“双碳”目标下光伏发展新机遇及在能源网络的应用

俞健，叶浩然，徐腾娟，陈杨，钱铖，陈涛，黄跃龙

西南石油大学光伏产业技术研究院

0 引言

20世纪 70年代的能源危机，使世界各国意识到新能源开发的重要性。全球能源转型背景下，推动能源向高效、清洁、多元化发展是大势所趋。2020年9月22日，中国国家主席习近平在国际气候峰会上郑重宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和［1］。“碳达峰”和“碳中和”的宏伟目标是中国的重大战略决策，充分体现了中国的大国责任、大国担当。“双碳”目标的达成对促进生态文明建设、保障能源自给与高效安全、推动经济转型、引领气候变化、实现“第二个百年”奋斗目标具有重大意义。

零碳路径上，以光伏发电为代表的可再生能源将成为主导能源。世界各国政府都在支持和发展光伏产业，推广“平价上网”政策来推动光伏产业链的发展。《世界能源转型展望：1.5 ℃路径》指出，到2050年，可再生能源发电量占比将提升到90%，其中光伏和风电占比63%。全球光伏装机将超过14 000 GW（相当于新建 635个三峡电站）［2］。而《全球光伏市场展望》则预计，到2025年，光伏累积并网发电规模将达到1 870 GW，年均增长19.6%，较2020年增长约141.85%［3］。此外，随着现代技术的发展，未来的能源系统必定是向清洁、低碳、高效、智能方向转型升级，构建多能互补的新型能源供应系统将具有重要的战略价值。因此，本文将基于“双碳”目标下光伏新能源发展的重大机遇，讨论光伏发电与油气资源、氢能、储能等的融合发展及在能源网络的应用，从发电、储能、转化、消纳等环节协调发力，引领全球绿色低碳技术和产业革命。

1 “双碳”目标下的光伏发展新机遇

中国是能源消费大国，根据中国能源统计年鉴等机构的公开数据测算，2019年可供全国消费的能源供应总量达46.4×108tce。2015—2019年，煤炭占能源供应的比重从 68%降至 63.5%，石油占比从19.6%提高至 20.7%，天然气占比从 6.3%提高至8.2%，一次电力占比从 4.6%提高至 5.9%（一次电力指水电、核电、风光发电等）［4］。从能源消耗结构看，目前中国的一次能源消耗仍在增长，能源清洁化发展显著加快，煤炭消耗呈下降趋势，石油消费较稳定，预计未来能源向清洁化、绿色化方向发展的趋势将加快［4-5］。在“双碳”战略的推进中，绿色电力将成为未来几乎所有制造产业的核心能源，以新能源为主的一次能源占比将不断提高，预计到2050年将超过60%，具体情况如图1所示。

图1 未来中国能源发展趋势

太阳能是重要的可持续绿色能源。太阳电池成为太阳能开发利用的重要技术路线。太阳电池利用光生伏特效应，直接实现太阳能的光电转换。过去10年，中国光伏产业蓬勃发展，在产业规模、生产制造、技术水平、企业实力等方面全面领跑世界。展望未来，全球能源转型已是大势所趋，光伏发电将迎来新的发展阶段：“双碳”目标下，大规模、高比例、高质量跃升发展阶段；摆脱补贴政策依赖，实现真正意义平价上网的阶段；构建以新能源为主体的新型电力系统阶段，从而实现多能互补、源网荷储、整县推进的多元化发展［6］。

过去几年，光伏行业都在超预期地快速发展。截至 2020年底，中国光伏发电总装机规模已超过250 GW，相当于新建 11个三峡电站。“十四五”期间，年均光伏新增规模将进一步提高到 70～90 GW［7］。在“整县推进”政策支持下，分布式光伏项目有望迎来爆发式发展，推动并完成光伏产业由高速发展向高质量发展的转变。

1.1 光伏集成与一体化发展趋势

近年来，光伏发电成本快速下降，部分地区已经实现平价上网。未来，光伏将进一步向多元化、集成化发展，赋予产品更高的附加值。2021年以来，欧洲《光伏战略研究与创新议程》及欧洲地平线计划（Horizon Europe）都将光伏多元化应用作为重大战略发展方向，寄望在新的赛道实现对中国光伏制造的弯道超车。因此，光伏能源多元化发展是中国继续保持光伏技术全球领先的关键和当务之急。汽车集成光伏（VIPV）、农光互补（Agri-PV）、飞机集成光伏（AIPV）、建筑集成光伏（BIPV）、渔光互补（Floating PV）等集成光伏领域将成为新的发展方向。

