光伏发电在可再生能源结构中的地位与发展分析

甘肃省太阳能光伏重点实验室 甘肃省科学院自然能源研究所 ■ 乔俊强喜文华 李世民



光伏发电在可再生能源结构中的地位与发展分析

甘肃省太阳能光伏重点实验室 甘肃省科学院自然能源研究所 ■ 乔俊强*喜文华 李世民

摘 要：结合对全球光伏发电等可再生能源发展现状的研究，对光伏发电在可再生能源结构中的份额和发展趋势进行了分析和预测。结果表明，未来全球光伏发电装机容量及其发电量在可再生能源中占比都将稳步提高，预计2020年将分别达到15.8%和6.6%，具有巨大的增长潜力。同时，对光伏发电与电网系统的关系做了探讨，光伏发电的快速发展对电网系统管理提出了新的挑战，电力系统运营商、监管机构和光伏厂商必须加强协作以推进光伏并网建设。

关键词：光伏发电；可再生能源；能源结构；电网系统

0 引言

化石能源价格上涨导致的全球电力成本上升，以及各国制定的可再生能源发展目标和相关支持政策，推动了太阳能、风能等可再生能源发电的持续发展。截至2014年底，全球可再生能源新增装机135 GW，装机总量同比增长8.5% 至1712 GW，在全球发电装机容量中占比增至27.7%，可满足全球电力需求的22.8%[1]。其中，太阳能光伏发电在全球能源结构变革中扮演着日益重要的角色，在过去5年内其年均增长率达到约55%[2]。2008～2014年，全球光伏组件价格平均下跌超过了80%[3,4]，其在整体光伏发电系统装机成本中所占比例已低于40%[5]。缘于光伏系统装机成本的下降和电力价格的上升，全球光伏市场在近年来得以迅猛发展，至2014年上半年，全球有超过53座容量大于50 MW的光伏电站投入运行，其中规模较大的50座光伏电站装机容量总和超过了5.1 GW。

另一方面，2011年日本福岛的核事故对全球能源市场造成了巨大震动，促使能源投资加速从核能等传统能源产业向太阳能光伏等可再生能源产业流动。仅2012年一年，全球在小型分布式发电系统(主要为光伏发电)领域的投资已超过720亿美元，占整体可再生能源产业投资的30.2%[6]。而在2014年，全球可再生能源投资已达2702亿美元，其中，在太阳能领域的投资较前一年增长25%至1496亿美元，远超风能995亿美元的投资额(这两者当年之和占到全球可再生能源和燃料投资总额的92%)。除此以外，2014年全球可再生能源投资中地热发电增长23%至27亿美元，而生物质能发电则下降8%至51亿美元，废物发电下降10%至84亿美元，小水电投资下降17%至45亿美元[7]。

目前看来，在越来越多的国家和地区光伏发电成本已逐渐接近居民用电零售价格。随着能源危机的凸显和各国应对气候变化的压力日渐

1 全球可再生能源发电发展情况

近年来，随着全球可再生能源技术水平的提高，相关设备的制造成本随之下降，这使得太阳能、风能等可再生能源逐渐具备了同传统化石能源相竞争的成本优势。在全球生态环境问题日益突出的背景下，可再生能源发展速度将不断加快，产业规模继续扩大。2013年可再生能源装机量增长8.3%，占全球发电装机容量净增长量的56%[8]；发电量增长16.3%，在全球电力供应中的比重从2008年的2.7%增至2013年的5.3%(见图1)[9]。国际可再生能源机构(IRENA)和国际能源署(IEA)预测，至2030年可再生能源在全球能源构成中的比例将增至21%～36%[10]，超过燃煤成为全球电力的主要来源，其中，间歇式供电(太阳能光伏和风能)的份额约为45%[11]。

图1　全球可再生能源发电量的增长趋势

目前全球可再生能源对一次能源增长的贡献已经超过了天然气，在全球一次能源中占比达到2.2%。在年度增量及可再生能源在各国能源结构中的比重方面，欧盟作为一个整体仍领先于中国和美国，其约有15%的电力来自可再生能源，这源于欧盟燃油、燃煤和核能电站开始陆续进入退役阶段，且有相当大比例的风力和光伏等可再生能源发电设备逐步投入运行(见图2)[12]。

图2　2000 ～2013年欧盟新增净发电容量

在计入退役设施的情况下，欧盟2013年新增发电容量中排在前5位的都是可再生能源，分别为风力发电、光伏发电、水力发电、生物质能发电和聚光太阳能热发电(见图3)[12]。若按新增净发电容量考察，光伏发电(10335 MW)和风力发电(10835 MW)已缩小差距，且远超水力发电(1197 MW)、生物质能发电(705 MW)和聚光太阳能热发电(419 MW)。

