展情況

2000年以來全球累計光伏產(chǎn)能增長了兩個數(shù)量級，復合年增長率達到了50%[13]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，自2013年11.8 GW的新增光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，中國已成為全球最大的光伏市場。然而從累計光伏裝機容量來看，歐洲仍保持著世界領先地位(見表1)[12]，至2013年底其累計光伏裝機容量占到全球總量的59%。與之相比，亞洲地區(qū)(包括中國)則表現(xiàn)出了更快的增長速度，其同期累計光伏裝機容量達到40.6 GW，占非歐洲國家累計光伏裝機總量的68%。

表1　2004～2013年全球光伏累計裝機容量變化/ MW

2014年全球新增光伏裝機容量約38.7 GW，累計光伏裝機容量達到了177 GW(見圖4)[1]，其整體變化趨勢與2013年基本一致，中國光伏增長速度居世界首位，之后分別是日本、美國、英國和德國，這5個國家當年新增并網(wǎng)光伏裝機容量都超過了1 GW。其中，不論按總量還是人均計算，德國仍是全球最大的光伏市場(見表2)[14]。

圖4　2004～2014年全球光伏累計容量變化

表2　2014年光伏裝機總量和新增裝機容量前10位國家

3 光伏發(fā)電在可再生能源結構中的地位與發(fā)展趨勢

2014年全球可再生能源發(fā)電實現(xiàn)了高速發(fā)展，國際能源署(IEA)預計到2020年可再生能源發(fā)電量、新增裝機容量及相關投資都將繼續(xù)保持強勁增長(見表3、表4)[15]。

與此同時，全球并網(wǎng)光伏發(fā)電容量中有近60%屬于近3年來的新增裝機(其中中國約占30%)，表現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展態(tài)勢。因此，未來幾年內光伏發(fā)電在可再生能源中所占份額將不斷擴大(見圖5、圖6)。據(jù)國際能源署《2014年太陽能光伏發(fā)電技術路線圖》預測，至2050年光伏發(fā)電量將占到全球發(fā)電總量的約16%[16]。

4 光伏發(fā)電與電網(wǎng)系統(tǒng)的關系

目前光伏發(fā)電行業(yè)仍存在一定的政策不確定性和電力系統(tǒng)結構問題，隨著光伏發(fā)電在電力供應中份額的持續(xù)增長，光伏發(fā)電的隨機波動性和間歇性對整個電力系統(tǒng)的影響愈加明顯[17,18]。

表3　全球可再生能源總裝機容量和發(fā)展趨勢/ GW

表4　全球可再生能源發(fā)電量和發(fā)展趨勢/TWh

圖5　全球光伏累計裝機容量在可再生能源中的份額和變化趨勢

圖6　全球光伏發(fā)電量在可再生能源中的份額和變化趨勢

圖7　2013年部分國家光伏發(fā)電峰值功率與用電負荷區(qū)間

以歐洲作為考察對象，近1年來光伏發(fā)電在歐洲電力需求總量中占3%(按并網(wǎng)容量計算)，在歐洲峰值發(fā)電量中占比約6%。對一些國家2013年光伏發(fā)電峰值功率與用電負荷進行對比分析(見圖7)[12]，德國光伏發(fā)電對全國電力平均貢獻率約為49%，其他國家則在20%～25%之間，其中，希臘的瞬時光伏貢獻率最高達到了77%。這些國家光伏系統(tǒng)的滿負荷生產(chǎn)電力開始逐漸接近其全國最小用電負荷，使電力系統(tǒng)管理面臨的壓力日漸增大，且由于光伏組件傾角和氣候等因素的影響，光伏陣列系統(tǒng)并不是同時滿負荷運行，因此，電力系統(tǒng)運營商、監(jiān)管機構和光伏廠商必須增進協(xié)作以加大光伏并網(wǎng)的建設力度。同時，在推進光伏并網(wǎng)的過程中，還需要在電能質量、線路潮流、電力系統(tǒng)保護、運行調度[19]和電網(wǎng)經(jīng)濟性運行等諸多方面加以綜合考慮。

5 結束語

太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展?jié)摿捌渖鐣б嬗l(fā)引人關注，已開始在全球能源供應中起到重要作用。縱觀2000年以來的趨勢，光伏發(fā)電已逐漸成為可再生能源電力的主要組成部分，并不斷蠶食電力市場中天然氣和風力發(fā)電的份額。對全球能源市場發(fā)展的各種預測均顯示光伏發(fā)電極有可能發(fā)展成未來最主要的3種新能源技術之一，不論在歐洲、中國還是世界其他國家和地區(qū)，光伏發(fā)電在能源結構中的比重都將繼續(xù)增大。同時，光伏電力的快速增長及其并網(wǎng)管理都對電力系統(tǒng)提出了更高的要求。

參考文獻

[1] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21). Renewables 2015 Global Status Report (Paris: REN21 Secretariat) [EB/OL]. http://www.ren21.net/wp-content/ uploads/2015/06/REN12-GSR2015_Onlinebook_low1.pdf, 2015-06-18.