以光伏建筑一体化项目为例，2018年中国BIPV的市场累计安装规模仅约为1.1 GW，市场规模预计不足 50×108元。根据国家统计局数据，中国每年的建筑竣工面积约在40×108m3，若按照5%的BIPV渗透率计算，仅新建建筑的 BIPV年增量空间就在千亿人民币以上。目前，中国光伏龙头企业均在布局 BIPV产品，如隆基绿能科技股份有限公司（简称隆基绿能）推出的首款装配式BIPV产品“隆顶”、天合光能股份有限公司的户用光伏产品“天能瓦”，东方日升新能源股份有限公司在江苏金坛基地的BIPV项目已并网并投入运营。未来，多元化应用的集成光伏产品将会迎来发展的黄金时期。

1.2 光伏与储能融合发展的新趋势

光伏发电具有时间不均匀的特点，其能量供给曲线是变量。在“双碳”目标的推进过程中，光伏系统产生的电能如果以较高的比例接入，会对现有电网系统形成一定的冲击和挑战，需要设计安全系数高、能效利用好的储能方案，以稳定短期的供给和需求之间的协同作用，最大限度地利用储能的技术潜力，实现光储聚合、光储共享，打通“发、输、变、配、用”各个环节，从而促进光伏新能源的高质量发展。根据国家发展和改革委员会、国家能源局发布的发改能源规〔2021〕1051号《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，到2025年新型储能装机规模达3 000×104kW以上，引导储能多元化发展，到2030年实现新型储能全面市场化。国家发展和改革委员会、国家能源局联合印发的发改运行〔2021〕1138号《关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知》指出，新建系统需按照时长4 h以上（功率15%）的挂钩比例配建，配建有调峰能力20%以上挂钩比例的光伏系统优先并网。据不完全统计，已有近20个省份在其新增光伏发电项目的管理中，要求鼓励或强制配置储能，容量为10%～20%，时长不低于1～2 h。2020年，中国储能新增规模突破吉瓦量级，其中新能源发电侧的装机规模超过580 MW，同比增长438%。

储能技术保证了光伏发电的稳定性和连续性，实现安全、稳定供电。2021年4月11日，由中国国家电投黄河上游水电开发有限责任公司负责的全球首个光伏、储能户外实证实验平台开工建设。该平台的建设可助力解决中国光伏、储能技术户外实际运行的专业性、系统性研究较少等难题，通过光伏与储能的融合发展，可以快速精准地储存电量，平缓短期波动，消除最大负荷电量，显著减少供给端峰值产生，同时有助于稳定电价，减少未来输电网的升级和扩展成本。

1.3 光伏制氢融合发展的新趋势

中国的能源结构特点是“贫油、少气、富煤”，无论从“碳中和”的背景，还是保障国家能源安全、减少对国际化石能源依赖的角度出发，发展原油和天然气的替代燃料是当务之急。《中国至2050年能源科技发展路线图》指出，氢能利用技术是十大旨在引领中国能源科技发展、造就中国特色新型能源工业、满足经济社会发展需求的重要技术方向之一。地球上光、氢资源丰富，容易获取，具有可持续发展性，为多种新能源融合发展提供了可能。氢是宇宙中含量最多的元素，在地球所有元素储量中排前三，具有能源供给的充足性，且大部分氢元素以水的形式存在于大自然，容易获取。氢能利用技术的首要关键问题是发展高效、清洁和低成本的产氢技术。实现氢能高效、低成本、无污染制取是保证氢能产业发展的基础。当前中国的氢能主要来源为工业副产氢回收和化石燃料制氢，但工业副产氢的纯度普遍不高。化石燃料制氢虽然技术较为成熟，成本也相对较低，但制备过程中产生的二氧化碳需要捕集和封存，才能达到降低碳排放的目的。以上技术得到的氢气属于褐氢、灰氢和蓝氢，并未能真正实现零碳排放。

通过光伏发电、再电解水制取的氢气称为“绿氢”，光氢耦合开发可以最大限度地吸纳弃光电量。绿氢制备技术可以实现碳排放为零。氢能既是零碳燃料，又是化石能源和可再生能源之间的过渡和转换的桥梁。中国具有全球最大的光伏装机容量，采用光伏制氢的绿氢技术是实现高纯度、低成本、无污染的零碳排放的最佳路径。“光伏+制氢”的新发展模式，可进一步拓宽光伏发电的应用场景，加速实现减碳和脱碳的目标，将太阳能这种间歇性可再生能源存储于高能量密度储能介质——氢能中，有望成为未来电力发展的终极解决方案［8］。氢可与多能源耦合，氢经济的本质就是利用氢能远距离传输可再生能源，便于大量存储与集中释放。未来利用核能、可再生能源（光伏发电、风力发电等）产生的电能，一方面可以满足工业或者日常的电力需求，另一方面可以用以制氢（绿氢），最终反馈到终端用户并实现能源的无污染、可持续发展［9］。