图3　2013年欧盟新增发电容量

2 全球太阳能光伏发电发展情况

2000年以来全球累计光伏产能增长了两个数量级，复合年增长率达到了50%[13]。统计数据显示，自2013年11.8 GW的新增光伏系统并网后，中国已成为全球最大的光伏市场。然而从累计光伏装机容量来看，欧洲仍保持着世界领先地位(见表1)[12]，至2013年底其累计光伏装机容量占到全球总量的59%。与之相比，亚洲地区(包括中国)则表现出了更快的增长速度，其同期累计光伏装机容量达到40.6 GW，占非欧洲国家累计光伏装机总量的68%。

表1　2004～2013年全球光伏累计装机容量变化/ MW

2014年全球新增光伏装机容量约38.7 GW，累计光伏装机容量达到了177 GW(见图4)[1]，其整体变化趋势与2013年基本一致，中国光伏增长速度居世界首位，之后分别是日本、美国、英国和德国，这5个国家当年新增并网光伏装机容量都超过了1 GW。其中，不论按总量还是人均计算，德国仍是全球最大的光伏市场(见表2)[14]。

图4　2004～2014年全球光伏累计容量变化

表2　2014年光伏装机总量和新增装机容量前10位国家

3 光伏发电在可再生能源结构中的地位与发展趋势

2014年全球可再生能源发电实现了高速发展，国际能源署(IEA)预计到2020年可再生能源发电量、新增装机容量及相关投资都将继续保持强劲增长(见表3、表4)[15]。

与此同时，全球并网光伏发电容量中有近60%属于近3年来的新增装机(其中中国约占30%)，表现出令人瞩目的发展态势。因此，未来几年内光伏发电在可再生能源中所占份额将不断扩大(见图5、图6)。据国际能源署《2014年太阳能光伏发电技术路线图》预测，至2050年光伏发电量将占到全球发电总量的约16%[16]。

4 光伏发电与电网系统的关系

目前光伏发电行业仍存在一定的政策不确定性和电力系统结构问题，随着光伏发电在电力供应中份额的持续增长，光伏发电的随机波动性和间歇性对整个电力系统的影响愈加明显[17,18]。

表3　全球可再生能源总装机容量和发展趋势/ GW

表4　全球可再生能源发电量和发展趋势/TWh

图5　全球光伏累计装机容量在可再生能源中的份额和变化趋势

图6　全球光伏发电量在可再生能源中的份额和变化趋势

图7　2013年部分国家光伏发电峰值功率与用电负荷区间

以欧洲作为考察对象，近1年来光伏发电在欧洲电力需求总量中占3%(按并网容量计算)，在欧洲峰值发电量中占比约6%。对一些国家2013年光伏发电峰值功率与用电负荷进行对比分析(见图7)[12]，德国光伏发电对全国电力平均贡献率约为49%，其他国家则在20%～25%之间，其中，希腊的瞬时光伏贡献率最高达到了77%。这些国家光伏系统的满负荷生产电力开始逐渐接近其全国最小用电负荷，使电力系统管理面临的压力日渐增大，且由于光伏组件倾角和气候等因素的影响，光伏阵列系统并不是同时满负荷运行，因此，电力系统运营商、监管机构和光伏厂商必须增进协作以加大光伏并网的建设力度。同时，在推进光伏并网的过程中，还需要在电能质量、线路潮流、电力系统保护、运行调度[19]和电网经济性运行等诸多方面加以综合考虑。

5 结束语

太阳能光伏发电的发展潜力及其社会效益愈发引人关注，已开始在全球能源供应中起到重要作用。纵观2000年以来的趋势，光伏发电已逐渐成为可再生能源电力的主要组成部分，并不断蚕食电力市场中天然气和风力发电的份额。对全球能源市场发展的各种预测均显示光伏发电极有可能发展成未来最主要的3种新能源技术之一，不论在欧洲、中国还是世界其他国家和地区，光伏发电在能源结构中的比重都将继续增大。同时，光伏电力的快速增长及其并网管理都对电力系统提出了更高的要求。

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通信作者：乔俊强(1979—)，男，博士、副研究员，主要从事先进功能材料制备及其在可再生能源中应用方面的研究。qiao@unido-isec.orgbook=7,ebook=8增大，未来太阳能光伏产业有望实现更快的发展，并且光伏发电成本也将保持稳定甚至进一步降低。

基金项目：国家国际科技合作专项基金(2012DFG62120)；甘肃省科学院青年科技创新基金(2013QN-15)；甘肃省科学院应用研究与开发基金(2014JK-01)

收稿日期：2015-07-10