光伏產(chǎn)業(yè)的變遷和現(xiàn)狀

在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的大背景下，可再生能源開(kāi)發(fā)利用日益受到國(guó)際社會(huì)的重視，大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國(guó)的共識(shí)。2015年11月30日，國(guó)家主席習(xí)近平出席氣候變化巴黎大會(huì)開(kāi)幕式并發(fā)表題為《攜手構(gòu)建合作共贏、公平合理的氣候變化治理機(jī)制》的重要講話(huà)。他承諾，中國(guó)將于2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)，2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，發(fā)展可再生能源勢(shì)在必行。各種可再生能源中，太陽(yáng)能以其清潔、安全、取之不盡、用之不竭等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為發(fā)展最快的可再生能源。開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)均具有重要意義。

光伏產(chǎn)業(yè)是我國(guó)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略性、朝陽(yáng)性產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，在政策引導(dǎo)和市場(chǎng)需求雙輪驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)市場(chǎng)占有率多年位居全球首位，已經(jīng)成為世界上重要的光伏生產(chǎn)大國(guó)和光伏應(yīng)用大國(guó)。

本文將從光伏的誕生、產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)、技術(shù)路線(xiàn)和產(chǎn)品價(jià)格、應(yīng)用等角度，分析光伏領(lǐng)域這些年的提質(zhì)、降本、增效成果。

光伏的誕生和早期應(yīng)用

我們的能源利用分成一次能源和二次能源，自然存在的能源，比如太陽(yáng)能、煤炭、石油、核能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能都是一次能源，太陽(yáng)能熱水器，燒煤的蒸汽機(jī)，風(fēng)力磨坊或者燒柴做飯基本都是對(duì)一次能源的直接利用，但這些利用方式在今天的社會(huì)中只占極小的份額。我們直接利用的能源基本都是加工能源，也就是二次能源，例如電力、汽柴煤重各種成品油，煤氣、焦炭等等。在所有二次能源中，電力幾乎是絕對(duì)的核心，大部分的一次能源用來(lái)發(fā)電，電力也最廣泛地應(yīng)用在生活、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

人類(lèi)發(fā)電基本只基于兩種原理：電磁效應(yīng)和光電效應(yīng)。

電磁效應(yīng)，由邁克爾·法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)，粗疏描述即：只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。之后，各種發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)都是基于此原理。把各種形式一次能源，不論化學(xué)能還是核能，轉(zhuǎn)化為熱能，燒開(kāi)水，再把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子——磁場(chǎng)在線(xiàn)圈中運(yùn)動(dòng)，最終轉(zhuǎn)化為電能?；蛘哂伤?、風(fēng)力、潮汐、或者內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的高溫燃?xì)庵苯域?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生電能。

光電效應(yīng)，則是由赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)，并在之后由愛(ài)因斯坦做出完整解釋。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出而形成電流，即光生電。光伏效應(yīng)則是光電效應(yīng)的一種特例，當(dāng)受光物質(zhì)是不均勻半導(dǎo)體時(shí)，電磁波使其不同部位之間產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象最早在1839年，由時(shí)年僅19歲法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾在一次實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤中偶然發(fā)現(xiàn)。不同于電磁效應(yīng)中機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化，光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的是光能向電能的轉(zhuǎn)化，這可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的主要能量來(lái)源——太能輻射的直接利用。

但光伏發(fā)電實(shí)用化是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱難的過(guò)程。

1883年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯·弗里茨在鍺片上鍍上一層硒金屬電極，建立了第一塊光伏電池，雖然轉(zhuǎn)換效率只有1%，而且成本極高，但這仍然為人類(lèi)打開(kāi)了一扇新的能源大門(mén)。

19世紀(jì)下半期，電磁學(xué)奠基人麥克斯韋，提出了“麥克斯韋方程組”，為光電效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)。1907年，愛(ài)因斯坦提供了基于光子的量子假設(shè)為光電效應(yīng)提供了完整的理論解釋?zhuān)⒁虼双@得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1912年至1916年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家米利肯通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的猜想，繼而因此獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在理論之后，是漫長(zhǎng)的工程和技術(shù)探索。1916年，波蘭化學(xué)家揚(yáng)·柴可拉斯基發(fā)現(xiàn)了提純單晶硅的拉晶工藝。1940年，美國(guó)半導(dǎo)體專(zhuān)家拉塞爾·奧爾制造出了固態(tài)二極管的基本結(jié)構(gòu)p-n結(jié)，為光伏發(fā)電向工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家首次制造出實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池。轉(zhuǎn)化效率為6%，同年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽(yáng)電池。1958年美國(guó)的第二顆人造衛(wèi)星開(kāi)始使用光伏電池。此時(shí)光伏電池高昂的制造成本也幾乎只有更加昂貴的航天應(yīng)用才能接受。

1976年，澳大利亞政府決定通過(guò)光伏電池站運(yùn)營(yíng)內(nèi)陸地區(qū)的整個(gè)電信網(wǎng)絡(luò)。光伏電站的建立和運(yùn)營(yíng)非常成功，提高了世界范圍內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)的信心。1980年起，墨西哥灣的小型無(wú)人駕駛石油鉆井平臺(tái)開(kāi)始配備太陽(yáng)能電池組件，并以經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的優(yōu)勢(shì)逐漸取代了以前使用的大型電池。1983年起，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)開(kāi)始使用光伏為其信號(hào)燈和導(dǎo)航燈供電。這時(shí)的光伏電池已經(jīng)開(kāi)始成為為不便接入電網(wǎng)的獨(dú)立系統(tǒng)提供電力的重要方式