[2] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21). Renewables 2014 Global Status Report (Paris: REN21 Secretariat) [EB/OL]. http://www.ren21.net/Portals/0/documents/ Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf, 2014-06-04.

[3] Pierre Verlinden, Zhang Yingbin, Feng Zhiqiang. Cost analysis of current PV production and strategy for future silicon PV modules [A]. Proceedings of the 28th EU PVSEC[C], Paris, France, 2013.

[4] 章激揚, 李達, 楊蘋, 等. 光伏發(fā)電發(fā)展趨勢分析[J]. 可再生能源, 2014, 32(2): 127－132.

[5] Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI).

International Technology - Roadmap for Photovoltaic, 2013 Results [EB/OL]. http://www.semi.org/sites/semi.org/files/docs/ ITRPV_2014_Roadmap_Revision1_140324.pdf, 2014-03-24.

[6] Arnulf J?ger-Waldau. PV Status Report 2013, JRC Scientific and Policy Report[EB/OL]. http://iet.jrc.ec.europa.eu/remea/sites/ remea/files/pv_status_report_2013.pdf, 2013-09.

[7] Frankfurt School-UNEP Centre, Bloomberg New Energy Finance. Global trends in renewable energy investment 2015[R]. Germany: Frankfurt School-UNEP Collaborating Centre, 2015.

[8] 國家可再生能源中心. 2014國際可再生能源發(fā)展報告[R].北京: 中國環(huán)境出版社, 2014.

[9] Christof Rühl. Energy in 2013: Taking stock - BP Statistical Review of World Energy[EB/OL]. http://www.bp.com/content/ dam/bp/pdf/speeches/2014/energy_in_2013_taking_stock.pdf, 2014-06-18.

[10] Ruud Kempener and Deger Saygin. Renewable Energy in Manufacturing - A technology roadmap for REmap 2030[EB/OL]. http://irena.org/remap/REmap%202030%20Renewable-Energy-in-Manufacturing.pdf, 2014-06.

[11] International Energy Agency (IEA). World Energy Outlook 2013 - Executive Summary[EB/OL]. http://www.iea.org/ publications/freepublications/publication/WEO2013_Executive_ Summary_English.pdf, 2013-11-12.

[12] Ga?tan Masson, Sinead Orlandi, Mano?l Rekinger. Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018[EB/OL]. http:// www.epia.org/fileadmin/user_upload/Publications/EPIA_Global_ Market_Outlook_for_Photovoltaics_2014-2018_-_Medium_Res. pdf, 2014-04-17.

[13] Arnulf Jaeger-Waldau, Fabio Monforti-Ferrario, Manjola Banja, et al. Renewable Energy Snapshots 2013, JRC Scientific and Policy Report[EB/OL]. http://iet.jrc.ec.europa.eu/remea/sites/ remea/files/jrc82506_jrc_res_snapshots_2013.pdf, 2013-06.

[14] International Energy Agency - Photovoltaic Power Systems Programme (IEA-PVPS). 2014 Snapshot of Global PV Markets[EB/OL]. http://iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/ technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992-2014.pdf, 2015-03-30.

[15] International Energy Agency (IEA). Medium-Term Renewable Energy Market Report 2014 - Executive Summary[EB/OL]. http:// www.iea.org/Textbase/npsum/MTrenew2014SUM.pdf, 2014-8-27. [16] International Energy Agency (IEA). Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy – 2014 edition[EB/OL]. http://www.iea. org/media/freepublications/technologyroadmaps/solarpv2014/Tech nologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf, 2014-09.

[17] 李碧君, 方勇杰, 楊衛(wèi)東, 等. 光伏發(fā)電并網(wǎng)大電網(wǎng)面臨的問題與對策[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2010, 26(4): 52－59.

[18] 王一波, 許洪華. 基于機會約束規(guī)劃的并網(wǎng)光伏電站極限容量研究[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(22): 22－28.

[19] 鄭志杰, 李磊, 王葵. 大規(guī)模光伏并網(wǎng)電站接入系統(tǒng)若干問題的探討[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2010, 26(2): 74－76.

通信作者：喬俊強(1979—)，男，博士、副研究員，主要從事先進功能材料制備及其在可再生能源中應用方面的研究。qiao@unido-isec.orgbook=7,ebook=8增大，未來太陽能光伏產(chǎn)業(yè)有望實現(xiàn)更快的發(fā)展，并且光伏發(fā)電成本也將保持穩(wěn)定甚至進一步降低。

基金項目：國家國際科技合作專項基金(2012DFG62120)；甘肅省科學院青年科技創(chuàng)新基金(2013QN-15)；甘肅省科學院應用研究與開發(fā)基金(2014JK-01)

收稿日期：2015-07-10