根据德国于利希国家研究中心最新的研究成果（如图2所示），光伏系统发电产生的直流电作用于水电解过程，在低温下将水分子解离成氧气和氢气，分别从电解槽的阳极和阴极析出［10］。这个过程中所需的动力源于光伏系统产生的电力。电解过程可根据电解槽隔膜材料的不同，将水电解制氢分为碱性水解（AE）、质子交换膜（PEM）水解。碱性电解槽的电解液是由氢氧化钾（KOH）和氢氧化钠（NaOH）组成。阳极是由镍、铜制成，涂锰、钨、钌金属氧化物等；阴极是由镍制成，涂上铂作为催化剂。碱性水电解制氢具有技术成熟、投资总额少、运营成本低的优势，但需要解决碱液易流失、具有一定腐蚀性及能耗高等问题。而PEM水电解槽中不需要电解质，它是由气密的聚合物薄膜构成，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。与碱性水电解制氢对比，PEM水电解制氢具有工作电流密度更高、总体效率更高等优点。在 PEM电解槽中生产的 H2纯度达到99.99 %。质子传输通过电源快速响应功率波动，从而保证电源电解槽在较低的电流密度状况下有较高的效率。因此，间歇性光伏发电可以有效用作PEM电解槽的能量来源，在理论效率极限下，每公斤氢气所需的能量为 39.4 kW·h，在低电流密度下工作的PEM电解槽可能接近这个效率极限。

图2 光伏系统发电制氢的生命周期评估

2 光伏发电在多能互补能源系统的应用

2.1 现有的多种能源发电系统

目前，使用的多种能源发电系统是各种能源独立发电、并网，然后进行统一调度传输。如图3所示，能源发电系统主要由中央发电厂、HV传输、变电站、分时供电系统（TSO）、用户、中央光伏电厂、风电发电厂、DC/AC逆变器等部分组成［11］。现有系统特点明显，火电直接并网，风电、光电经过逆变后并网，没有设置储能设备，无法持续能源供应，在传输过程中极易发生电流电压不稳定，出现断电情况，影响用户需求。天气较差时，系统将持续依靠火电为核心供电源，不利于绿色可持续发展；天气较好时，也极易出现新能源消纳问题，造成浪费和运输不稳定。综上所述，现有系统的关键问题是分时段供电安全、电网稳定和电能储存。

图3 现有的多种能源发电系统

2.2 多能互补的能源发电系统

为克服风电、光电的不稳定和能源消纳问题，多能互补的能源发电系统应运而生。如图4所示，该系统的基本原理是电力供需平衡、实时调节和逆变储能，主要由中央发电厂、HV传输、变电站、分时供电系统（TSO）、用户、中央光伏电厂、风电发电厂、DC/AC逆变器、DC/DC逆变器、氢能转换装置和电池存储等组成［11］。多能互补的能源系统是综合了供热、电力及光伏发电、储能系统等的综合能源系统，具有传统能源系统单独运行所不可比拟的优势，通过协调与优化不同类型能源的产生、储存、传输和分配等环节，形成一套能高效利用可再生能源的供应系统［12］。

图4 多种能源互补的发电系统

多能互补的综合能源系统比传统的独立能源系统更为复杂，系统的运行需要协调不同子系统之间的输出特性以及耦合作用，因此具有相对更高的运行风险。运行过程中某个能源子系统如果发生故障，可能会导致故障因素影响到其他能源子系统的正常运行，从而以点带面地引发大面积系统故障或事故。由于多能互补的综合能源系统运行更复杂，涵盖了热能、电能、气等，影响其经济效益、安全可靠、长期持续运行的因素也更多元化，所以需要更为准确、高效、全面的能效管理和能流优化模型，从而带动产业升级。

2.3 光伏发电在半自主能源网络的应用

随着“双碳”目标的提出，新能源互补系统发展日益加快，过程中面临很多的机遇和挑战。这需要整合传统化石燃料和可再生能源，统筹能源储存、能源效率提升和能源运输等环节。能源网络加快转型升级，其核心是智能化和半自主实时调节，转型关键技术有数字灵活控制技术和能源网络组织构建。时空分布不均匀是风力、光伏发电的鲜明特征，从集中发电到用户分布式发电和存储，最后集中进行能源管理。这一智能化高效系统需要实现数字化，由数字技术创造新服务和智能的基础设施。