1990年代起，屋頂光伏開(kāi)始興起，首先是瑞士蘇黎世的個(gè)別建筑物開(kāi)始實(shí)驗(yàn)性安裝屋頂光伏系統(tǒng)。1991年，德國(guó)啟動(dòng)1000個(gè)屋頂計(jì)劃，同時(shí)“電力上網(wǎng)法”規(guī)定公用事業(yè)公司必須從小型可再生能源發(fā)電廠(chǎng)獲取電力。1994年、1997年，日本、美國(guó)相繼啟動(dòng)百萬(wàn)屋頂計(jì)劃。2010年，德國(guó)光伏系統(tǒng)總的額定功率超過(guò)10GW。

光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.光伏產(chǎn)業(yè)的政策變遷

光伏產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)時(shí)間都是依靠政策支持得以發(fā)展的行業(yè)，表1總結(jié)了部分在光伏行業(yè)發(fā)展歷程中有重要意義的政策文件，從政策變遷中，我們也可以窺見(jiàn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程。

2.光伏發(fā)電成本曲線(xiàn)

從圖1來(lái)看，光伏發(fā)電度電成本在2017年以后快速下降，目前在全國(guó)范圍已經(jīng)低于0.5元/kWh，在部分光照資源非常好的地區(qū)已經(jīng)低于0.35元/kWh。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一、二、三類(lèi)資源區(qū)燃煤發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)平均為每千瓦時(shí)0.2656元、0.3588元和0.4043元，這意味著光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)與燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)越來(lái)越接近，對(duì)國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼的依賴(lài)程度不斷下降，實(shí)現(xiàn)全面無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)指日可待。

3.全球光伏發(fā)電裝機(jī)

根據(jù)國(guó)際可再生能源署（IRENA）統(tǒng)計(jì)，2019年底，全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)2537GW。其中，光伏發(fā)電占比約為23%，規(guī)模586GW。2019年，全球新增可再生能源發(fā)電裝機(jī)約176GW，其中，光伏發(fā)電98GW，同比增長(zhǎng)20%。

從地區(qū)分布看，亞洲繼續(xù)引領(lǐng)全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2019年新增光伏裝機(jī)56GW，占全球的60%。中國(guó)、印度、日本、韓國(guó)和越南是2019年新增裝機(jī)最多的國(guó)家，美國(guó)、澳大利亞、西班牙、烏克蘭和德國(guó)也有較大增長(zhǎng)。

4.中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)

根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)3011吉瓦，同比下降31.6%，其中集中式光伏新增裝機(jī)1791萬(wàn)千瓦，同比減少22.9%;分布式光伏新增裝機(jī)1220萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)41.3%。光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到204.3吉瓦，同比增長(zhǎng)17.3%，其中集中式光伏141.67吉瓦，同比增長(zhǎng)14.5%;分布式光伏62.63吉瓦，同比增長(zhǎng)24.2%。2019年全國(guó)光伏發(fā)電量達(dá)2243億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)26.3%，光伏利用小時(shí)數(shù)1169小時(shí)，同比增長(zhǎng)54小時(shí)。

在光伏裝機(jī)的結(jié)構(gòu)上，從近5年國(guó)內(nèi)裝機(jī)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）看，分布式光伏正憑借其經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)和靠近用電側(cè)的優(yōu)勢(shì)，占比穩(wěn)步提升。

未來(lái)的光伏發(fā)電成本下降

IRENA在2019年11月發(fā)布了《FUTURE OF SOLAR PHOTOVOLTAIC》報(bào)告，其中指出，到2050年，太陽(yáng)能光伏可以滿(mǎn)足全球四分之一的電力需求，到2030年，全球太陽(yáng)能光伏裝機(jī)將達(dá)到2400GW，到2050年可能超過(guò)8000GW，大約為2018年水平的18倍。這意味著，到2030年，每年全球新增光伏裝機(jī)應(yīng)達(dá)到270GW，到2050年每年新增光伏裝機(jī)超過(guò)370GW，是2018年（94GW）的4倍。

從地區(qū)看，亞洲將繼續(xù)主導(dǎo)太陽(yáng)能光伏的使用，裝機(jī)容量將超過(guò)50%，其次是北美（20%）和歐洲（10%）。目前，與所有化石燃料發(fā)電來(lái)源相比，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的水平成本（LCOE）已經(jīng)具有競(jìng)爭(zhēng)力，并將隨著安裝成本下降、效率提高而進(jìn)一步下降。2018年，太陽(yáng)能光伏的LCOE約為0.085元/kWh，到2030年將降至0.02～0.08美元/kWh，到2050年可降至0.014～0.05美元/kWh。

對(duì)中國(guó)而言，已經(jīng)有超過(guò)5GW上網(wǎng)電價(jià)與燃煤發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)持平、甚至低于燃煤發(fā)電電價(jià)的光伏發(fā)電項(xiàng)目并入電網(wǎng)，這意味著在部分地區(qū)，光伏發(fā)電的成本已經(jīng)與燃煤發(fā)電相當(dāng)，甚至達(dá)到更低水平。預(yù)計(jì)到2030年，光伏將超越水電，成為最低價(jià)的能源，其累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將突破600GW，在全國(guó)電力裝機(jī)中的比重持續(xù)上升。

2020年是中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)有國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼的最后一年，也是光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)全面平價(jià)上網(wǎng)的關(guān)鍵之年?？梢灶A(yù)見(jiàn)，光伏能源將從2020年開(kāi)始，從新能源成長(zhǎng)為主流能源。