由新能源系统组成的光电风电能源社区包括太阳能电池板覆盖的房屋、智能化实时为新能源汽车充电的新房子、智能半自主能源站，以及形成大型现代化智能社区，其核心有中央光伏系统、分布式光伏系统、风力发电机、地热源发电、产H2电解器、中央电池、能量枢纽、H2燃料电池锅炉、可发电屋顶、汽车+充电站、智能控制等，如图 5所示［11］。光伏发电系统也可融入智慧城市的建设中，如太阳能电动自行车和通勤脚踏车充电站等。能源网络控制的稳定性会随着生产需要而相应变化，面临诸多挑战：能源供应的不确定性、网络维护、能源法规和政策限制、气候变化影响、地缘政治问题、公众支持度、核发运营许可证等。为了获得更可持续、可靠、高效、低成本的可再生能源，需要统筹打造太阳能、风能和电动汽车的电网，能源产出紧跟用户需求，加快灵活性和模块化进程，分散控制，合理把握新成本和市场结构分配，打造光电、风电等新能源与油气等传统能源融合的新型发电集成系统。

图5 智能化半自主能源网络

3 光伏发电在能源系统应用中存在的问题及发展建议

3.1 光伏发电在能源系统应用中存在的问题

一是由于风、光等新能源发电具有时空分布不均匀、能源供应不稳定等问题，接入能源系统的初期可能存在不稳定供应等技术性问题，需要在电网系统及并网运行时提供更多技术支撑。

二是国家机关事务管理局发布的《关于 2022年公共机构能源资源节约和生态环境保护工作安排的通知》指出，要推进可再生能源替代，实施绿色改造。但光伏建筑一体化（BIPV）的发展尚有许多障碍和挑战需要克服，包括：缺乏政府的支持力度，BIPV组件新技术、设计和施工成本高，缺乏统一的安装规范等。

三是国家对于多能源供应系统的发展寄予厚望，但同时也有一些质疑，能源系统的稳定发展需要深入研究能源供应的应用体系问题，明确未来的光伏发电在能源供应系统的发展战略和配套发展政策、文件等。

3.2 光伏发电在能源系统应用的发展建议

“双碳”目标的推进为光伏产业的发展带来了全新的机遇，但随之而来的消纳问题亦不容忽视。发展光伏制氢产业以增加储能是一个重要的解决通道。光氢耦合开发可以最大限度地吸纳弃光电量，缓解规模化光电上网“瓶颈”，助力推动半自主能源系统发展。对光伏发电在能源系统应用发展的建议如下：

一是能源政策的重视与调整。在国家层面加大对新能源的统一规划和推进建设步伐，统筹兼顾总体布局与各项规划，构建出多结构多元化的新型能源智能系统，加大对光伏、氢能、风电等清洁能源在技术创新、核心技术突破方面的支持力度，创造高效的能源系统。

二是加快能源系统转型。推动半自主能源系统建立，深化节能服务与新能源系统融合。增强系统的监测与诊断能力，实现绿色新能源节能改造，避免新能源系统的低效运行。可再生能源的大规模利用、智能灵活的能源基础设施建设以及新能源电动出行将有效推动能源应用的转型。

三是多方向协调发展。鼓励中国相关能源企业进军光伏制氢及能源市场，在光伏项目开发、氢能产业开发和应用等方面展开广泛、深度合作，进一步开拓新能源市场，推动多元化合作。如中国石油化工集团有限公司于2020年4月与广州黄埔区、开发区签订战略合作协议，共同推进氢能产业建设。2021年3月，光伏巨头隆基绿能成立西安隆基氢能科技有限公司。同年3月，阳光电源股份有限公司发布了中国首款绿氢SEP50 PEM电解槽，专门成立了氢能事业部，积极研究在现有光伏发电的业务平台上发展氢能业务及相关产业。

4 结束语

在中国“碳中和”进程中，可再生能源的清洁高效利用将在未来发挥出显著的作用，并具有重大的战略意义。构建全国低碳化新型能源供应体系势在必行。为克服风、光能源不稳定问题，如调峰能力较弱，风、光能受天气影响较大等，需要全面布局一定量的传统能源或创新稳定输出体系，进行多能互补与规模应用，同时解决储能和转化问题。低碳化、智能化的多能融合互补能源供应系统将是推动“双碳”目标实现的有力抓手，必将为构建美丽中国做出巨大贡献。